Почему летает самолет или зачем нужны крылья. Почему летает самолет

Чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать силу тяжести за счет подъемной и противостоять силе сопротивления воздуха тягой

Невозможный, согласно математическим расчетам Ньюкома, полет современных лайнеров можно объяснить простым опытом. Для него понадобятся 2 одинаковые банки, пара похожих мух и весы. На одну чашу ставят емкость с насекомым, которое неподвижно сидит на дне. На другой оказывается банка с постоянно летающей мухой.

По логике, первая чаша должна перевесить фактически пустую вторую емкость. Но на деле обе части мерила окажутся в балансе. Летающая муха поднимается в воздух за счет направленного вниз потока импульса, добавляя банке несколько граммов и уравновешивая силу тяжести.

В случае с самолетом принцип в общих чертах похож, только организовано все гораздо сложнее. Летят аппараты благодаря подъемной силе (ПС), возникающей при взаимодействии потоков воздуха и крыла с аэродинамической формой. Последние располагаются под углом. Острием они рассекают поток на направленный вниз и «набегающий», из-за чего под крылом образуется область высокого давления, а над ним - низкого. Разница в итоге и порождает подъемную силу.

Но чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать не только силу тяжести за счет подъемной, но и противостоять силе сопротивления воздуха тягой. В отличие от насекомых, судно не способно набрать нужные скорость и высоту с помощью взмахов крылышками. «Стать на воздух» самолет сможет на определенной скорости, набрать которую помогают двигатели.

Наглядное объяснение того, как и почему летают самолеты. Какую роль в передвижении по воздуху играют крыло, двигатель и другие части конструкции.

Скорость взлета и движения на эшелоне

Скорость (V) передвижения у лайнеров непостоянна - на подъеме необходима одна, а в полете другая.

Взлет фактически начинается с момента движения судна по полосе. Аппарат разгоняется, набирает необходимый для отрыва от полотна темп и только тогда, благодаря увеличению подъемной силы, взмывает вверх. Необходимая для отрыва V прописана в руководстве к каждой модели и общих инструкциях. Моторы в этот момент работают на полную, дают огромную нагрузку на машину, отчего процесс считается одним из самых сложных и опасных.
Чтобы зафиксироваться в пространстве и занять выделенный эшелон, необходимо достичь уже другой скорости. Полет в горизонтальной плоскости возможен только в том случае, если ПС компенсирует притяжение Земли.

Показатели скорости, с которой летательный аппарат способен подняться в воздух и задержаться там на определенное время, назвать трудно. Зависят они от характеристик конкретной машины и окружающих условий. У небольшого одномоторного V логично будет ниже, чем у гигантского пассажирского судна - чем крупнее аппарат, тем быстрее ему приходится двигаться.

Для «Боинга» 747-300 это примерно 250 километров в час, если плотность воздуха составит 1,2 килограмма на кубический метр. У Cessna 172 - примерно 100. Як-40 отрывается от полотна на 180 км/ч, Ту154М - на 210. Для Ил 96 показатель в среднем достигает 250, а у Airbus A380 - 268.

Из независимых от модели аппарата условий при определении числа опираются на:

направление и силу ветра - встречный помогает, подталкивая нос вверх
наличие осадков и влажность воздуха - могут осложнять или способствовать разгону
человеческий фактор - после оценки всех параметров решение принимает пилот

Скорость, характерную для эшелона, в технических характеристиках обозначают как «крейсерская» - это 80% от максимальных возможностей машины

Скорость на самом эшелоне также зависит непосредственно от модели судна. В технических характеристиках ее обозначают как «крейсерская» - это 80% от максимальных возможностей машины. Первый пассажирский «Илья Муромец» разгонялся всего до 105 километров в час. Сейчас же число среднем в 7 раз больше.

Если летите на Airbus A220, показатель находится на уровне 870 км/ч. А310 передвигается обычно со скоростью 860 километров в час, А320 - 840, А330 - 871, А340-500 - 881, А350 - 903, а гигант А380 - 900. У «Боингов» примерно так же. Boeing 717 летает на крейсерской в 810 километров в час. Массовый 737 - на 817-852 в зависимости от поколения, дальнемагистральный 747 - 950, 757 - на 850 км/ч, первый трансатлантический 767 - 851, Triple Seven - 905, а реактивный пассажирский 787 - 902. По слухам, компания занимается разработкой лайнера для гражданской авиации, который будет доставлять людей из одной точки в другую на V=5000. Но пока в топ самых быстрых в мире входят исключительно военные:

американский сверхзвуковой F-4 Phantom II пусть и уступил место более современным, но все еще входит в десятку с показателем в 2370 километров в час
одномоторный истребитель Convair F-106 Delta Dart с 2450 км/ч
боевой МиГ-31 - 2993
экспериментальный Е-152, чья конструкция легла в основу МиГ-25 - 3030
прототип XB-70 Valkyrie - 3 308
исследовательский Bell X-2 Starbuster - 3 370
МиГ-25 способен достичь 3492, но остановиться на этой отметке и не повредить двигатель невозможно
SR-71 Blackbird - 3540
мировой лидер X-15 с ракетным двигателем - 7 274

Возможно, и гражданские суда когда-нибудь смогут достигнуть этих показателей. Но точно не ближайшее время, пока главным фактором в вопросе остается безопасность пассажиров.

