Как и за счет чего летает самолет. Как и почему летают самолеты? Почему же самолет летит

Приход лета в некоторые жаркие уголки нашей планеты приносит с собой не только изнурительный зной, но и задержки рейсов в аэропортах. Например, в Фениксе, штат Аризона, температура воздуха на днях достигла +48°С и авиакомпании были вынуждены отменить или перенести свыше 40 рейсов. В чём причина? Разве самолёты не летают в жару? Летают, но не при всякой температуре. По сообщениям СМИ, жара представляет особую проблему для самолётов Bombardier CRJ, максимальная рабочая температура взлёта для которых составляет +47,5°С. В то же время, большие самолёты от Airbus и Boeing могут летать и при температуре до +52°С градусов или около того. Разбираемся, чем вызваны такие ограничения.

Принцип подъёмной силы

Прежде чем пояснить, почему не каждый борт способен взлететь при высокой температуре воздуха необходимо осознать сам принцип, как летают самолёты. Конечно, каждый помнит ответ ещё со школы: «Всё дело в подъёмной силе крыла». Да, это верно, но не очень убедительно. Чтобы действительно понять законы физики, которые здесь задействованы, нужно обратить внимание на закон импульса . В классической механике импульс тела равен произведению массы m этого тела на его скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости.

На этом этапе вы можете подумать, что речь идёт об изменении импульса самолёта. Нет, вместо этого рассмотрим изменение импульса воздуха , набегающего на плоскость крыла. Представьте себе, что каждая молекула воздуха - это крошечный шар, который соударяется с самолётом. Ниже приведена диаграмма, которая показывает этот процесс.

Движущееся крыло сталкивается с воздушными шарами (то есть, молекулами воздуха). Шары изменяют свой импульс, что требует приложения силы. Поскольку действие равно противодействию, сила, которую крыло прикладывает к шарикам воздуха, имеет ту же величину, что и сила, с которой сами шарики воздействуют на крыло. Это приводит к двум результатам. Во-первых, обеспечивается подъёмная сила крыла. Во-вторых, появляется обратная сила - тяга. Вы не можете достичь подъёма без тяги .

Чтобы генерировать подъёмную силу, самолёт должен двигаться, а чтобы увеличить его скорость, вам нужна большая сила тяги. Если быть более точным, то вам потребуется ровно столько тяги, сколько нужно, чтобы сбалансировать силу сопротивления воздуха - тогда вы летите с той скоростью, с которой хотите. Как правило, эту тягу обеспечивают реактивный двигатель или пропеллер. Скорее всего, вы могли бы использовать даже ракетный двигатель, но в любом случае - вам нужен генератор тяги.

При чём здесь температура?

Если крыло сталкивается всего с одним шариком воздуха (то есть молекулой), это не приведёт к большой подъёмной силе. Чтобы увеличить подъёмную силу нужно много столкновений с молекулами воздуха. Добиться этого можно двумя путями:

• двигаться быстрее , увеличивая число молекул, которые входят в контакт с крылом в единицу времени;
• сконструировать крылья с большей площадью поверхности , потому что в таком случае крыло будет сталкиваться с большим числом молекул;
• ещё один способ увеличения площади поверхности соприкосновения - использовать больший угол атаки за счёт наклона крыльев;
• наконец, можно добиться большего числа столкновений крыла с молекулами воздуха, если плотность самого воздуха выше , то есть, количество самих молекул в единице объёма больше. Иными словами, увеличение плотности воздуха повышает подъёмную силу.

Этот вывод подводит нас к температуре воздуха. Что представляет собой воздух? Это множество микрочастиц, молекул, которые движутся прямо вокруг нас в разном направлении и с разной скоростью. И эти частицы сталкиваются друг с другом. По мере повышения температуры средняя скорость движения молекул также увеличивается. Увеличение температуры приводит к расширению газа, и одновременно - к уменьшению плотности воздуха . Вспомните, что нагретый воздух легче холодного, именно на этом явлении выстроен принцип воздухоплавания шаров-монгольфьеров.

Итак, для большей подъёмной силы нужна либо более высокая скорость, либо большая площадь крыла, либо больший угол атаки молекул на крыло. Ещё одно условие: чем выше значение плотности воздуха - тем больше подъёмная сила. Но верно и обратное: чем меньше плотность воздуха, тем меньше подъёмная сила. И это актуально для жарких уголков планеты. Из-за высокой температуры плотность воздуха слишком низкая для некоторых самолётов , её недостаточно, чтобы они могли взлететь.

