Dlaczego ptaki latają. Dlaczego samolot leci. Dlaczego samoloty nie mogą startować w ekstremalnym upale

Jeśli często latasz lub często oglądasz samoloty w takich usługach, prawdopodobnie zadałeś sobie pytania, dlaczego samolot lata w ten sposób, a nie inaczej. Jaka jest logika? Spróbujmy to rozgryźć.

Dlaczego samolot leci nie po linii prostej, ale po łuku?

Jeśli spojrzysz na tor lotu na wyświetlaczu w kabinie lub w domu na komputerze, to nie wygląda on prosto, ale łukowato zakrzywiona w kierunku najbliższego bieguna (północna na półkuli północnej, południowa na południowej). W rzeczywistości samolot próbuje lecieć w linii prostej przez prawie całą trasę (a im dłuższy, tym sprawiedliwszy). Tyle, że wyświetlacze są płaskie, a Ziemia okrągła, a rzutowanie mapy wolumetrycznej na płaską zmienia swoje proporcje: im bliżej biegunów, tym bardziej zakrzywiony będzie „łuk”. Bardzo łatwo to sprawdzić: weź kulę ziemską i pociągnij po jej powierzchni sznurek między dwoma miastami. To będzie najkrótsza trasa. Jeśli teraz przeniesiesz linię nici na papier, otrzymasz łuk.

Czyli samolot zawsze leci w linii prostej?

Samolot nie leci tak, jak mu się podoba, ale po drogach oddechowych, które są oczywiście ułożone w taki sposób, aby zminimalizować odległość. Ścieżki składają się z segmentów między punktami kontrolnymi: zarówno radiolatarnie, jak i po prostu współrzędne na mapie, którym przypisano pięcioliterowe oznaczenia, są często łatwe do wymówienia, a zatem zapadające w pamięć, mogą być używane jako te. Raczej musisz je wymawiać litera po literze, ale widzisz, zapamiętanie kombinacji takich jak DOPIK czy OKUDI jest łatwiejsze niż GRDFT i UOIUA.

Podczas układania trasy dla każdego konkretnego lotu stosuje się różne parametry, w tym typ samego samolotu. Na przykład w przypadku samolotów dwusilnikowych (które aktywnie zastępują samoloty trzy- i czterosilnikowe) obowiązują normy ETOPS (standardy wydajności operacyjnej dwusilnikowych o rozszerzonym zasięgu), które regulują planowanie tras w taki sposób, aby statku powietrznego, przekraczającego oceany, pustynie lub bieguny, jest jednocześnie w określonym czasie lotu do najbliższego lotniska zdolnego do przyjęcia tego typu statku powietrznego. Dzięki temu w przypadku awarii któregoś z silników ma gwarancję dotarcia na miejsce zlecenia awaryjne lądowanie... Różne samoloty i linie lotnicze są certyfikowane inny czas lotu, może to być 60, 120, a nawet 180, a w rzadkich przypadkach 240 (!) minut. Tymczasem planowana jest certyfikacja Airbusa A350XWB na 350 minut, a Boeinga-787 na 330; wyeliminuje to samoloty czterosilnikowe, nawet na trasach takich jak Sydney-Santiago (najdłuższa na świecie komercyjna trasa zamorska).

Jak samoloty poruszają się po lotnisku?

Po pierwsze, wszystko zależy od tego, na którym pasie znajduje się ten moment starty odbywają się na lotnisku odlotu, a która deska jest zabierana na lotnisku przylotu. Jeśli istnieje kilka opcji, to dla każdego z nich istnieje kilka schematów wyjścia i podejścia: jeśli wyjaśnisz to na palcach, za każdym z punktów schematu musi podążać samolot na określonej wysokości na określonej (w granicach ograniczenia) prędkość. Wybór pasa ruchu zależy od aktualnego obciążenia lotniska, a przede wszystkim od wiatru. Faktem jest, że zarówno podczas startu, jak i lądowania wiatr musi nadciągać (lub wiać z boku, ale wciąż z przodu): jeśli wiatr wieje z tyłu, samolot będzie musiał mieć zbyt dużą prędkość w stosunku do ziemi, aby utrzymać wymaganą prędkość w stosunku do powietrza - może długość pasa nie wystarczy do startu lub hamowania. Dlatego w zależności od kierunku wiatru samolot porusza się w jedną lub drugą stronę podczas startu i lądowania, a pas startowy ma dwa kursy startu i lądowania, które po zaokrągleniu do kilkudziesięciu stopni służą do wyznaczania pasa startowego. Na przykład, jeśli kurs wynosi 90 w jednym kierunku, to 270 w drugim kierunku, a pas zostanie nazwany „09/27”. Jeśli, jak to często bywa w główne lotniska, są dwa równoległe paski, oznaczone jako lewy i prawy. Na przykład odpowiednio w Sheremetyevo 07L / 25R i 07R / 25L, aw Pułkowie - 10L / 28R i 10R / 28L.

Na niektórych lotniskach pasy działają tylko w jednym kierunku – np. w Soczi góry są z jednej strony, więc można startować tylko w kierunku morza, a lądować tylko od strony morza: w dowolnym kierunku wiatru będzie dmuchnij od tyłu lub podczas startu lub lądowania, dzięki czemu piloci mają zagwarantowaną odrobinę ekstremalności.

Procedury lotnicze na terenie lotniska uwzględniają liczne ograniczenia – np. zakaz przebywania samolotów bezpośrednio nad miastami lub strefami specjalnymi: mogą to być zarówno obiekty bezpieczne, jak i zwykłe wioski chałupnicze Rublyovka, której mieszkańcy nie przepadają za hałasem nad ich głowami.

Dlaczego samolot leci szybciej w jedną stronę niż w drugą?

To pytanie z kategorii „holivar” – być może więcej egzemplarzy rozbitych jest tylko wokół układanki z samolotem stojącym na ruchomym pasie – „odleci albo nie wystartuje”. Rzeczywiście, samolot leci na wschód szybciej niż na zachód, a jeśli dolecisz z Moskwy do Los Angeles w 13 godzin, możesz wrócić w 12 godzin.