4 детали авиалайнера, от которых зависят летные качества

Летающие машины отличаются от обычных очень сложными конструкциями, предусматривающими каждую мелочь. И кроме очевидных деталей, на возможности и характеристики передвижения влияют и другие части - всего собрали 4 основных.

1. Крыло. Если при отказе двигателя можно долететь до ближайшего аэродрома на втором, а при неполадках сразу в двух - приземлиться с опытом пилота, без крыла от пункта отправления не отдалишься. Не будет его - не будет необходимой подъемной силы. В единственном числе о крыле говорят не случайно. Вопреки распространенному мнению, оно у самолета одно. Этим понятием обозначают всю плоскость, расходящуюся в обе стороны от борта.

Поскольку это главная деталь, отвечающая за нахождение в воздухе, ее конструкции уделяется очень много внимания. Форму строят по точным расчетам, выверяют и испытывают. Кроме того, крыло способно выдерживать огромные нагрузки, чтобы не ставить под угрозу главное - безопасность людей.

2. Закрылки и предкрылки. Большее количество времени крыло самолета имеет обтекаемую форму, но на взлете и посадке на нем появляются дополнительные поверхности. Выпускаются закрылки и предкрылки для того, чтобы увеличить площадь и справиться с действующими на аппарат силами во время серьезных нагрузок в начале и конце пути. При приземлении тормозят лайнер, не позволяют ему упасть слишком быстро, а на подъеме помогают удержаться в воздухе.

3. Спойлеры. Появляются на верхней части крыла в моменты, когда требуется уменьшить ПС. Играют роль своеобразного тормоза. Эта и детали из предыдущего пункта представляют собой механизацию, которой пилоты управляют вручную.

В современном мире многие люди интересуются наукой и техникой и пытаются хотя бы в общих чертах понять, как работают вещи, которые их окружают. Благодаря этому стремлению к просвещению существует научно-просветительская литература и сайты, подобные Гиктаймсу. А поскольку читать и воспринимать ряды формул большинству людей затруднительно, то излагаемые в подобных изданиях теории неизбежно подвергаются значительному упрощению в попытке донести до читателя «суть» идеи с помощью простого и понятного объяснения которое легко воспринять и запомнить. К сожалению, некоторые из подобных «простых объяснений» являются в корне неверными , но при этом оказываются настолько «очевидными», что не подвергаясь особому сомнению начинают кочевать из одного издания в другое и нередко становятся доминирующей точкой зрения, несмотря на свою ошибочность.

В качестве одного из примеров попробуйте ответить на простой вопрос: «откуда возникает подъемная сила в крыле самолета»?

Если в Вашем объяснении фигурируют «разная длина верхней и нижней поверхности крыла», «разная скорость потока воздуха на верхней и нижней кромках крыла» и «закон Бернулли», то я вынужден Вам сообщить, что Вы скорее всего стали жертвой популярнейшего мифа, который преподают порою даже в школьной программе.

Давайте для начала напомним, о чем идет речь

Объяснение подъемной силы крыла в рамках мифа выглядит следующим образом:

Крыло имеет несимметричный профиль снизу и сверху
Непрерывный поток воздуха разделяется крылом на две части, одна из которых проходит над крылом, а другая под ним
Мы рассматриваем ламинарное обтекание, в котором поток воздуха плотно прилегает к поверхности крыла
Поскольку профиль несимметричен, то для того чтобы снова сойтись за крылом в одной точке «верхнему» потоку нужно проделать больший путь, чем «нижнему», поэтому воздуху над крылом приходится двигаться с большей скоростью чем под ним
Согласно закону Бернулли статическое давление в потоке уменьшается с ростом скорости потока, поэтому в потоке над крылом статическое давление будет ниже
Разница давлений в потоке под крылом и над ним и составляет подъемную силу

А для демонстрации этой идеи достаточно простого гибкого и легкого листа бумаги. Берем лист, подносим его ко рту, и дуем над ним чтобы создать модель в которой поток воздуха над листом бумаги движется быстрее чем под ним. И вуаля - с первой или второй попытки лист бумаги презрев тяготение действительно поднимается под действием подъемной силы вверх. Теорема доказана!

… или все-таки нет?..

Существует история (я правда не знаю насколько она правдива), что одним из первых людей предложивших, подобную теорию был не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн. Согласно этой истории в 1916 году он написал соответствующую статью и на её основе предложил свою версию «идеального крыла», которое, по его мнению, максимизировало разницу скоростей над крылом и под ним, и в профиль выглядело примерно вот так:

В аэродинамической трубе продули полноценную модель крыла с этим профилем, но увы - её аэродинамические качества оказались на редкость плохими. В отличие - парадоксально! - от многих крыльев с идеально симметричным профилем, в которых путь воздуха над крылом и под ним должен был быть принципиально одинаков. В рассуждениях Эйнштейна явно что-то было неправильно. И вероятно наиболее явным проявлением этой неправильности было то что некоторые пилоты в качестве акробатического трюка стали летать на своих самолетах вверх ногами. У первых самолетов, которые пробовали перевернуться в полете, возникали проблемы с топливом и маслом, которое не текло туда, куда нужно, и вытекало там, где не нужно, но после того, как в 30-х годах прошлого века энтузиастами аэробатики были созданы топливные и масляные системы, способные работать длительное время в перевернутом положении, полет «вверх ногами» стал обычным зрелищем на авиашоу. В 1933, к примеру, один американец и вовсе совершил полет вверх ногами из Сан-Диего в Лос-Анджелес. Каким-то волшебным образом перевернутое крыло по-прежнему генерировало подъемную силу, направленную вверх.