Конечно, можно компенсировать снижение плотности воздуха за счёт увеличения скорости. Но как это осуществить в реальности? В таком случае необходимо устанавливать на самолёт более мощные двигатели, либо увеличивать длину взлётно-посадочной полосы. Поэтому для авиакомпаний гораздо проще некоторые рейсы просто отменить. Или, по крайней мере, перенести на вечер, раннее утро, когда температура окружающей среды буде ниже максимально допустимого предела.

Человек всегда мечтал летать в небе. Помните историю об Икаре и его сыне? Это, конечно, всего лишь миф и как было на самом деле мы никогда не узнаем, но жажду парить в небе эта история раскрывает сполна. Первые попытки взлететь в небо были сделаны при помощи огромного который сейчас скорее средство для романтических прогулок в небе, затем появился дирижабль, а вместе с этим позже появляются самолеты и вертолеты. Сейчас уже практически ни для кого не является новостью или чем-то необычным то, что можно слетать за 3 часа самолетом на другой континент. Но как это происходит? Почему самолеты летают и не падают?

Объяснение с физической точки зрения довольно простое, но тяжелее это исполнить на практике

Многие годы проводились различные эксперименты по созданию летающей машины, было создано много прототипов. Но чтобы понять, почему самолеты летают, достаточно знать второй закон Ньютона и уметь это воспроизвести на практике. Сейчас уже люди, а точнее инженеры и ученые, стараются создать такую машину, которая бы летала на колоссальных скоростях, превышающих в несколько раз скорость звука. То есть вопрос уже состоит не в том, как летают самолеты, а как сделать так, чтобы они летали быстрее.

Две вещи для того, чтобы самолет взлетел - мощные двигатели и правильная конструкция крыльев

Двигатели создают огромную тягу, которая толкает вперед. Но этого недостаточно, ведь нужно еще и вверх подняться, а при таком раскладе выходит, что пока что мы можем только разогнаться по поверхности до огромной скорости. Следующим важным моментом является форма крыльев и самого корпуса самолета. Именно они создают поднимающую силу. Сделаны крылья так, что под ними воздух становится медленнее, чем над ними, и в итоге выходит, что воздух снизу толкает корпус вверх, а воздух над крылом неспособен сопротивляться этому воздействию при достижении самолетом определенной скорости. Это явление называется в физике подъемной силой, и, чтобы разобраться в этом подробнее, нужно иметь немного познаний в аэродинамике и в прочих сопутствующих законах. Но для понимания того, почему самолеты летают, этих знаний достаточно.

Посадка и взлет - что нужно для этого машине?

Для самолета необходима огромная взлетная полоса, а точнее - длинная взлетная полоса. Это связано с тем, что ему в первую очередь нужно набрать определенную скорость для взлета. Для того чтобы сила подъема начала действовать, необходимо разогнать самолет до такой скорости, что воздух снизу крыльев начнется подымать конструкцию вверх. Вопрос о том, почему низко летают самолеты, касается именно этой части, когда машина идет на взлет или на посадку. Низкий старт дает возможность подняться самолёту очень высоко в небо, и мы это часто видим в ясную погоду - рейсовые самолеты, оставляя за собой белый след, перемещают людей из одной точки в другую намного быстрее, чем это можно сделать при помощи наземного транспорта или морского.

Топливо для самолетов

Также интересует, почему самолеты летают на керосине. Да, в основном так и есть, но дело в том, что некоторые типы техники используют в качестве топлива привычный бензин и даже солярку.

Но в чем преимущество керосина? Таковых несколько.

Первым, наверное, можно назвать его стоимость. Он значительно дешевле, чем бензин. Второй причиной можно назвать его легкость, в сравнении с тем же бензином. Также керосин имеет свойство гореть, если можно так сказать, плавно. В машинах - легковых или грузовых - нам нужна возможность резкого включения и выключения двигателя, когда самолет рассчитан на то, чтобы его запустить и постоянно поддерживать движение турбин на заданной скорости длительное время, если говорить о пассажирских самолетах. Легкомоторная авиация, которая не предназначена для перевозок огромных грузов, а по большей части связана с военной промышленностью, с агрохозяйством и прочее (в такой машине могут разместиться только до двух человек), мала и маневренна, а потому бензин является подходящим для этой области. Его взрывное горение подходит для того типа турбин, которые установлены в легкой авиации.

Вертолет - конкурент или друг самолету?