Oznacza to, że szybciej jest latać z zachodu na wschód niż ze wschodu na zachód.

Humanista myśli, że Ziemia się kręci, a kiedy lecisz na jeden z boków, zbliża się punkt docelowy, ponieważ planeta ma czas, aby obrócić się pod tobą.

Jeśli usłyszysz takie wyjaśnienie, pilnie daj tej osobie podręcznik do geografii do szóstej klasy, w którym wyjaśnią mu, że po pierwsze Ziemia obraca się z zachodu na wschód (czyli zgodnie z tą teorią wszystko powinno być odwrotnie wokół), a po drugie, atmosfera obraca się wraz z Ziemią. W przeciwnym razie można by wzbić się w powietrze na balon na gorące powietrze i zawieś w miejscu, czekając na korbę do miejsca, w którym musisz wylądować: darmowa podróż!

Technik próbuje wyjaśnić to zjawisko siłą Coriolisa, która działa na płaszczyznę w nieinercjalnym układzie odniesienia „płaszczyzna ziemi”: podczas ruchu w jednym kierunku jej ciężar staje się większy, a w drugim odpowiednio mniejszy . Jedynym problemem jest to, że różnica w masie samolotu wywołana siłą Coriolisa jest bardzo mała, nawet w porównaniu z masą ładunku na pokładzie. Ale to już połowa problemu: od kiedy masa wpływa na prędkość? Możesz jechać 100 km/h samochodem i jedną lub pięcioma osobami. Jedyną różnicą będzie zużycie paliwa.

Prawdziwym powodem, dla którego samolot leci na wschód szybciej niż na zachód, jest to, że wiatry na wysokości kilku kilometrów najczęściej wieją z zachodu na wschód i tak, że wiatr w jednym kierunku okazuje się sprawiedliwy, zwiększając prędkość względną na Ziemię, aw drugim - nadjeżdżają, zwalniają. Dlaczego wiatry tak wieją - zapytaj na przykład Coriolisa. Nawiasem mówiąc, badanie strumieni strumieniowych na dużych wysokościach (to silne wiatry w postaci stosunkowo wąskich prądów powietrza w określonych strefach atmosfery) pozwala wytyczyć trasy w taki sposób, aby „w strumieniu” maksymalizować prędkość i oszczędzać paliwo.

Prędkość (V) ruchu samolotów nie jest stała - jeden jest potrzebny na wzniesieniu, a drugi w locie.

1. Start faktycznie rozpoczyna się od momentu, w którym statek porusza się po pasie. Urządzenie przyspiesza, nabiera tempa wymaganego do oderwania się od płótna, a dopiero potem, dzięki zwiększeniu siły nośnej, unosi się w górę. V wymagane do oddzielenia jest określone w instrukcji dla każdego modelu oraz w ogólnych instrukcjach. Silniki w tej chwili pracują na pełnych obrotach, co daje ogromne obciążenie maszyny, dlatego proces ten uważany jest za jeden z najtrudniejszych i najbardziej niebezpiecznych.
2. Aby zablokować przestrzeń i zająć przydzielony poziom lotu, konieczne jest osiągnięcie innej prędkości. Lot w płaszczyźnie poziomej jest możliwy tylko wtedy, gdy samolot kompensuje grawitację Ziemi.

Wskaźniki prędkości, z jaką samolot jest w stanie wzbić się w powietrze i pozostać tam przez określony czas, trudno nazwać. Zależą one od cech konkretnej maszyny i środowiska. Mały jednosilnikowy V będzie logicznie niższy niż gigantyczny statek pasażerski - im większy statek, tym szybciej musi się poruszać.

Dla Boeinga 747-300 jest to około 250 kilometrów na godzinę, jeśli gęstość powietrza wynosi 1,2 kilograma na metr sześcienny. Cessna 172 ma około 100. Jak-40 zjeżdża z toru o 180 km/h, Tu154M – o 210. Dla Ił 96 średnia wynosi 250, a dla Airbusa A380 – 268.

Spośród warunków niezależnych od modelu aparatu przy określaniu liczby opierają się one na:

• kierunek i siła wiatru - nadjeżdżający pomaga wypychając nos do góry
• obecność opadów i wilgotności powietrza - może komplikować lub przyczyniać się do przyspieszenia
• czynnik ludzki – po ocenie wszystkich parametrów decyzję podejmuje pilot

Prędkość typowa dla rzutu, w charakterystyka techniczna ah jest oznaczony jako "cruising" - to 80% maksymalnych możliwości auta

Prędkość na samym poziomie zależy również bezpośrednio od modelu statku. W specyfikacjach technicznych jest oznaczony jako „przelotowy” - jest to 80% maksymalnych możliwości maszyny. Pierwszy pasażer „Ilya Muromets” przyspieszył do zaledwie 105 kilometrów na godzinę. Teraz liczba ta jest średnio 7 razy wyższa.

Jeśli lecisz Airbus A220, wskaźnik wynosi 870 km / h. A310 zwykle porusza się z prędkością 860 kilometrów na godzinę, A320 - 840, A330 - 871, A340-500 - 881, A350 - 903 i gigantyczny A380 - 900. Boeingi mają mniej więcej to samo. Boeing 717 leci z prędkością 810 kilometrów na godzinę. Masa 737 – przy 817-852, w zależności od generacji, długodystansowy 747 – 950, 757 – przy 850 km/h, pierwszy transatlantycki 767 – 851, Triple Seven – 905, a pasażerski 787 – 902. plotek, firma opracowuje wkładkę do lotnictwo cywilne, który dostarczy ludzi z jednego punktu do drugiego przy V = 5000. Ale jak dotąd najszybsze na świecie są wyłącznie wojskowe:

• amerykański naddźwiękowy F-4 Phantom II, choć ustąpił miejsca bardziej nowoczesnym, nadal znajduje się w pierwszej dziesiątce ze wskaźnikiem 2370 kilometrów na godzinę
• jednosilnikowy myśliwiec Convair F-106 Delta Dart z prędkością 2450 km/h
• bojowy MiG-31 - 2993
• eksperymentalny E-152, którego konstrukcja stanowiła podstawę dla MiG-25 - 3030
• Prototyp XB-70 Walkiria - 3308
• badania Bell X-2 Starbuster - 3 370
• MiG-25 jest w stanie osiągnąć 3492, ale nie da się zatrzymać na tym znaku i nie uszkodzić silnika.
• SR-71 Kos - 3540
• światowy lider z rakietą X-15 - 7274

Być może i statki cywilne kiedyś będzie w stanie osiągnąć te wskaźniki. Ale na pewno nie w najbliższej przyszłości, podczas gdy głównym czynnikiem w tej kwestii jest bezpieczeństwo pasażerów.

