Итак, как же всё-таки летают самолёты? Объясняем просто (и без старых ошибок)
Вид многотонного самолёта, легко взмывающего в небо, завораживает, не так ли? Кажется, это противоречит здравому смыслу. Как такая громадина может парить в воздухе часами? Многие из нас летали, но задумывались ли вы всерьёз, как именно это работает? Не волнуйтесь, никакой магии здесь нет — только чистая, хоть и довольно хитрая, физика. Давайте разберёмся.
Танец Четырёх Сил
Прежде чем нырять в детали крыла, стоит вспомнить общую картину. Полёт — это всегда баланс, эдакий танец четырёх основных сил. С одной стороны, есть вес самолёта, неумолимо тянущий его вниз под действием гравитации. Ему противостоит подъёмная сила, создаваемая крыльями и направленная вверх.
С другой стороны, двигатели создают тягу, толкающую самолёт вперёд. А ей мешает лобовое сопротивление — сила трения воздуха, которая тормозит движение. В установившемся полёте, когда самолёт летит ровно и с постоянной скоростью, эти силы уравновешены: подъёмная сила равна весу, а тяга — сопротивлению. Звучит просто, да? Но вся соль — в том, как создаётся эта самая подъёмная сила.
Крыло: Не Просто Плоская Доска
Вот тут-то и начинается самое интересное. Как крыло умудряется поднять самолёт? Существует одно очень популярное, но, увы, не совсем верное объяснение. Мол, верхняя поверхность крыла более выпуклая, значит, воздуху над крылом приходится проходить больший путь, чем воздуху под ним. И чтобы успеть встретиться с «нижним» потоком в конце крыла, «верхний» воздух якобы должен двигаться быстрее. Быстрее воздух — ниже давление (это уже ближе к правде), вот и подъёмная сила.
Звучит логично, правда? Но загвоздка в том, что воздуху совершенно необязательно «встречаться» одновременно. Это красивое упрощение, которое упускает из виду главное. Даже НАСА посвятило целую страницу развенчанию этого мифа. Так в чём же дело на самом деле?
Форма Решает и… Направляет!
Ключ к разгадке кроется в особой форме крыла (в разрезе она называется аэродинамическим профилем) и том, как воздух взаимодействует с этой формой.
Представьте себе поток воздуха, набегающий на крыло. Передняя кромка крыла, как правило, закруглённая. Это не просто так! Воздух, встречая эту кривизну, имеет свойство как бы «прилипать» к поверхности и следовать её изгибу. Помните, как струя воды из-под крана может «прилипнуть» к выпуклой стороне ложки? Здесь похожий принцип.
Итак, воздух подходит к крылу. Часть потока идёт под крылом, а часть — над ним. Тот воздух, что идёт над крылом, из-за его выпуклой формы вынужден не просто огибать его, но и немного поворачивать вниз к задней кромке. Этот изгиб траектории и ускорение потока над крылом приводят к созданию области пониженного давления.
А что под крылом? Оно обычно более плоское, но часто тоже имеет небольшой угол к набегающему потоку (это называется угол атаки). Воздух здесь тоже отклоняется вниз, но обычно медленнее и с меньшим изгибом, создавая область повышенного давления по сравнению с давлением над крылом.
Давление — Вот Ключ!
И вот он, главный секрет: разница давлений! Более высокое давление под крылом толкает его вверх, а более низкое давление над крылом как бы «всасывает» его вверх. Суммарный эффект этих двух сил и есть та самая подъёмная сила, которая борется с весом самолёта.
Интересно, что основной вклад в подъёмную силу вносит именно область пониженного давления над крылом. Иногда говорят, что до двух третей (а то и больше!) всей подъёмной силы генерируется именно там. Так что крыло не столько «опирается» на воздух снизу, сколько «подвешивается» за счёт разряжения сверху. Хитро, не правда ли?
А Рука из Окна?
Помните трюк с рукой, высунутой из окна машины? Если держать ладонь плоско, её просто сносит назад. Но стоит немного наклонить её передний край вверх (то есть создать угол атаки), как вы тут же почувствуете силу, толкающую руку вверх. Это очень упрощённая демонстрация: вы заставляете воздух отклоняться вниз (привет, третий закон Ньютона!), и он в ответ толкает вашу руку вверх. Это тоже часть общей картины полёта, особенно когда пилоты меняют угол атаки крыльев, чтобы управлять подъёмной силой.
Соберём Всё Воедино?
Итак, давайте ещё раз, по шагам:
- Самолёт движется вперёд благодаря тяге двигателей, преодолевая сопротивление воздуха.
- Воздух обтекает крылья особой формы.
- Из-за этой формы и угла атаки воздух над крылом движется быстрее и отклоняется вниз, создавая низкое давление.
- Воздух под крылом движется медленнее и тоже отклоняется вниз, создавая высокое давление.
- Разница давлений (низкое сверху, высокое снизу) рождает подъёмную силу.
- Когда подъёмная сила равна весу самолёта (или больше него при взлёте), он летит!
Вот так, без всякой магии, лишь благодаря остроумному применению законов физики, эти стальные птицы покоряют небо. В следующий раз, глядя на пролетающий самолёт, вы будете знать: это не чудо, а результат блестящей инженерной мысли и понимания того, как ведёт себя воздух. Согласитесь, это не менее впечатляюще!