Посмотрите на эту картинку - на ней изображен самолет, аналогичный тому, на котором был установлен рекорд полета в перевернутом положении. Обратите внимание на обычный профиль крыла (Boeing-106B airfoil) который, согласно приведенным выше рассуждениям, должен создавать подъемную силу от нижней поверхности к верхней.

Итак, у нашей простой модели подъемной силы крыла есть некоторые трудности, которые можно в целом свести к двум простым наблюдениям:

Подъемная сила крыла зависит от его ориентации относительно набегающего потока воздуха - угла атаки
Симметричные профили (в том числе и банальный плоский лист фанеры) тоже создают подъемную силу

В чем же причина ошибки? Оказывается, что в приведенном в начале статьи рассуждении совершенно неверен (и вообще говоря, просто взят с потолка) пункт №4. Визуализация потока воздуха вокруг крыла в аэродинамической трубе показывает, что фронт потока, разделенный на две части крылом, вовсе не смыкается обратно за кромкой крыла.

Проще говоря, воздух «не знает», что ему нужно двигаться с какой-то определенной скоростью вокруг крыла, чтобы выполнить какое-то условие, которое нам кажется очевидным. И хотя скорость потока над крылом действительно выше, чем под ним, это является не причиной образования подъемной силы а следствием того, что над крылом существует область пониженного давления, а под крылом - область повышенного. Попадая из области нормального давления в разреженную область, воздух разгоняется перепадом давлений, а попадая в область с повышенным давлением - тормозится. Важный частный пример столь «не-бернуллевского» поведения наглядно демонстрируют экранопланы: при приближении крыла к земле его подъемная сила возрастает (область повышенного давления поджимается землей), тогда как в рамках «бернуллевских» рассуждений крыло на пару с землей формируют нечто вроде сужающегося тоннеля что в рамках наивных рассуждений должно было бы разгонять воздух и притягивать за счет этого крыло к земле подобно тому, как это делается в схожих по смыслу рассуждениях о «взаимном притяжении проходящих на параллельных курсах пароходах». Причем в случае экраноплана ситуация во многом даже хуже, поскольку одна из «стенок» этого тоннеля движется с высокой скоростью навстречу крылу, дополнительно «разгоняя» тем самым воздух и способствуя еще большему снижению подъемной силы. Однако реальная практика «экранного эффекта» демонстрирует прямо противоположную тенденцию, наглядно демонстрируя опасность логики рассуждений о подъемной силе построенных на наивных попытках угадать поле скоростей потока воздуха вокруг крыла.

Как это ни странно, значительно более приближенное к истине объяснение дает другая неверная теория подъемной силы, отвергнутая еще в XIX веке. Сэр Исаак Ньютон предполагал, что взаимодействие объекта с набегающим воздушным потоком можно моделировать, предположив, что набегающий поток состоит из крошечных частиц, ударяющихся об объект и отскакивающих от него. При наклонном расположении объекта относительно набегающего потока частицы будут преимущественно отражаться объектом вниз и в силу закона сохранения импульса при каждом отклонении частицы потока вниз объект будет получать импульс движения вверх. Идеальным крылом в подобной модели был бы плоский воздушный змей, наклоненный к набегающему потоку:

Подъемная сила в этой модели возникает за счет того, что крыло направляет часть воздушного потока вниз, это перенаправление требует приложения определенной силы к потоку воздуха, а подъемная сила является соответствующей силой противодействия со стороны воздушного потока на крыло. И хотя исходная «ударная» модель вообще говоря неверна, в подобной обобщенной формулировке это объяснение действительно верно . Любое крыло работает за счет того, что отклоняет часть набегающего потока воздуха вниз и это, в частности, объясняет, почему подъемная сила крыла пропорциональна плотности потока воздуха и квадрату его скорости. Это дает нам первое приближение к правильному ответу: крыло создает подъемную силу потому что линии тока воздуха после прохождения крыла в среднем оказываются направлены вниз . И чем сильнее мы отклоняем поток вниз (например увеличивая угол атаки) - тем подъемная сила оказывается больше.

Немного неожиданный результат, правда? Однако он пока никак не приближает нас к пониманию того, почему воздух после прохождения крыла оказывается движущимся вниз. То, что Ньютоновская ударная модель неверна, было показано экспериментально опытами, которые продемонстрировали что реальное сопротивление потока ниже, чем предсказывает Ньютоновская модель, а генерируемая подъемная сила - выше. Причиной этих расхождений является то, что в модели Ньютона частички воздуха никак не взаимодействуют друг с другом, тогда как реальные линии тока не могут пересекать друг друга, так как это показано на рисунке выше. «Отскакивающие» под крылом вниз условные «частички воздуха» сталкиваются с другими и начинают «отталкивать» их от крыла еще до того, как они с ним столкнутся, а частички воздушного тока, оказавшиеся над крылом, «выпихивают» частички воздуха, расположенные ниже, в пустое пространство, остающееся за крылом:

Говоря другими словами, взаимодействие «отскочившего» и «набегающего» потоков создает под крылом область высокого давления (красную), а «тень», пробиваемая крылом в потоке, образует область низкого давления (синюю). Первая область отклоняет поток под крылом вниз еще до того, как этот поток соприкоснется с его поверхностью, а вторая заставляет поток над крылом изгибаться вниз, хотя он с крылом не соприкасался вообще. Совокупное давление этих областей по контуру крыла, собственно, и образует в итоге подъемную силу. При этом интересный момент состоит в том, что неизбежно возникающая перед крылом область высокого давления у правильно спроектированного крыла соприкасается с его поверхностью лишь по небольшому участку в передней кромке крыла, тогда как область высокого давления под крылом и область низкого давления над ним соприкасаются с крылом на значительно большой площади. В результате подъемная сила крыла формируемая двумя областями вокруг верхней и нижней поверхностей крыла может быть намного больше, чем сила сопротивления воздуха, которую обеспечивает воздействие области высокого давления, расположенной перед передней кромкой крыла.