4 części samolotu pasażerskiego, od których zależy wydajność lotu

Maszyny latające różnią się od zwykłych bardzo skomplikowanymi konstrukcjami, dbającymi o każdy najmniejszy szczegół. A poza oczywistymi detalami, na możliwości i charakterystykę ruchu wpływają również inne części - w sumie zmontowano 4 główne.

1. Skrzydło. Jeśli w przypadku awarii silnika możesz polecieć na najbliższe lotnisko na drugim, a w przypadku awarii we dwoje naraz możesz wylądować z doświadczeniem pilota, nie możesz oddalić się od miejsca odlotu bez skrzydła. Jeśli nie istnieje, nie będzie potrzebnej siły podnoszenia. Nie przez przypadek mówią o skrzydle w liczbie pojedynczej. Wbrew powszechnemu przekonaniu samolot taki ma. Ta koncepcja oznacza całą płaszczyznę rozchodzącą się w obu kierunkach z boku.

Ponieważ jest to główna część odpowiedzialna za utrzymywanie się w powietrzu, dużą wagę przywiązuje się do jego konstrukcji. Forma jest budowana według precyzyjnych obliczeń, weryfikowana i testowana. Ponadto skrzydło jest w stanie wytrzymać ogromne obciążenia, aby nie zagrażać najważniejszemu - bezpieczeństwu ludzi.

2. Klapy i listwy. Duża ilość Z biegiem czasu skrzydło samolotu ma opływowy kształt, ale podczas startu i lądowania pojawiają się na nim dodatkowe powierzchnie. Klapy i listwy są produkowane w celu zwiększenia powierzchni i radzenia sobie z siłami działającymi na aparat podczas dużych obciążeń na początku i na końcu podróży. Podczas lądowania spowalniają liner, nie pozwalają mu zbyt szybko opaść, a przy wznoszeniu pomagają utrzymać się w powietrzu.

3. Spoilery. Pojawiają się na górnej części skrzydła w momentach, kiedy wymagane jest zmniejszenie PS. Pełnią rolę pewnego rodzaju hamulca. To i szczegóły z poprzedniego akapitu to mechanizacja, którą piloci operują ręcznie.

4. Silnik. Śmigła ciągną samochód za sobą, a odrzutowe „pchają” go do przodu.

Jeszcze na początku ubiegłego wieku mało kto wierzył w ideę stworzenia latającego transportu, dziś samoloty nikogo nie zaskakują. Choć tylko nieliczni rozumieją zasady ich poruszania się – konstrukcje pojazdów, fizyka lotów wydaje się zbyt skomplikowana i rodzi wiele złudzeń. Ale zwykły pasażer nie musi tego wiedzieć. Najważniejsze jest, aby pamiętać, że obliczane są możliwości każdego modelu wkładek i tylko w rzadkich przypadkach można powtórzyć los Ikara.

Wysokość lotu to jeden z najważniejszych parametrów lotniczych. Od tego zależy w szczególności prędkość i zużycie paliwa. Czasami bezpieczeństwo lotu zależy również od wyboru wysokości. Na przykład piloci muszą zmieniać wysokość, gdy warunki pogodowe zmieniają się gwałtownie, z powodu gęstej mgły, gęstych chmur, rozległego frontu burzy lub strefy turbulencji.

Jaka powinna być wysokość lotu

Pierwszy rekord wysokości lotu wynosił… trzy metry. Na tę wysokość samolot Wright Flyer braci Wilbur i Orville Wright poleciał po raz pierwszy 17 grudnia 1903 roku. 74 lata później, 31 sierpnia 1977 roku, radziecki pilot doświadczalny Aleksander Fedotow ustanowił na myśliwcu MiG-25 światowy rekord wysokości 37650 metrów. Do tej pory pozostaje to maksymalna wysokość lotu myśliwca.

Na jakiej wysokości latają samoloty pasażerskie?

Przy określaniu optymalnej wysokości (poziomu) lotu, kontroler lub dowódca załogi kieruje się następującymi wskazówkami. Jak wiadomo, im wyższa wysokość, tym więcej powietrza wylatuje i samolot łatwiej leci - dlatego warto wznosić się wyżej. Jednak skrzydła samolotu potrzebują wsparcia, a na skrajnie wysoki pułap(na przykład w stratosferze) to wyraźnie za mało, a samochód zacznie się „zapadać”, a silniki zgasną.

Wniosek nasuwa się sam: dowódca (a dziś komputer pokładowy) wybiera „złoty środek” - idealny stosunek siły tarcia do siły nośnej. W rezultacie każdy typ liniowce pasażerskie(biorąc pod uwagę warunki pogodowe, parametry techniczne, czas trwania i kierunek lotu) jego optymalną wysokość.

Dlaczego samoloty latają na 10 000 metrów?

Na jakiej wysokości latają myśliwce

Jednak zaporowe wyżyny bojowników „nie są teraz w modzie”. I jest na to wytłumaczenie. Nowoczesne systemy obrony powietrznej i pociski myśliwskie powietrze-powietrze są w stanie niszczyć cele na każdej wysokości. Dlatego głównym problemem dla myśliwca jest wcześniejsze wykrycie i zniszczenie wroga, a sam pozostanie niezauważony. Optymalna wysokość lotu myśliwca piątej generacji (pułap serwisowy) wynosi 20 000 metrów.

