Почему летают птицы. Почему летает самолет. Почему самолёты не могут взлететь при сильной жаре

Если вы часто летаете или часто наблюдаете за самолетами на сервисах вроде , то наверняка задавали себе вопросы, почему самолет летит именно так, а не иначе. В чем логика? Давайте попробуем разобраться.

Почему самолет летит не по прямой, а по дуге?

Если смотреть на траекторию полета на дисплее в салоне или дома на компьютере, то она выглядит не прямой, а дугообразной, выгнутой в сторону ближайшего полюса (северного в северном полушарии, южного в южном). На самом же деле самолет на протяжении практически всего маршрута (и чем он длиннее, тем это справедливее) старается лететь именно по прямой. Просто дисплеи плоские, а Земля круглая, и проекция объемной карты на плоскую видоизменяет ее пропорции: чем ближе к полюсам, тем более изогнутой окажется «дуга». Проверить это очень просто: возьмите глобус и натяните по его поверхности нитку между двумя городами. Это и будет кратчайший маршрут. Если же теперь перенести линию нитки на бумагу, у вас получится дуга.

То есть, самолет всегда летит по прямой?

Самолет летит не как ему заблагорассудится, а по воздушным трассам, которые прокладываются, конечно, таким образом, чтобы минимизировать расстояние. Трассы состоят из отрезков между контрольными точками: в их качестве могут использоваться как радиомаяки, так и просто координаты на карте, которым присвоены пятибуквенные обозначения, чаще всего легко произносимые и поэтому запоминающиеся. Вернее, произносить их нужно побуквенно, но, согласитесь, запомнить сочетания вроде DOPIK или OKUDI проще, чем GRDFT и UOIUA.

При прокладке машрута для каждого конкретного полета используются различные параметры, в том числе тип самого самолета. Так, например, для двухдвигательных самолетов (а они активно вытесняют трех- и четырехдвигательные) действуют нормы ETOPS (Extended range twin engine operational performance standards), которые регламентируют планирование маршрута таким образом, чтобы самолет, пересекая океаны, пустыни или полюса, находился при этом в пределах определенного времени полета до ближайшего аэродрома, способного принять данный тип ВС. Благодаря этому при отказе одного из двигателей он сможет гарантированно дотянуть до места совершения аварийной посадки. Разные самолеты и авиакомпании сертифицированы на разное время полета, оно может составлять 60, 120 и даже 180 и в редких случаях 240 (!) минут. Между тем планируется сертифицировать Airbus A350XWB на 350 минут, а Boeing-787 на 330; это позволит отказаться от четырехдвигательных самолетов даже на маршрутах вроде Сидней-Сантьяго (это самый протяженный в мире коммерческий маршрут, проходящий над морем).

По какому принципу самолеты движутся в районе аэропорта?

Во-первых, все зависит от того, с какой полосы в данный момент происходят взлеты в аэропорту вылета и на какую садятся в аэропорту прибытия. Если вариантов несколько, то для каждого из них существует по несколько схем выхода и захода: если объяснять на пальцах, то каждую из точек схемы самолет должен проследовать на определенной высоте на определенной (в пределах ограничений) скорости. Выбор полосы зависит от текущей загрузки аэропорта, а также, в первую очередь, ветра. Дело в том, что и при взлете, и при посадке ветер должен быть встречным (или дуть сбоку, но все равно спереди): если ветер дует сзади, то самолету для поддержания нужной скорости относительно воздуха придется иметь слишком большую скорость относительно земли – может и длины полосы не хватить для разбега или торможения. Поэтому в зависимости от направления ветра самолет при взлете и посадке движется или в одну сторону, или в другую, и полоса имеет два взлетных и посадочных курса, которые, будучи округлены до десятков градусов, используются для обозначения полосы. Например, если в одну сторону курс 90, то в другую будет 270, и полоса будет называться «09/27». Если же, как это часто бывает в крупных аэропортах, параллельных полос две, они обозначаются как левая и правая. Например, в Шереметьево 07L/25R и 07R/25L, соответственно, а в Пулково – 10L/28R и 10R/28L.

В некоторых аэропортах полосы работают только в одну сторону – например, в Сочи с одной стороны – горы, поэтому взлетать можно только в сторону моря и заходить на посадку только со стороны моря: при любом направлении ветра он будет дуть сзади или при взлете, или при посадке, так что пилотов гарантированно ждет небольшой экстрим.

Схемы полетов в зоне аэропорта учитывают многочисленные ограничения – например, запрет на нахождение ВС непосредственно над городами или специальными зонами: это могут быть как режимные объекты, так и банальные коттеджные поселки Рублевки, жителям которой не очень нравится шум над головой.

Почему в одну сторону самолет летит быстрее, чем в другую?

Это вопрос из разряда «холиварных» – пожалуй, больше копий сломано только вокруг задачки с самолетом, стоящим на движущейся ленте – «взлетит или не взлетит». Действительно, на восток самолет летит быстрее, чем на запад, и если из Москвы в Лос-Анджелес добираешься за 13 часов, то обратно можно за 12.