Поскольку наличие областей разного давления изгибает линии тока воздуха, то часто удобно определять эти области именно по этому изгибу. К примеру, если линии тока над крылом «загибаются вниз», то в этой области существует градиент давления направленный сверху вниз. И если на достаточно большом удалении над крылом давление является атмосферным, то по мере приближения к крылу сверху вниз давление должно падать и непосредственно над крылом оно окажется ниже атмосферного. Рассмотрев аналогичное «искривление вниз», но уже под крылом, мы получаем, что если начать с достаточно низкой точки под крылом, то, приближаясь к крылу снизу вверх, мы придем в область давления, которое будет выше атмосферного. Аналогичным образом «расталкивание» линий тока перед передней кромкой крыла соответствует существованию перед этой кромкой области повышенного давления. В рамках подобной логики можно сказать, что крыло создает подъемную силу, изгибая линии тока воздуха вокруг крыла . Поскольку линии тока воздуха как бы «прилипают» к поверхности крыла (эффект Коанда) и друг к другу, то, изменяя профиль крыла, мы заставляем воздух двигаться вокруг него по искривленной траектории и формировать в силу этого нужный нам градиент давлений. К примеру, для обеспечения полета вверх ногами достаточно создать нужный угол атаки, направив нос самолета в сторону от земли:

Снова немного неожиданно, правда? Тем не менее это объяснение уже ближе к истине, чем исходная версия «воздух ускоряется над крылом, потому что над крылом ему нужно пройти большее расстояние, чем под ним». Кроме того, в его терминах легче всего понять явление, которое называется «срывом потока» или «сваливанием самолета». В нормальной ситуации увеличивая угол атаки крыла мы увеличиваем тем самым искривление воздушного потока и соответственно подъемную силу. Ценою за это является увеличение аэродинамического сопротивления, поскольку область низкого давления постепенно смещается из положения «над крылом» в положение «слегка за крылом» и соответственно начинает притормаживать самолет. Однако после некоторого предела ситуация неожиданно резко изменяется. Синяя линия на графике - коэффициент подъемной силы, красная - коэффициент сопротивления, горизонтальная ось соответствует углу атаки.

Дело в том, что «прилипаемость» потока к обтекаемой поверхности ограничена, и если мы попытаемся слишком сильно искривить поток воздуха, то он начнет «отрываться» от поверхности крыла. Образующаяся за крылом область низкого давления начинает «засасывать» не поток воздуха, идущий с ведущей кромки крыла, а воздух из области оставшейся за крылом, и подъемная сила генерируемая верхней частью крыла полностью или частично (в зависимости от того, где произошел отрыв) исчезнет, а лобовое сопротивление увеличится.

Для обычного самолета сваливание - это крайне неприятная ситуация. Подъемная сила крыла уменьшается с уменьшением скорости самолета или уменьшением плотности воздуха, а кроме того поворот самолета требует большей подъемной силы, чем просто горизонтальный полет. В нормальном полете все эти факторы компенсируют именно выбором угла атаки. Чем медленнее летит самолет, чем менее плотный воздух (самолет забрался на большую высоту или садится в жаркую погоду) и чем круче поворот, тем больше приходится делать этот угол. И если неосторожный пилот переходит определенную черту, то подъемная сила упирается в «потолок» и становится недостаточной для удержания самолета в воздухе. Добавляет проблем и увеличившееся сопротивление воздуха, которое ведет к потере скорости и дальнейшему снижению подъемной силы. А в результате самолет начинает падать - «сваливается». Попутно могут возникнуть проблемы с управлением из-за того, что подъемная сила перераспределяется по крылу и начинает пытаться «повернуть» самолет или управляющие поверхности оказываются в области сорванного потока и перестают генерировать достаточное управляющее усилие. А в крутом повороте, к примеру, поток может сорвать лишь с одного крыла, в результате чего самолет начнет не просто терять высоту, но и вращаться - войдет в штопор. Сочетание этих факторов остается одной из нередких причин авиакатастроф. С другой стороны, некоторые современные боевые самолеты специально проектируются таким специальным образом, чтобы сохранять управляемость в подобных закритических режимах атаки. Это позволяет подобным истребителям при необходимости резко тормозить в воздухе. Иногда это используется для торможения в прямолинейном полете, но чаще востребовано в виражах, поскольку чем меньше скорость, тем меньше при прочих равных радиус поворота самолета. И да-да, Вы угадали - именно это та самая «сверхманевренность», которой заслуженно гордятся специалисты проектировавшие аэродинамику отечественных истребителей 4 и 5 поколений.