V nowoczesny świat wiele osób interesuje się nauką i technologią i próbuje przynajmniej w Ogólny zarys zrozumieć, jak działają rzeczy, które ich otaczają. Dzięki temu pędowi do oświecenia istnieje literatura naukowa i edukacyjna oraz witryny takie jak Giktimes. A ponieważ większości ludzi trudno jest odczytać i dostrzec ciąg formuł, teorie prezentowane w takich wydaniach nieuchronnie ulegają znacznemu uproszczeniu, starając się przekazać czytelnikowi „istotę” idei za pomocą prostego i zrozumiałego wyjaśnienie, które jest łatwe do zrozumienia i zapamiętania. Niestety, niektóre z tych „prostych wyjaśnień” są fundamentalnie źle, ale jednocześnie okazują się na tyle „oczywiste”, że nie podlegając szczególnym wątpliwościom, zaczynają wędrować od publikacji do publikacji i często stają się dominującym punktem widzenia, mimo swej błędności.

Jako jeden przykład spróbuj odpowiedzieć na proste pytanie: „Skąd pochodzi winda w skrzydle samolotu?”

Jeśli w Twoim wytłumaczeniu są „różne długości powierzchni górnych i dolnych skrzydeł”, „różne natężenia przepływu powietrza na górnej i dolnej krawędzi skrzydła” oraz „prawo Bernoulliego”, to informuję, że najprawdopodobniej padłeś ofiarą największej popularny mit, którego naucza się czasem nawet w szkolnym programie nauczania.

Przypomnijmy najpierw, o czym mówimy

Mityczne wyjaśnienie podniesienia skrzydła jest następujące:

1. Skrzydło ma asymetryczny profil na dole i na górze
2. Ciągły przepływ powietrza jest podzielony przez skrzydło na dwie części, z których jedna przechodzi nad skrzydłem, a druga pod nim
3. Rozważamy przepływ laminarny, w którym przepływ powietrza ściśle przylega do powierzchni skrzydła
4. Ponieważ profil jest asymetryczny, aby ponownie zbiec za skrzydłem w jednym punkcie, „górny” strumień musi przebyć większą odległość niż „dolny”, więc powietrze nad skrzydłem musi poruszać się z większą prędkością niż pod tym
5. Zgodnie z prawem Bernoulliego ciśnienie statyczne w przepływie maleje wraz ze wzrostem natężenia przepływu, dlatego w przepływie nad skrzydłem ciśnienie statyczne będzie mniejsze
6. Różnica ciśnień w przepływie pod skrzydłem i nad nim to uniesienie

...czy nadal nie?..

Istnieje historia (naprawdę nie wiem, na ile jest prawdziwa), że jedną z pierwszych osób, które zasugerowały taką teorię, był nie kto inny jak sam Albert Einstein. Według tej historii, w 1916 roku napisał odpowiedni artykuł i na jego podstawie zaproponował własną wersję „skrzydła idealnego”, które jego zdaniem maksymalizowało różnicę prędkości nad i pod skrzydłem oraz w profilu. wyglądało to mniej więcej tak:

Pełnoprawny model skrzydła o takim profilu został przepuszczony przez tunel aerodynamiczny, ale niestety jego właściwości aerodynamiczne okazały się wyjątkowo słabe. W przeciwieństwie do tego paradoksalne! - z wielu skrzydeł z idealnie symetryczny profil, w którym ścieżka powietrza nad i pod skrzydłem musiała być zasadniczo taka sama. Wyraźnie było coś nie tak z rozumowaniem Einsteina. I być może najbardziej oczywistym przejawem tej nieprawidłowości było to, że niektórzy piloci, jako akrobacje, zaczęli latać samolotami do góry nogami. Pierwsze samoloty, które próbowały przewrócić się w locie, miały problemy z paliwem i olejem, które nie płynęły tam, gdzie były potrzebne, a wypływały tam, gdzie nie były potrzebne, ale po układach paliwowych i olejowych zdolnych do pracy przez dłuższy czas w pozycja odwrócona, latanie do góry nogami stało się powszechnym widokiem na pokazach lotniczych. Na przykład w 1933 roku Amerykanin poleciał do góry nogami z San Diego do Los Angeles. W jakiś magiczny sposób odwrócone skrzydło nadal generowało uniesienie w górę.

Spójrz na to zdjęcie - przedstawia samolot podobny do tego, na którym ustanowiono rekord lotu do góry nogami. Zwróć uwagę na konwencjonalny profil skrzydła (płat Boeing-106B), który zgodnie z powyższym rozumowaniem powinien wywoływać unoszenie się od dołu do góry.

Tak więc nasz prosty model unoszenia skrzydeł ma pewne trudności, które można podsumować w dwóch prostych obserwacjach:

1. Uniesienie skrzydła zależy od jego orientacji w stosunku do napływającego powietrza - kąt natarcia
2. Symetryczne profile (w tym banalny płaski arkusz sklejki) również tworzą windę.

Mówiąc najprościej, powietrze „nie wie”, że musi poruszać się z określoną prędkością wokół skrzydła, aby spełnić jakiś oczywisty dla nas warunek. I chociaż natężenie przepływu nad skrzydłem jest rzeczywiście wyższe niż pod nim, to nie jest przyczyna powstawanie siły nośnej a konsekwencja fakt, że nad skrzydłem znajduje się obszar zmniejszonego nacisku, a pod skrzydłem obszar zwiększonego nacisku. Przemieszczając się z obszaru normalnego ciśnienia do obszaru rozrzedzonego, powietrze jest przyspieszane przez różnicę ciśnień, a dostając się do obszaru o podwyższonym ciśnieniu, zostaje spowolnione. Ważny szczególny przykład takiego zachowania "nie-Bernoulle'a" wyraźnie pokazują ekranoplanes: gdy skrzydło zbliża się do ziemi, jego unoszenie wzrasta (obszar zwiększonego ciśnienia jest ściskany przez ziemię), podczas gdy w ramach Bernoule'a rozumując skrzydło sparowane z ziemią tworzy coś w rodzaju zwężającego się tunelu, który w ramach rozumowania naiwnego musiałby rozpędzać powietrze i tym samym przyciągać skrzydło do ziemi, tak jak to się dzieje w rozumowaniu o podobnym znaczeniu , o „wzajemnym przyciąganiu parowców przejeżdżających równoległymi kursami”. Co więcej, w przypadku ekranoplanu sytuacja jest pod wieloma względami jeszcze gorsza, gdyż jedna ze "ścian" tego tunelu porusza się z dużą prędkością w kierunku skrzydła, tym samym dodatkowo "przyspieszając" powietrze i przyczyniając się do jeszcze większego spadku w windzie. Jednak realna praktyka „efektu ekranu” wykazuje odwrotną tendencję, wyraźnie ukazując niebezpieczeństwo logiki rozumowania o sile nośnej, zbudowanej na naiwnych próbach odgadnięcia pola prędkości przepływu powietrza wokół skrzydła.