То есть, быстрее лететь с запада на восток, чем с востока на запад.

Гуманитарий думает, что Земля-то крутится, и когда летишь в одну из сторон, то точка назначения приближается, ибо планета успевает провернуться под тобой.

Если вы слышите такое объяснение, срочно дайте человеку учебник географии за шестой класс, где ему объяснят, что, во-первых, Земля вращается с запада на восток (т.е. по этой теории должно быть все наоборот), а во-вторых, атмосфера вращается вместе с Землей. Иначе можно было бы подняться в воздух на воздушном шаре и висеть на месте, ожидая проворота до того места, где нужно приземлиться: бесплатные путешествия!

Технарь пытается объяснить этого явления силой Кориолиса , которая действует на самолет в неинерциальной системе отсчета «Земля-самолет»: при движении в одну из сторон его вес становится больше, а в другую, соответственно, меньше. Вот только беда в том, что разница в весе самолета, создаваемая силой Кориолиса, весьма мала даже по сравнению с массой полезного груза на борту. Но это еще полбеды: с каких пор масса влияет на скорость? Вы же на автомобиле можете ехать 100 км/ч и один, и впятером. Разница будет только в расходе топлива.

Истинная причина того, что самолет на восток летит быстрее, чем на запад, заключается в том, что ветры на высоте нескольких километров чаще всего дуют именно с запада на восток, и так что в одну сторону ветер получается попутным, увеличивающим скорость относительно Земли, а в другую – встречным, замедляющим. Почему ветры дуют именно так – спросите Кориолиса, например. Кстати, изучение высотных струйных течений (это сильные ветра в виде относительно узких воздушных потоков в определенных зонах атмосферы) позволяет прокладывать маршруты таким образом, чтобы, попав “в струю”, максимально увеличить скорость и сэкономить топливо.

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

1. 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.
2. 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.

4. Двигатель. Винтовые тянут машину за собой, а реактивные «толкают» вперед.

Пусть еще в начале прошлого века в идею создать летающий транспорт мало кто верил, в наши дни самолеты ни у кого не вызывают удивления. Хотя в принципах их передвижения разбираются единицы - конструкции аппаратов, физика полетов кажутся слишком сложными и рождают массу заблуждений. Но рядовому пассажиру знать подобное и не обязательно. Главное, запомнить, что возможности каждой модели лайнеров просчитаны, и повторить судьбу Икара возможно лишь в редких случаях.

Высота полета – один из важнейших авиационных параметров. От нее зависят, в частности, скорость и расход топлива. Иногда от выбора высоты зависит и безопасность полета. Так, например, пилотам приходится менять высоту при резком изменении метеоусловий, из-за густого тумана, плотной облачности, обширного грозового фронта или турбулентной зоны.

Какой должна быть высота полета

Первый рекорд высоты полета равнялся… трем метрам. Именно на такую высоту впервые поднялся самолет Wright Flyer братьев Уилбура и Орвилла Райт 17 декабря 1903 года. Спустя 74 года, 31 августа 1977 года советский летчик-испытатель Александр Федотов на истребителе МиГ-25 установил мировой рекорд высоты — 37650 метров. До настоящего времени она остается максимальной высотой полета истребителя.

На какой высоте летают пассажирские самолеты

При определении оптимальной высоты полета (эшелона) диспетчер или командир экипажа руководствуются следующим. Как известно, чем больше высота, тем более разряжен воздух и тем легче лететь самолету – поэтому есть смысл подняться выше. Однако крыльям самолета нужна опора, а на предельно большой высоте (например, в стратосфере) ее явно недостаточно, и машина начнет «заваливаться», а двигатели глохнуть.

Вывод напрашивается сам собой: командир (а сегодня и бортовой компьютер) выбирает «золотую середину» – идеальное соотношение силы трения и подъемной силы. В результате, у каждого типа пассажирских лайнеров (с учетом метеоусловий, технических характеристик, продолжительности и направления полета) своя оптимальная высота.

Почему самолеты летают на высоте 10000 метров?

На какой высоте летают истребители

Однако запредельные высоты у истребителей нынче «не в моде». И этому есть свое объяснение. Современные средства ПВО и ракеты истребителей класса «воздух-воздух» способны уничтожать цели на любых высотах. Поэтому главная проблема для истребителя – раньше обнаружить и уничтожить противника, а самому остаться незамеченным. Оптимальная высота полета истребителя 5-го поколения (практический потолок) – 20000 метров.

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:

1. Крыло имеет несимметричный профиль снизу и сверху
2. Непрерывный поток воздуха разделяется крылом на две части, одна из которых проходит над крылом, а другая под ним
3. Мы рассматриваем ламинарное обтекание, в котором поток воздуха плотно прилегает к поверхности крыла
4. 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
5. Согласно закону Бернулли статическое давление в потоке уменьшается с ростом скорости потока, поэтому в потоке над крылом статическое давление будет ниже
6. Разница давлений в потоке под крылом и над ним и составляет подъемную силу

… 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:

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

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.