Интересное изобретение человечества, связанное с перемещением в воздушном пространстве - вертолет. У него есть главное преимущество перед самолетом - вертикальные взлет и посадка. Он не требует огромного пространства для разгона, а почему самолеты летают только с оборудованных для этих целей мест? Правильно, необходима достаточно длинная и гладкая поверхность. Иначе исход посадки где-то в поле может стать чреватым разрушением машины, а того хуже - человеческими жертвами. А посадку вертолета можно совершить на крыше здания, которая приспособлена, на стадионе и т. п. Для самолета эта функция недоступна, хотя конструкторы уже работают над тем, чтобы объединить мощность и с вертикальным взлетом.

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 поток 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 самолете 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.

Чтобы подняться в воздух, самолетам требуется развить колоссальную мощность. Двигатели самолетов создают тягу, толкающую их вперед, в то время как особая форма корпуса и крыльев помогает им подниматься кверху.

Сила тяжести тянет самолеты вниз, как и любые другие тела. Однако самолетам удается удерживаться в воздухе именно благодаря воздействию самого воздуха. Обычно воздух давит на тело со всех сторон, но если он движется, то давит сильнее, чем воздух, который движется быстро.

Крылья самолета имеют особую форму, заставляющую воздух двигаться под ними медленнее, чем над ними. Когда самолет достигает определенной скорости, «медленный» воздух под его крыльями начинает давить на них сильнее, чем тот, что над ним — и самолет поднимается к небу. Возникающая при этом сила называется подъемной.

При выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу — толчок приклада в плечо. Эта сила действует на приклад ружья очень короткое время — около 0,002 сек. Но на станок пулемета эта сила действует почти постоянно, пока пули вылетают из ствола.

Так же и летательный аппарат может получать постоянную подъемную силу, если он беспрерывно отбрасывает воздух вниз. Именно дли этого и нужны самолету крылья. Если крыло двигается горизонтально и при этом поставлено под углом к направлению движения (этот угол называется углом атаки), оно отбрасывает встречный воздух вниз и тем самым создает подъемную силу, направленную вверх.

Крыло, поставленное под углом атаки, отбрасывает при движении воздух вниз и этим создает подъемную силу.

Образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона):

m*(v 2 -v 1)=P*t

• m — масса тела (в нашем случае это масса отбрасываемого воздуха);
• v 2 — v 1 — изменение скорости тела (в нашем случае — вертикальная скорость отбрасываемого воздуха);
• Р — сила, действующая на тело (в нашем случае она приложена к воздуху и направлена вниз),
• t — время.

Следовательно,

P=m/t*(v 2 -v 1)

Так как всякое действие всегда встречает равное по величине и противоположно направленное противодействие (третий закон Ньютона), то подъемная сила Y будет равна силе Р, приложена к крылу самолета и направлена вверх: Y = - Р.

Величина подъемной силы зависит от массы ежесекундно отбрасываемого воздуха m/t, а она в свою очередь зависит от плотности воздуха р, скорости полета v и площади крыла S; вертикальная скорость воздуха v 2 — v 1 зависит от угла атаки крыла и скорости полета. Тогда величину подъемной силы можно выразить формулой:

Y=С y *pv2/2*S

где С y — коэффициент, который зависит от формы крыла и угла атаки.

Итак, подъемную силу можно создавать довольно просто, но для этого обязательно нужно, чтобы крыло в воздухе двигалось. Решается это по-разному: птицы, например, машут крыльями; планеры используют снижение — сопротивление воздуха преодолевает силой тяжести. Самолету же нужен специальный двигатель. Но, может быть, выгоднее повернуть этот двигатель так, чтобы его тяга компенсировала и тяжесть аппарата? В этом нет необходимости, так как подъемная сила крыла во много раз больше сопротивления воздуха. Отношение получаемой подъемной силы к сопротивлению называется аэродинамическим качеством. В настоящее время для дозвуковых самолетов это отношение достигает 25, а для сверхзвуковых — 7.

Развитие авиации во многом зависит от открытий и изобретений в различных областях науки и техники, и в первую очередь от развития науки обтекании тел газом — аэродинамики. Начала этой науки заложены исследования русских ученых Н. Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, С. А. Христиановича, немецких ученых Р. Прандтля, Т. Кармана и др. Кроме того, большую роль в развитии авиации играют: наука о механике полета, материаловедение, изобретения в промышленности, строящей двигатели, и в приборостроении.