Co dziwne, inna błędna teoria siły nośnej, odrzucona w XIX wieku, daje znacznie bliższe wyjaśnienie prawdy. Sir Isaac Newton zasugerował, że oddziaływanie obiektu z nadlatującym strumieniem powietrza można modelować przy założeniu, że nadchodzący strumień powietrza składa się z maleńkich cząstek uderzających i odbijających się od obiektu. Gdy obiekt jest nachylony w stosunku do strumienia padającego, cząstki będą głównie odbijane przez obiekt w dół i, zgodnie z prawem zachowania pędu, dla każdego odchylenia cząstki strumienia w dół, obiekt otrzyma skierowaną w górę pęd. Idealnym skrzydłem w takim modelu byłby płaski latawiec, nachylony w kierunku strumienia napływającego:

Podnoszenie w tym modelu wynika z tego, że skrzydło kieruje część strumienia powietrza w dół, przekierowanie to wymaga przyłożenia określonej siły do ​​strumienia powietrza, a uniesienie jest odpowiednią siłą przeciwną od strony strumienia powietrza do skrzydło. I choć pierwotny model „szoku” jest, ogólnie rzecz biorąc, błędny, w tak uogólnionym sformułowaniu to wyjaśnienie jest naprawdę poprawne... Każde skrzydło działa dzięki temu, że odchyla część napływającego powietrza w dół, co w szczególności wyjaśnia, dlaczego uniesienie skrzydła jest proporcjonalne do gęstości strumienia powietrza i kwadratu jego prędkości. Daje nam to pierwsze przybliżenie prawidłowej odpowiedzi: skrzydło wytwarza siłę nośną, ponieważ linie przepływu powietrza po minięciu skrzydła są przeciętnie skierowane w dół. A im bardziej odchylamy przepływ w dół (np. zwiększając kąt natarcia), tym większa jest siła nośna.

Trochę nieoczekiwany wynik, prawda? Jednak nadal nie przybliża nas do zrozumienia tego Czemu okazuje się, że powietrze po przejściu skrzydła porusza się w dół. To, że model szoku Newtona jest niepoprawny, zostało wykazane eksperymentalnie w eksperymentach, które wykazały, że rzeczywisty opór przepływu jest niższy niż przewidywany przez model Newtona, a generowany wznios jest wyższy. Powodem tych rozbieżności jest to, że w modelu Newtona cząstki powietrza nie oddziałują ze sobą w żaden sposób, podczas gdy rzeczywiste linie prądu nie mogą się przecinać, jak pokazano na powyższym rysunku. Konwencjonalne „cząstki powietrza” „odbijające się” pod skrzydłem w dół zderzają się z innymi i zaczynają „odpychać” je od skrzydła jeszcze zanim się z nim zderzą, a cząstki prądu powietrza nad skrzydłem „wypychają” znajdujące się tam cząstki powietrza poniżej, w pustą przestrzeń pozostawioną za skrzydłem:

Innymi słowy, wzajemne oddziaływanie przepływów „odbitych” i „nadchodzących” tworzy obszar wysokiego ciśnienia pod skrzydłem (czerwony), a „cień” przebity przez skrzydło w przepływie tworzy obszar niskiego ciśnienia (niebieski). Pierwszy obszar odchyla przepływ pod skrzydłem w dół jeszcze zanim ten przepływ dotknie jego powierzchni, a drugi powoduje, że przepływ nad skrzydłem wygina się w dół, chociaż w ogóle nie dotykał skrzydła. Skumulowany nacisk tych obszarów wzdłuż konturu skrzydła w rzeczywistości ostatecznie tworzy siłę nośną. Równocześnie ciekawostką jest to, że obszar wyżów, który nieuchronnie powstaje przed skrzydłem w prawidłowo zaprojektowanym skrzydle, styka się z jego powierzchnią tylko na niewielkim obszarze krawędzi natarcia skrzydła, podczas gdy obszar wyżów pod skrzydłem, a obszar niskiego ciśnienia nad nim mocno dotyka skrzydła Duża powierzchnia... W rezultacie uniesienie skrzydła generowane przez dwa obszary wokół górnej i dolnej powierzchni skrzydła może być znacznie większe niż siła oporu powietrza generowana przez obszar wysokiego ciśnienia przed przednią krawędzią skrzydła.