Однако мы пока так и не ответили на основной вопрос: откуда, собственно, возникают области повышенного и пониженного давления вокруг крыла в набегающем потоке воздуха? Ведь оба явления («прилипание потока к крылу» и «над крылом воздух движется быстрее»), которыми можно объяснить полет, являются следствием определенного распределения давлений вокруг крыла, а не его причиной. Но почему формируется именно такая картина давлений, а не какая-то другая?

К сожалению, ответ на этот вопрос уже неизбежно требует привлечения математики. Давайте представим себе, что наше крыло является бесконечно длинным и одинаковым по всей длине, так что движение воздуха вокруг него можно моделировать в двумерном срезе. И давайте предположим, для начала, что в роли нашего крыла выступает… бесконечно длинный цилиндр в потоке идеальной жидкости. В силу бесконечности цилиндра такую задачу можно свести к рассмотрению обтекания круга в плоскости потоком идеальной жидкости. Для столь тривиального и идеализированного случая существует точное аналитическое решение, предсказывающее, что при неподвижном цилиндре общее воздействие жидкости на цилиндр будет нулевым.

А теперь давайте рассмотрим некое хитрое преобразование плоскости на себя, которое математики называют конформным отображением. Оказывается можно подобрать такое преобразование, которое с одной стороны сохраняет уравнения движения потока жидкости, а с другой трансформирует круг в фигуру, имеющую похожий на крыло профиль. Тогда трансформированные тем же самым преобразованием линии тока жидкости для цилиндра становятся решением для тока жидкости вокруг нашего импровизированного крыла.

Наш исходный круг в потоке идеальной жидкости имеет две точки, в которых линии тока соприкасаются с поверхностью круга, и следовательно те же две точки будут существовать и на поверхности профиля после применения к цилиндру преобразования. И в зависимости от поворота потока относительно исходного цилиндра («угла атаки») они будут располагаться в разных местах поверхности сформированного «крыла». И почти всегда это будет означать, что часть линий тока жидкости вокруг профиля должна будет огибать заднюю, острую кромку крыла, как показано на картинке выше.

Это потенциально возможно для идеальной жидкости. Но не для реальной.

Наличие в реальной жидкости или газе даже небольшого трения (вязкости) приводит к тому, что поток подобный изображенному на картинке немедленно нарушается - верхний поток будет сдвигать точку где линия тока соприкасается с поверхностью крыла до тех, пор пока она не окажется строго на задней кромке крыла (постулат Жуковского-Чаплыгина, он же аэродинамическое условие Кутты). И если преобразовать «крыло» обратно в «цилиндр», то сдвинувшиеся линии тока окажутся примерно такими:

Но если вязкость жидкости (или газа) очень мала, то получившееся подобным путем решение должно подходить и для цилиндра. И оказывается, что такое решение действительно можно найти, если предположить, что цилиндр вращается . То есть физические ограничения, связанные с перетоком жидкости вокруг задней кромки крыла приводят, к тому, что движение жидкости из всех возможных решений будет стремиться прийти к одному конкретному решению, в котором часть потока жидкости вращается вокруг эквивалентного цилиндра, отрываясь от него в строго определенной точке. А поскольку вращающийся цилиндр в потоке жидкости создает подъемную силу, то ее создает и соответствующее крыло. Компонент движения потока соответствующий этой «скорости вращения цилиндра» называется циркуляцией потока вокруг крыла, а теорема Жуковского говорит о том, что аналогичную характеристику можно обобщить для произвольного крыла, и позволяет количественно рассчитывать подъемную силу крыла на ее основе. В рамках этой теории подъемная сила крыла обеспечивается за счет циркуляции воздуха вокруг крыла, которая порождается и поддерживается у движущегося крыла указанными выше силами трения, исключающими переток воздуха вокруг его острой задней кромки.

Удивительный результат, не правда ли?

Описанная теория конечно сильно идеализирована (бесконечно длинное однородное крыло, идеальный однородный несжимаемый поток газа / жидкости без трения вокруг крыла), но дает довольно точное приближение для реальных крыльев и обычного воздуха. Только не воспринимайте в ее рамках циркуляцию как свидетельство того, что воздух действительно вращается вокруг крыла. Циркуляция - это просто число, показывающее, насколько должен отличаться по скорости поток на верхней и нижней кромках крыла, чтобы решение движений потока жидкости обеспечило отрыв линий тока строго на задней кромке крыла. Не стоит также воспринимать «принцип острой задней кромки крыла» как необходимое условие для возникновения подъемной силы: последовательность рассуждений вместо этого звучит как «если у крыла острая задняя кромка, то подъемная сила формируется так-то».

Попробуем подытожить. Взаимодействие воздуха с крылом формирует вокруг крыла области высокого и низкого давления, которые искривляют воздушный поток так, что он огибает крыло. Острая задняя кромка крыла приводит к тому, что в идеальном потоке из всех потенциальных решений уравнений движения реализуется только одно конкретное, исключающее переток воздуха вокруг острой задней кромки. Это решение зависит от угла атаки и у обычного крыла имеет область пониженного давления над крылом и область повышенного давления - под ним. Соответствующая разница давлений формирует подъемную силу крыла, заставляет воздух двигаться быстрее над верхней кромкой крыла и замедляет воздух под нижней. Количественно подъемную силу удобно описывать численно через эту разницу скоростей над крылом и под ним в виде характеристики, которая называется «циркуляцией» потока. При этом в соответствии с третьим законом Ньютона действующая на крыло подъемная сила означает, что крыло отклоняет вниз часть набегающего воздушного потока - для того, чтобы самолет мог лететь, часть окружающего его воздуха должна непрерывно двигаться вниз. Опираясь на этот движущийся вниз поток воздуха самолет и «летит».