Шутки шутками, но определенный налет серьезности появляется в подобной ситуации не только у обремененного авиационными знаниями человека. Тем более, что вышеупомянутая сорокатонная «дура» — это, вобщем-то, средний по размерам самолет российских ВВС СУ-24. Ну, а если этот «посерьезневший» человек окажется свидетелем неторопливого, но о-о-очень уверенного взлета самого большого в мире транспортного самолета АН-225 «Мрия» («Мечта» по-украински, кто не знает)?.. Комментировать больше ничего не буду. Добавлю лишь, что взлетный вес этой «птички» — 600 тонн.

Да, впечатления на этой почве могут быть очень глубокими. Но, как бы то ни было, эмоции здесь совершенно ни при чем. Физика. Одна голая физика. Именно подчиняясь законам физики, поднимаются в воздух все летательные аппараты, начиная с легких спортивных самолетов и заканчивая тяжелыми транспортниками и, казалось бы, уж совсем бесформенными вертолетами, непонятно как удерживающимися в воздухе. И происходит все это за счет подъемной силы да еще силы тяги двигателя.

Словосочетание «подъемная сила» знакомо практически любому человеку, но удивительно то, что далеко не каждый может сказать, откуда же она все-таки берется, эта самая сила. А между тем объяснить ее происхождение можно просто, буквально «на пальцах», не влезая в математические дебри.

Как известно, главная несущая поверхность самолета — это крыло. Оно практически всегда имеет определенный профиль, у которого нижняя часть плоская, а верхняя выпуклая (по определенному закону). Воздушный поток, проходя под нижней частью профиля, почти не меняет своей структуры и формы. Зато, проходя над верхней частью, он сужается, ведь для него верхняя поверхность профиля — это как вогнутая стенка в трубе, по которой этот самый поток как бы протекает.

Теперь, чтобы через эту «продавленную» трубу прогнать за определенное время тот же обьем воздуха, его нужно двигать быстрее, что и происходит на самом деле. Осталось вспомнить закон Бернулли из любимого школьного курса физики, который гласит, что чем выше скорость потока, тем ниже его давление. Таким образом, давление над профилем (а значит и над всем крылом) ниже давления под ним.

Возникает сила, которая старается «выдавить» крыло, а значит и весь летательный аппарат вверх. Это и есть та самая вышеупомянутая подъемная сила. Как только она становится больше веса — ура! Мы в воздухе! Мы летим! И, кстати, чем выше наша скорость, тем больше подъемная сила. Если же в дальнейшем подъ

емная сила и вес сравняются по величине, то самолет перейдет в горизонтальный полет. А хорошую скорость нам придаст мощный авиационный двигатель или, точнее, сила тяги, которую он создает.

Используя этот принцип можно, теоретически, заставить взлететь (и успешно летать) предмет любой массы и формы. Главное — точно все рассчитать с точки зрения аэродинамики и других авиационных наук и правильно изготовить этот самый предмет. Упоминая о форме, я имею ввиду, главным образом, вертолет. Аппарат, совсем не похожий внешне на самолет, в воздухе держится по той же причине. Ведь каждая лопасть его главного, говоря авиационным языком, несущего (очень характерное слово, выше уже встречалось) винта — это то же крыло с аэродинамическим профилем.

Двигаясь в воздушном потоке при вращении винта, лопасть создает подъемную силу, которая, кстати, не только поднимает вертолет, но и двигает его вперед. Для этого ось вращения винта немного наклоняется (создается «перекос» винта), и появляется горизонтальная составляющая подъемной силы, исполняющая роль силы тяги самолетного двигателя. Винт как бы тянет одновременно вверх и вперед. В результате получаем уверенный и очень надежный полет такого, вобщем-то, «странного» аппарата, как вертолет. И, между прочим, достаточно красивый полет. Я неоднократно наблюдал с земли пилотаж боевого вертолета МИ-24 — зрелище просто завораживающее.

Кстати, хочу заметить, что винты самолетов с винтовыми двигателями (турбо или поршневыми) сродни вертолетным и используют тот же принцип (догадались какой?). Только подъемная сила здесь полностью «переквалифицировалась» в силу тяги. Говоря по-вертолетному, «перекос» винта — 90 градусов.

Да, авиация — это очень красиво. Слова восхищения применимы в разговоре о полете любого достаточно совершенного летательного аппарата. Будь то внешне неторопливый гигант «Мрия», трудяга-штурмовик СУ-25 или юркий спортивный пилотажник. Вся эта красота является результатом подчас многолетней кропотливой работы ученых и авиационных инженеров, аэродинамиков, двигателистов, прочнистов и т. д.

И авиационная наука на самом деле столь же сложна, сколь и интересна. Но в основе ее лежит, вобщем-то, простой физический принцип образования подъемной силы, суть которого, при желании, можно очень легко обьяснить, и который, тем не менее, помогает осуществить вековое стремление человечества к полету…