Ponieważ obecność obszarów o różnych ciśnieniach powoduje zaginanie linii przepływu powietrza, często wygodnie jest precyzyjnie określić te obszary za pomocą tego zagięcia. Na przykład, jeśli linie opływowe nad skrzydłem „wyginają się w dół”, to w tym obszarze występuje gradient ciśnienia skierowany od góry do dołu. A jeśli na wystarczająco dużej odległości nad skrzydłem ciśnienie jest atmosferyczne, to w miarę zbliżania się do skrzydła od góry do dołu ciśnienie powinno spaść i bezpośrednio nad skrzydłem będzie poniżej atmosferycznego. Po rozważeniu podobnej „krzywizny w dół”, ale już pod skrzydłem, stwierdzamy, że jeśli zaczniemy od wystarczająco niskiego punktu pod skrzydłem, to zbliżając się do skrzydła od dołu do góry, dojdziemy do obszaru ciśnienia, który będzie wyższe niż ciśnienie atmosferyczne. Podobnie „wypychanie” linii opływowych przed krawędź natarcia skrzydła odpowiada istnieniu obszaru zwiększonego ciśnienia przed tą krawędzią. W ramach tej logiki możemy powiedzieć, że skrzydło tworzy siłę nośną, zaginając linie przepływu powietrza wokół skrzydła... Ponieważ linie powietrza wydają się „przyklejać” do powierzchni skrzydła (efekt Coandy) i do siebie, zmieniając profil skrzydła, zmuszamy powietrze do poruszania się wokół niego po zakrzywionej trajektorii i tym samym tworzy wymagany gradient ciśnienia. Na przykład, aby zapewnić lot do góry nogami, wystarczy stworzyć pożądany kąt natarcia, kierując nos samolotu od ziemi:

Znowu trochę nieoczekiwane, prawda? Niemniej jednak wyjaśnienie to jest bliższe prawdy niż oryginalna wersja „powietrze przyspiesza nad skrzydłem, ponieważ musi przebyć większą odległość nad skrzydłem niż pod nim”. Ponadto, według jego terminów, najłatwiej jest zrozumieć zjawisko zwane „przeciągnięciem” lub „przeciągnięciem samolotu”. W normalnej sytuacji, zwiększając kąt natarcia skrzydła, zwiększamy w ten sposób krzywiznę przepływu powietrza i odpowiednio siłę nośną. Ceną za to jest wzrost oporu, ponieważ obszar niskiego ciśnienia stopniowo przesuwa się z nadpłata do lekko pozaskrzydłowego, a tym samym zaczyna spowalniać samolot. Jednak po pewnym limicie sytuacja nagle się zmienia. Niebieska linia na wykresie to współczynnik siły nośnej, czerwona linia to współczynnik oporu, oś pozioma odpowiada kątowi natarcia.

Faktem jest, że „przylepność” strumienia do opływowej powierzchni jest ograniczona i jeśli spróbujemy za bardzo zgiąć strumień powietrza, zacznie się „odrywać” od powierzchni skrzydła. Obszar niżowy tworzący się za skrzydłem zaczyna "zasysać" nie strumień powietrza pochodzący z krawędzi natarcia skrzydła, ale powietrze z obszaru pozostawionego za skrzydłem, oraz siłę nośną wytwarzaną przez górną część skrzydła. całkowicie lub częściowo (w zależności od miejsca, w którym nastąpiło oderwanie) zniknie, a opór wzrośnie.

Dla konwencjonalnego samolotu przeciągnięcie to wyjątkowo nieprzyjemna sytuacja. Siła nośna skrzydła maleje wraz ze spadkiem prędkości samolotu lub gęstością powietrza, a poza tym skręcanie samolotu wymaga większej siły nośnej niż zwykły lot poziomy. W normalnym locie wszystkie te czynniki są kompensowane przez wybór kąta natarcia. Im wolniej samolot leci, tym mniej gęste powietrze (samolot się wspinał) wielki wzrost lub siada w czasie upałów) i im bardziej stromy zakręt, tym więcej musisz pokonywać tego zakrętu. A jeśli nieostrożny pilot przekroczy pewną linię, siła nośna opiera się o „sufit” i staje się niewystarczająca, aby utrzymać samolot w powietrzu. Dodanie problemów i zwiększony opór powietrza, co prowadzi do utraty prędkości i dalszego spadku siły nośnej. W rezultacie samolot zaczyna spadać – „przewracać się”. Po drodze mogą pojawić się problemy ze sterowaniem ze względu na to, że winda jest redystrybuowana nad skrzydłem i zaczyna próbować „skręcać” samolot lub powierzchnie sterowe znajdują się w obszarze zablokowania przepływu i przestają generować wystarczającą ilość siła kontrolna. I w ostry zakręt, na przykład, przepływ może zakłócić tylko jedno skrzydło, w wyniku czego samolot nie tylko zacznie tracić wysokość, ale także się obracać - wpadnie w korkociąg. Połączenie tych czynników pozostaje jedną z najczęstszych przyczyn katastrof lotniczych. Z drugiej strony, niektóre nowoczesne samoloty bojowe są specjalnie zaprojektowane w taki specjalny sposób, aby zachować sterowność w takich nadkrytycznych trybach ataku. Pozwala to takim myśliwcom na ostre hamowanie w powietrzu, jeśli to konieczne. Czasami jest używany do hamowania w locie prostym, ale częściej jest potrzebny w zakrętach, ponieważ im mniejsza prędkość, tym mniejszy, przy wszystkich innych rzeczach równych, promień skrętu samolotu. I tak, zgadliście - jest to właśnie „supermanewrowość”, z której zasłużenie są dumni specjaliści, którzy zaprojektowali aerodynamikę krajowych myśliwców 4. i 5. generacji.

Jednak nie odpowiedzieliśmy jeszcze na główne pytanie: skąd tak naprawdę powstają obszary wysokiego i niskiego ciśnienia wokół skrzydła w strumieniu napływającego powietrza? Wszakże oba zjawiska („przyczepność przepływu do skrzydła” i „nad skrzydłem powietrze porusza się szybciej”), które mogą tłumaczyć lot, są konsekwencja pewien rozkład nacisku wokół skrzydła, a nie jego przyczyna. Ale dlaczego właśnie powstaje taki obraz nacisków, a nie inny?

Niestety odpowiedź na to pytanie już nieuchronnie wymaga zaangażowania matematyki. Wyobraźmy sobie, że nasze skrzydło jest nieskończenie długie i takie samo na całej swojej długości, aby ruch powietrza wokół niego można było modelować w warstwie 2D. I załóżmy na początek, że nasze skrzydło to… nieskończenie długi cylinder w przepływie płynu idealnego. Ze względu na nieskończoność cylindra problem ten można sprowadzić do rozważenia idealnego przepływu płynu po okręgu w płaszczyźnie. W tak trywialnym i wyidealizowanym przypadku istnieje dokładne rozwiązanie analityczne, które przewiduje, że gdy cylinder jest nieruchomy, całkowity wpływ płynu na cylinder będzie zerowy.