Простое же объяснение с «воздухом, которому нужно пройти более длинный путь над крылом, чем под ним» - неверно.

Самолеты, особенно вблизи, впечатляют своими г абаритами и ма ссой. Остается при этом не понятным, как такой громоздкий и тяжелый объект поднимается в небесную высь. Притом, ответить на это могут даже не все взрослые, а вопросы детей частенько способны поставить в тупик. Возникновение подъёмной силы часто объясняют разностью статических давлений воздушных потоков на верхней и нижней поверхности крыла самолёта.

Конструкция крыла такова, что верхняя часть его профиля имеет выпуклую форму. Воздушный поток, обтекающий крыло, разделяется на два: верхний и нижний. Скорость нижнего потока остаётся практически неизменной. А вот скорость верхнего возрастает за счёт того, что он должен преодолеть больший путь за то же время. Следовательно, давление над крылом становится ниже. Из-за разницы этих давлений возникает подъёмная сила, которая толкает крыло вверх, а вместе с ним поднимается и самолёт. И чем больше эта разница, тем больше и подъёмная сила
Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигате

лей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх. Каждый из вас делал, наверное, бумажные самолетики и с силой запускал их. Современный самолет, даже весом в десятки тонн, его крыло должно иметь достаточную площадь. На подъемную силу крыла влияет множество параметров, таких как профиль, площадь, форма крыла в плане, угол атаки, скорость и плотность воздушного потока. Каждый самолет имеет свою минимальную скорость, при которой он может взлетать и лететь, не падая. Так, минимальная скорость современных пассажирских самолетов находится в пределах от 180 до 250 км/ч. Для того чтобы подъемная сила смогла поднять в воздух Именно если такой самолетик с силой бросить вверх, он может далеко полететь, а если пустить слегка — упадет сразу же на землю. Значит, чтобы бумажный самолетик удерживался в воздухе, он должен постоянно двигаться вперед. Большие самолеты двигаются вперед за счет мощных двигателей, вращающих пропеллер. Быстро вращающийся пропеллер выбрасывает за себя огромные массы воздуха, обеспечивая поступательное движение самолета.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально.

При создании самолета крылу уделяется огромное внимание, потому что именно от него будет зависеть безопасность выполнения полетов. Глядя в иллюминатор, пассажир замечает, что оно гнется и вот-вот сломается. Не бойтесь, оно выдерживает просто колоссальные нагрузки.
Если откажет двигатель самолета - ничего страшного, самолет долетит на втором. Если отказали оба двигателя

История знает случаи, что и в таких обстоятельствах садились на посадку. Шасси? Ничего не мешает самолету сесть на брюхо, при соблюдении определенных мер пожарной безопасности он даже не загорится. Но самолет никогда не сможет лететь без крыла.

Почему самолеты летают так высоко?

Потому что именно оно создает подъемную силу. Высота полета современных реактивных самолетов находится в пределах от 5000 до 10000 метров над уровнем моря. Это объясняется очень просто: на такой высоте плотность воздуха намного меньше, а, следовательно, меньше и сопротивление воздуха. Самолеты летают на больших высотах, потому что при полете на высоте 10 километров самолет расходует на 80% меньше горючего, чем при полете на высоте в один километр. Однако почему же тогда они не летают еще выше, в верхних слоях атмосферы, где плотность воздуха еще меньше? Дело в том, что для создания необходимой тяги двигателем самолета необходим определенный минимальный запас воздуха. Поэтому у каждого самолета имеется наибольший безопасный предел высоты полета, называемый также «практический потолок». К примеру, практический потолок самолета Ту-154 составляет около 12100 метров.

Почему самолету нужно сжечь все топливо перед посадкой?

Резюмируя, можно сказать, что самолет дожигает топливо для того, чтобы нагрузка на шасси при посадке не превосходила максимальную, в противном случае шасси просто не выдержит.
При проектировании самолета (как гражданского, так и военного, кстати) и в частности его шасси всегда есть такой параметр, как максимальная посадочная масса. Совершенно очевидно, что это максимальная масса, которую выдержит шасси при посадке. Когда самолет готовят к выполнению задания в него заливают столько топлива, что бы долететь до запланированного места посадки + навигационный запас топлива. Когда все штатно, топливо не сливают. Если экипаж принял решение сажать машину, а ее масса превышает максимальную посадочную, то от топлива избавляются. Особенно часто такие ситуации происходят в случае серьезного отказа сразу после взлета. Так же следует заметить, что не все самолеты просто «дожигают» топливо, чтобы «сбросить вес», некоторые оборудованы системой аварийного слива топлива.

Многие боятся упасть вниз с высоты 10 км. Это невозможно из-за сильного давления под крыльями самолета. Он держится на воздухе не хуже, чем машина на шоссе. Его можно поставить на хвост, повернуть вокруг своей оси на 100 градусов, направить вниз — и если отпустить штурвал, то самолет просто будет покачиваться в воздухе, как лодка на волнах.

У некоторых исследователей появлялись безумные идеи – они хотели полететь, но почему же результат оказался таким плачевным? Давно проводились попытки приделать к себе крылья, и, махая ими, взлететь в небо как пернатые. Оказалось, что силы человека недостаточно для поднятия себя на машущих крыльях.