Часто, наблюдая за летящим в небе самолётом, мы задаёмся вопросом, как самолёт поднимается в воздух. Как он летит? Ведь самолёт значительно тяжелее воздуха.

Почему поднимается дирижабль

Мы знаем, что аэростаты и дирижабли поднимает в воздух сила Архимеда . Закон Архимеда для газов гласит: «Н а тело, погружённое в газ, действует выталкивающая сила, равная силе тяжести вытесненного этим телом газа» . Эта сила противоположна по направлению силе тяжести. То есть, сила Архимеда направлена вверх.

Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело находится в равновесии. Если же сила Архимеда больше силы тяжести, то тело поднимается в воздухе. Так как баллоны аэростатов и дирижаблей заполняют газом, который легче воздуха, то сила Архимеда выталкивает их вверх. Таким образом, сила Архимеда является подъёмной силой для летательных аппаратов легче воздуха.

Но сила тяжести самолёта значительно превышает силу Архимеда. Следовательно, поднять самолёт в воздух она не может. Так почему же он всё-таки взлетает?

Подъёмная сила крыла самолёта

Возникновение подъёмной силы часто объясняют разностью статических давлений воздушных потоков на верхней и нижней поверхности крыла самолёта.

Рассмотрим упрощённый вариант появления подъёмной силы крыла, которое располагается параллельно потоку воздуха. 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. По закону Бернулли, чем выше скорость потока, тем ниже давление в нём. 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.

Но в этом случае невозможно объяснить, почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму. Ведь здесь воздушные потоки проходят одинаковое расстояние, и разницы давлений нет.

На практике профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки . А поток воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью такого крыла, скашивается и приобретает движение вниз. Согласно закону сохранения импульса на крыло будет действовать сила, направленная в противоположном направлении, то есть, вверх.

Но эта модель, описывающая возникновение подъёмной силы, не учитывает обтекание верхней поверхности профиля крыла. Поэтому в данном случае величина подъёмной силы занижается.

На самом деле всё намного сложнее. Подъёмная сила крыла самолёта не существует как самостоятельная величина. Это одна из аэродинамических сил.

Набегающий поток воздуха воздействует на крыло с силой, которая называется полной аэродинамической силой . А подъёмная сила - это одна из составляющих этой силы. Вторая составляющая – сила лобового сопротивления. Вектор полной аэродинамической силы – это сумма векторов подъёмной силы и силы лобового сопротивления. Вектор подъёмной силы направлен перпендикулярно вектору скорости набегающего воздушного потока. А вектор силы лобового сопротивления – параллельно.

Полная аэродинамическая сила определяется как интеграл от давления вокруг контура профиля крыла:

Y – подъёмная сила

Р – тяга

dΩ – граница профиля

р – величина давления вокруг контура профиля крыла

n – нормаль к профилю

Теорема Жуковского

Как образуется подъёмная сила крыла, впервые объяснил русский учёный Николай Егорович Жуковский, которого называют отцом русской авиации. В 1904 г. он сформулировал теорему о подъёмной силе тела, которое обтекается плоскопараалельным потоком идеальной жидкости или газа.

Жуковский ввёл понятие циркуляции скорости потока, что позволило учесть скос потока и получить более точное значение подъёмной силы.

Подъемная сила крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла. Направление действия подъемной силы получается поворотом вектора скорости набегающего потока на прямой угол против циркуляции.

Подъёмная сила

Плотность среды

Скорость потока на бесконечности

Циркуляция скорости потока(вектор направлен перпендикулярно плоскости профиля, направление вектора зависит от направления циркуляции),

Длина отрезка крыла (перпендикулярно плоскости профиля).

Величина подъёмной силы зависит от многих факторов: угла атаки, плотности и скорости воздушного потока, геометрии крыла и др.

Теорема Жуковского положена в основу современной теории крыла.

Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигателей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально. Двигатели самолёта создают тягу – силу, направление которой совпадает с направлением движения самолёта и противоположно направлению лобового сопротивления. Тяга толкает самолёт сквозь воздушную среду. При горизонтальном полёте с постоянной скоростью тяга и лобовое сопротивление уравновешены. Если увеличить тягу, самолёт начнёт ускоряться. Но и лобовое сопротивление увеличится тоже. И вскоре они снова уравновесятся. И самолёт будет лететь с постоянной, но большей скоростью.

Если скорость уменьшается, то становится меньше и подъёмная сила, и самолёт начинает снижаться.