Przyjrzyjmy się teraz sprytnej transformacji płaszczyzny do siebie, którą matematycy nazywają mapowaniem konforemnym. Okazuje się, że można wybrać transformację, która z jednej strony zachowuje równania ruchu przepływu płynu, a z drugiej przekształca okrąg w figurę o profilu przypominającym skrzydło. Następnie linie przepływu płynu do cylindra, przekształcone w tej samej transformacji, stają się rozwiązaniem dla przepływu płynu wokół naszego improwizowanego skrzydła.

Nasz pierwotny okrąg w przepływie płynu idealnego ma dwa punkty, w których linie prądu stykają się z powierzchnią koła, a zatem te same dwa punkty będą istniały na powierzchni profilu po przekształceniu na walec. I w zależności od rotacji przepływu względem oryginalnego cylindra („kąt natarcia”) będą one znajdować się w różnych miejscach na powierzchni uformowanego „skrzydła”. I prawie zawsze będzie to oznaczać, że niektóre linie przepływu płynu wokół płata będą musiały zagiąć się wokół tylnej, ostrej krawędzi skrzydła, jak pokazano na powyższym obrazku.

Jest to potencjalnie możliwe w przypadku płynu idealnego. Ale nie dla prawdziwego.

Obecność nawet niewielkiego tarcia (lepkości) w rzeczywistej cieczy lub gazie powoduje, że przepływ podobny do pokazanego na rysunku zostaje natychmiast zakłócony - górny przepływ przesunie punkt, w którym struga zetknie się z powierzchnią skrzydła aż do jest ściśle na krawędzi spływu skrzydła (postulat Żukowskiego-Chaplygina, czyli kondycji aerodynamicznej Kutty). A jeśli przekształcimy „skrzydło” z powrotem w „cylinder”, to przesunięte linie opływowe będą wyglądały mniej więcej tak:

Ale jeśli lepkość cieczy (lub gazu) jest bardzo niska, to otrzymany w podobny sposób roztwór powinien być również odpowiedni dla butli. I okazuje się, że takie rozwiązanie naprawdę można znaleźć, jeśli założymy, że cylinder kręci się... Oznacza to, że fizyczne ograniczenia związane z przepływem płynu wokół krawędzi spływu skrzydła prowadzą do tego, że ruch płynu ze wszystkich możliwych rozwiązań będzie miał tendencję do dochodzenia do jednego konkretnego rozwiązania, w którym część przepływu płynu obraca się wokół równoważnika cylinder, odrywając się od niego w ściśle określonym punkcie... A ponieważ obracający się cylinder wytwarza siłę unoszącą w przepływie płynu, odpowiednie skrzydło również ją wytwarza. Składowa ruchu przepływu odpowiadająca tej „prędkości obrotowej cylindra” nazywana jest obiegiem przepływu wokół skrzydła, a twierdzenie Żukowskiego mówi, że podobną charakterystykę można uogólnić dla dowolnego skrzydła i pozwala na ilościowe obliczenie siły nośnej skrzydła na podstawie to. W ramach tej teorii unoszenie skrzydła zapewnia obieg powietrza wokół skrzydła, który jest generowany i utrzymywany na ruchomym skrzydle przez powyższe siły tarcia, które wykluczają przepływ powietrza wokół jego ostrej krawędzi spływu.

Niesamowity wynik, prawda?

Opisana teoria jest oczywiście wysoce wyidealizowana (nieskończenie długie jednorodne skrzydło, idealnie jednorodny przepływ nieściśliwego gazu/cieczy bez tarcia wokół skrzydła), ale daje dość dokładne przybliżenie dla prawdziwych skrzydeł i zwykłego powietrza. Tylko nie traktuj cyrkulacji w nim jako dowodu, że powietrze faktycznie krąży wokół skrzydła. Cyrkulacja to po prostu liczba, która pokazuje, jak różna musi być prędkość przepływu na górnej i dolnej krawędzi skrzydła, aby rozwiązanie ruchów przepływu płynu zapewniało oddzielenie linii opływowych ściśle na krawędzi spływu skrzydła. Nie należy również traktować „zasady ostrej krawędzi spływu skrzydła” jako warunku koniecznego do powstania siły nośnej: zamiast tego kolejność rozumowania brzmi jak „jeśli skrzydło ma ostrą krawędź spływu, to siła nośna jest uformowana w ten sposób ”.

Spróbujmy podsumować. Oddziaływanie powietrza ze skrzydłem tworzy obszary wysokiego i niskiego ciśnienia wokół skrzydła, które zaginają strumień powietrza tak, że zagina się wokół skrzydła. Ostra krawędź spływu skrzydła prowadzi do tego, że w przepływie idealnym ze wszystkich możliwych rozwiązań równań ruchu realizowane jest tylko jedno konkretne, które wyklucza przelew powietrza wokół ostrej krawędzi spływu. To rozwiązanie zależy od kąta natarcia, a konwencjonalne skrzydło ma obszar niskiego ciśnienia nad skrzydłem i obszar wysokiego ciśnienia poniżej. Odpowiednia różnica ciśnień tworzy uniesienie skrzydła, sprawia, że ​​powietrze porusza się szybciej nad górną krawędzią skrzydła i spowalnia powietrze poniżej dolnej krawędzi. Dogodne jest ilościowe opisanie siły nośnej liczbowo poprzez tę różnicę prędkości nad i pod skrzydłem w postaci charakterystyki zwanej „cyrkulacją” przepływu. Co więcej, zgodnie z trzecim prawem Newtona, siła nośna działająca na skrzydło oznacza, że ​​skrzydło odchyla część napływającego powietrza w dół - aby samolot mógł lecieć, część otaczającego go powietrza musi stale przemieszczać się w dół. Opierając się na tym przepływie powietrza w dół, samolot „leci”.