Первыми народными умельцами были естествоиспытатели из Китая. Сведения о них записаны в «Цань-хань-шу» в первом веке нашей эры. Дальше история пестрит случаями подобного рода, которые происходили и в Европе, и в Азии, и в России.

Первое научное обоснование процессу полета дал Леонардо да Винчи в 1505 году. Он заметил, что птицам не обязательно махать , они могут держаться на неподвижном воздухе. Из этого ученый сделал вывод, что полет возможен, когда крылья движутся относительно воздуха, т.е. когда машут крыльями при отсутствии ветра или когда при неподвижных крыльях.

Почему же самолет летит?

Удерживать в воздухе помогает подъемная сила, которая действует только на больших скоростях. Особая контракция крыла позволяет создавать подъемную силу. Воздух, который движется над и под крылом, претерпевает изменения. Над крылом он разреженный, а под крылом – . Создаются два воздушных потока, направленные вертикально. Нижний приподнимает крылья, т.е. самолет, а верхний подталкивает вверх. Таким образом, получается, что на больших скоростях воздух под летательным аппаратом становится твердым.

Так реализуется вертикальное движение, но что заставляет самолет двигаться горизонтально? – Двигатели! Пропеллеры как бы просверливают путь в воздушном пространстве, преодолевая сопротивление воздуха.

Таким образом, подъемная сила преодолевает силу притяжения, а тяговая – силу торможения, и самолет летит.

Физические явления, лежащие в основе управления полетом

В все держится на равновесии подъемной силы и силы земного притяжения. Самолет летит прямо. Увеличение скорости полета увеличит подъемную силу, самолет станет подниматься. Чтобы нивелировать этот эффект, пилот обязан опустить нос самолета.

Уменьшение скорости окажет прямо противоположный эффект, и пилоту потребуется поднять нос самолета. Если этого не сделать, произойдет крушение. В связи с указанными выше особенностями существует риск разбиться, когда самолет теряет высоту. Если это происходит близко к поверхности земли, риск почти 100%. Если это происходит высоко над землей, пилот успеет увеличить скорость и набрать высоту.

Почему самолеты летают? Мечта о полете с древнейших времен сопровождала человека. Она нашла отражение в древнегреческом мифе о Дедале и Икаре, чертежи нескольких летательных аппаратов оставил после себя великий Леонардо да Винчи, о диковинных способах перемещения в воздушном пространстве фантазировал Сирано де Бержерак.

Помимо этого, в истории многих цивилизаций остались задокументированные сведения об удачных и не очень попытках отчаянных изобретателей оторваться от земли. Среди них достойны упоминания:

полеты на воздушных змеях и «небесных фонариках», первых прототипах аэростатов, в Китае еще до Средневековья,
прародитель дельтаплана, успешно прошедший испытание в Кордовском халифате в 9 веке,
первый парашют на основе набросков да Винчи в Европе начала 17-го века,
удачные полеты на планере и ракете в Османской империи в 17 веке.

Первый официально зафиксированный полет человека на летательном аппарате был совершен на воздушном конструкции братьев Монгольфье в 1783 году. Однако, построить первую рабочую модель самолета стало возможно только в начале 20-го века, после промышленной революции, серьезно ускорившей научно-технический прогресс.

Давняя мечта человечества наконец осуществилась благодаря применению двигателя внутреннего сгорания в качестве силовой установки вместо парового двигателя, архаичного и не обеспечивавшего необходимой мощности.

Почему самолеты летают?

Современные самолеты – сложные высокотехнологичные летательные аппараты с большой массой или, как принято говорить, с массой больше массы воздуха. При этом им, кажется, легко удается презреть закон всемирного тяготения и оторваться от земли. Это достигается благодаря законам аэродинамики и двум важнейшим конструктивным элементам самолета:

силовая установка ();
форма крыла.

Наличие силовой установки отличает самолет от планера, а статичность крыла – от вертолета.

Крыло самолета – поверхность со сложной, обусловленной требованиями аэродинамики форой, основное назначение которой заключается в создании подъемной аэродинамической силы, необходимой для отрыва от земли и дальнейшего полета. Подъемная сила возникает при разгоне воздушного судна за счет того, что находящееся под острым углом к встречным воздушным массам крыло создает разницу давлений.

Происходит это из-за выпуклой сверху формы крыла: проходящий над ней поток воздуха обладает меньшим давлением, чем обтекающий снизу поток. Кстати, вопреки распространенному заблуждению, крыло у самолета всего одно. Фюзеляж просто делит его на две консоли: правую и левую.

Силовая установка (двигатель) – энергетический комплекс, отвечающий за создание тяги, которая, преодолевая сопротивление воздушных масс, обеспечивает самолету поступательное движение. Другими словами, именно силовая установка при взлете разгоняет воздушное судно до скорости, при которой крыло самолета начнет создавать подъемную силу, и поддерживает необходимую тягу при движении в воздушном пространстве. Существует три группы авиадвигателей, в зависимости от способа создания тяги:

винтовые;
реактивные;
смешанного типа или комбинированные.

Таким образом, совместная работа крыла и силовой установки самолета позволяет ему взлетать и перемещаться в воздушном пространстве. Конечно, двух указанных конструктивных элементов воздушного судна недостаточно для безопасного полёта. Конструкция самолета объединяет в себе множество систем, служащих этой цели.

Почему самолеты летают на высоте 10000 метров?

Согласно бытующему мнению, самолеты летают на высоте примерно в 10 км. Это не совсем так, для каждого полета существует своя оптимальная высота, которая зависит от типа самолета и его характеристик, удельного веса воздушного судна и метеоусловий в текущий момент.

Зачастую ее выбор осуществляется даже не экипажем корабля, а диспетчерской службой на земле. Кроме того, нужно отметить, что в гражданском воздухоплавании используется правило «четности-нечетности»: движущиеся на запад, северо-запад и юго-запад лайнеры придерживаются четной высоты кратной тысячам метров (10 тысяч метров), а направляющиеся в другие стороны – нечетной (9 или 11 тысяч метров).

Первый самолет братьев Райт поднимался в воздух всего на 3 метра, современные самые легкие самолеты совершают полет на высоте до 2 километров, а для истребителей последнего поколения оптимальная высота – примерно 20 тысяч метров.

Однако, для большинства пассажирских лайнеров идеальная высота полета находится между 9 и 12 тысячами метров над поверхностью, то есть действительно можно говорить о 10 километрах, как средней высоте полета в гражданской авиации. Такой выбор обусловлен несколькими причинами:

банальная экономия – на большей высоте меньшая плотность воздуха, меньшее встречное сопротивление, а значит меньше и расход топлива;
на этой высоте воздушное судно меньше зависит от атмосферных явлений;
температура на 10 тысячах метров – около -50 градусов по Цельсию – хорошо подходит для охлаждения реактивных двигателей лайнеров;
большая высота обеспечивает больше времени на принятия решений экипажем, а также выполнение манёвров и планирование в случае возникновения чрезвычайной ситуации на борту;
на таких высотах отсутствует вероятность столкновения со стаями птиц, которое может привести к внештатной ситуации.

У каждого самолета существует крайнее значение высоты, при котором давление воздуха способно создавать подъемную силу. Выше 12 тысяч метров воздух становится слишком разреженным для пассажирского лайнера со средними характеристиками. Мощность двигателя падает, а объем расхода топлива резко увеличивается, а самолет начинает «заваливаться».

Почему самолеты не летают через полюса?

На самом деле, кроссполярные пассажирские рейсы, хоть их количество и невелико, на данный момент регулярно осуществляются. По крайней мере, воздушные трассы через Северный Полюс были открыты в 2001 году, и на данный момент их успешно используют авиаперевозчики США, Канады, Китая, Кореи, Сингапура, Таиланда и ОАЭ. Однако, есть два момента, осложняющих развитие подобных маршрутов:

сложности с радиолокационной поддержкой диспетчерской службой на всем протяжении маршрута;
недостаточное техническое оснащение и плохое аэронавигационное обслуживание в Сибирской части Евразийского континента.

Возможно, дальнейший технический прогресс и выполнение масштабных проектов по строительству аэронавигационных станций в местах прохождения маршрутов сделают полеты через Северный Полюс более распространенным явлением.

Экономический смысл в этом есть: подсчитано, что кроссполярные перелеты позволят исключить пересадки и на 25% сократить полетное время на маршрутах, соединяющих Северную Америку и Азию. Южный Полюс в свою очередь удален от основных воздушных магистралей, и рациональных причин на прохождение регулярных рейсов вблизи него нет.

Почему самолеты не летают через Индийский океан?

Действительно, если открыть любую карту полетов, можно обнаружить, что маршрут воздушных судов, следующих над водами Индийского океана, всегда выстраивается вдоль суши, даже если такой путь кажется более длинным.

После нескольких авиапроисшествий последних лет, стало набирать популярность мистическое околонаучное объяснение катастроф и исчезновений летательных аппаратов в этом географическом регионе. Причем особенности карты полетов воздушных судов сторонники этой теории приводят, как доказательство своей правоты. Конечно, истинный ответ далек от мистики.

Современные пассажирские самолеты летают в соответствии с нормами ETOPS – сводом требований к полетам двухмоторных воздушных судов над местностью без ориентиров. Эти нормы были разработаны Международной организацией гражданской авиации.

Согласно ETOPS, маршруты составляются так, чтобы воздушное судно всегда находилось в пределах установленного максимального времени полета до ближайшего аэропорта, куда можно было бы дотянуть в случае отказа одного их двигателей.

В настоящее время максимальный интервал по этим нормам составляет 180 минут, в зависимости от конструкции самолеты также сертифицируют на 60 и 120 минут предельного удаления от ближайшего аэродрома. Вот почему через безлюдные просторы Индийского Океана почти не проходят маршруты гражданской авиации.

Почему самолеты летают низко?

Если исключить очевидные набор высоты и заход на посадку, в повседневной жизни мы чаще наблюдаем на небольшой высоте самолеты военно-воздушных сил, МЧС или летательные аппараты сельскохозяйственного назначения. При этом есть причина, по которой пассажирские лайнеры могут в течении долгого времени совершать полет сравнительно низко. Она как правило связана с необходимостью незапланированной посадки.

В авиации существует такой параметр, как максимальная посадочная масса, которую выдерживает шасси при посадке. Обычно топливо в самолет заливается на прохождение расстояния по маршруту с навигационным запасом. В случае необходимости посадки самолета раньше запланированного, когда топлива на борту еще много и максимальная посадочная масса выше допустимого значения, излишки топлива «сжигают» полетом на низких высотах. Если этого не сделать, шасси просто не выдержит посадки.