Proste wyjaśnienie „powietrze, które musi przebyć większą odległość nad skrzydłem niż pod nim” jest błędne.

Żarty na bok, ale pewna nutka powagi pojawia się w takiej sytuacji nie tylko u osoby obciążonej wiedzą lotniczą. Co więcej, wspomniany czterdziestotonowy „głupek” to generalnie średniej wielkości samolot rosyjskich sił powietrznych SU-24. No a jeśli ta „poważna” osoba okaże się świadkiem spokojnego, ale och-bardzo pewnego startu największego na świecie samolot transportowy AN-225 „Mrija” (po ukraińsku „Sen”, kto nie wie)?.. Niczego innego nie będę komentował. Dodam tylko, że masa startowa tego „ptaka” to 600 ton.

Tak, wrażenia na tej podstawie mogą być bardzo głębokie. Ale tak czy inaczej, emocje nie mają z tym absolutnie nic wspólnego. Fizyka. Jedna naga fizyka. Zgodnie z prawami fizyki wszystkie samoloty unoszą się w powietrze, zaczynając od lekkich samolotów sportowych, a kończąc na ciężkich samolotach transportowych i pozornie całkowicie bezkształtnych helikopterach, które są niezrozumiałe utrzymywane w powietrzu. A wszystko to dzieje się dzięki sile podnoszenia, a nawet sile ciągu silnika.

Sformułowanie „siły nośne” jest znane niemal każdej osobie, ale zaskakujące jest to, że nie każdy potrafi powiedzieć, skąd pochodzi ta siła. Tymczasem jego pochodzenie można wytłumaczyć po prostu, dosłownie „na palcach”, bez wchodzenia w matematyczną dżunglę.

Jak wiecie, główną powierzchnią nośną samolotu jest skrzydło. Ma prawie zawsze określony profil, w którym dolna część jest płaska, a górna wypukła (zgodnie z pewnym prawem). Strumień powietrza przechodzący pod dolną część profilu prawie nie zmienia jego struktury i kształtu. Ale przechodząc przez górną część, zwęża się, ponieważ górna powierzchnia profilu jest dla niej jak wklęsła ściana w rurze, przez którą wydaje się płynąć ten strumień.

Teraz, aby przez pewien czas przepuszczać tę samą objętość powietrza przez tę „ściśniętą” rurę, musi ona być poruszana szybciej, co faktycznie się dzieje. Pozostaje przypomnieć sobie prawo Bernoulliego z ulubionego szkolnego kursu fizyki, które mówi, że im wyższe natężenie przepływu, tym niższe ciśnienie. W ten sposób ciśnienie nad płatem (a więc nad całym skrzydłem) jest niższe niż ciśnienie pod nim.

Powstaje siła, która próbuje „ścisnąć” skrzydło, a tym samym cały samolot w górę. To jest wspomniana winda. Jak tylko przybierze na wadze - hurra! Jesteśmy w powietrzu! Latamy! A tak przy okazji, im wyższa prędkość, tym większy udźwig. Jeśli w przyszłości powstanie

Moc i waga są równe co do wielkości, wtedy samolot przejdzie do lotu poziomego. A dobrą prędkość zapewni nam potężny silnik lotniczy, a dokładniej siła ciągu, którą wytwarza.

Stosując tę ​​zasadę, teoretycznie można sprawić, by obiekt o dowolnej masie i kształcie wystartował (i z powodzeniem latał). Najważniejsze jest dokładne obliczenie wszystkiego z punktu widzenia aerodynamiki i innych nauk lotniczych oraz prawidłowe wyprodukowanie tego obiektu. Kiedy mówię o kształcie, mam na myśli głównie helikopter. Z tego samego powodu urządzenie, które wcale nie wygląda jak samolot, jest utrzymywane w powietrzu. Przecież każde skrzydło jego głównego, mówiąc językiem lotniczym, niosącego (bardzo charakterystyczne słowo, już poznane powyżej) śmigło jest tym samym skrzydłem o aerodynamicznym profilu.

Poruszając się w strumieniu powietrza wraz z obrotem śmigła, łopata wytwarza siłę nośną, która notabene nie tylko unosi helikopter, ale także przesuwa go do przodu. W tym celu oś obrotu śmigła jest lekko pochylona (powstaje „skos” śmigła) i pojawia się pozioma składowa windy, która pełni rolę siły ciągu silnika lotniczego. Śruba ciągnie jednocześnie do góry i do przodu. W efekcie otrzymujemy pewny i bardzo niezawodny lot tak „dziwnego” aparatu, jakim jest helikopter. A przy okazji całkiem piękny lot. Wielokrotnie obserwowałem z ziemi akrobacje śmigłowca bojowego MI-24 – widok jest po prostu hipnotyzujący.

Przy okazji zaznaczam, że śmigła samolotów z silnikami śrubowymi (turbo lub tłokowe) są podobne do śmigłowców i działają na tej samej zasadzie (zgadnij które?). Tylko siła podnoszenia została tutaj całkowicie „przekwalifikowana” ze względu na siłę ciągu. Mówiąc po śmigłowcu, „skos” śmigła wynosi 90 stopni.

Tak, lotnictwo jest bardzo piękne. Słowa podziwu mają zastosowanie w rozmowie o locie każdego wystarczająco doskonałego samolotu. Czy to pozornie niespieszny gigant „Mriya”, ciężko pracujący samolot szturmowy SU-25, czy zwinny sportowy pilot akrobacyjny. Całe to piękno jest wynikiem niekiedy wieloletniej, żmudnej pracy naukowców i inżynierów aeronautyki, aerodynamiki, inżynierów silników, specjalistów od sił itp.

A nauka o lotnictwie jest tak samo trudna, jak interesująca. Opiera się jednak ogólnie na prostej fizycznej zasadzie tworzenia windy, której istotę można bardzo łatwo wyjaśnić w razie potrzeby, a która mimo to pomaga urzeczywistnić odwieczne pragnienie ludzkości, by latać ...