Как летают самолеты?

Как летают самолёты? Вопрос не так прост, как может показаться. Эта рубрика даёт исчерпывающее объяснение принципов полёта и тонкостей, влияющих на подъёмную силу крыла.

16. Выводы

Как летают самолеты?

Давайте вспомним, что мы узнали и получили некоторое представление о том, как физическое описание даёт нам большую способность понимать принципы полёта. Первое, что мы узнали:

  • Количество воздуха отклоняемого крылом пропорционально скорости крыла и плотности воздуха.
  • Вертикальная скорость отклонённого воздуха пропорциональна скорости крыла и углу атаки.
  • Подъёмная сила пропорциональна количеству отклонённого воздуха, умноженному на вертикальную скорость воздуха.

Читать дальше

15. Экранный эффект земли

Экранный эффект земли

Летательный аппарат, использующий экранный эффект

Другое распространенное явление, которое многие не понимают, это влияние земли. То есть повышение эффективности крыла при полете в пределах высоты, равной длине крыла. Самолёты с низким расположением крыла часто испытывают снижение воздушного сопротивления на 50% перед самым приземлением. Существует много путаницы с эффектом земли. Многие пилоты ошибочно полагают, что экранный эффект является результатом сжатия воздуха между крылом и землей.

Читать дальше

14. Крыльевые вихри

Крыльевые вихри

Часто спрашивают, как выглядит скос с крыла. Скос отрывается с крыла в виде листа и имеет отношение к распределению нагрузки на крыло. На фотографии видны, в виде конденсации, распределение подъёмной силы по крыльям самолёта во время крутого виража. Очевидно, что распределение нагрузки изменяется от основания до конца крыла. Ясно, что количество воздуха в скосе также должно изменяться вдоль крыла. Крыло вблизи основания выдаёт намного больше воздуха, чем на конце.

Читать дальше

13. Мощность и нагрузка на крыло

Рассмотрим теперь связь между нагрузкой на крыло и мощностью. Нужно ли иметь больше мощности, чтобы перевозить больше пассажиров и грузов? И влияет ли нагрузку на скорость сваливания? При постоянной скорости, если нагрузка на крыло увеличивается, вертикальная скорость должна быть также увеличена, чтобы это компенсировать. Это делается за счет увеличения угла атаки. Если общий вес самолёта увеличивается в два раза (например, во время виража при двойной перегрузке), вертикальная скорость воздушного потока увеличивается в два раза, чтобы компенсировать увеличение нагрузки на крыло. Индукционная мощность пропорциональна нагрузке, умноженной на вертикальную скорость, оба эти параметра увеличены в два раза. Поэтому, индукционная мощность должна быть увеличена в четыре раза! То же самое было бы верно, если бы вес самолёта был удвоен, при добавлении топлива и т.д.

Читать дальше

12. Эффективность крыла

Эффективность крыла

При крейсерской скорости, существенная часть воздушного сопротивления является индукционным сопротивлением. Паразитное сопротивление, которое доминирует на крейсерских скоростях, крыла Boeing 747 эквивалентно 1,2-сантиметровому кабелю той же длины. Спрашивается, что влияет на эффективность крыла. Мы видим, что индукционная сила крыла пропорциональна вертикальной скорости воздуха. Если длину крыла увеличить в два раза, размер нашего совка также увеличится вдвое, отклоняя вдвое больше воздуха. Таким образом, для той же подъёмной силы, вертикальная скорость (и, следовательно, угол атаки) должна быть в два раза меньше.

Читать дальше

11. Кривые мощностей

Отношение мощности и скорости

Отношение мощности и скорости

На рисунке показаны кривые мощности для индукционной мощности, паразитной мощности, а суммарная мощность равна сумме индукционной мощности и паразитной мощности. Опять же, индукционная мощность пропорциональна скорости, а паразитная мощность – скорости в кубе. На низкой скорости преобладает индукционная мощность. Чем медленнее летишь, тем меньше воздуха отклоняется, таким образом, угол атаки должен увеличиваться для поддержания той же подъёмной силы. Пилоты практикуют полёты на «обратной стороне кривой мощности», тем самым они признают, что угол атаки и мощность, необходимая для поддержания самолёта в воздухе на очень малой скорости имеют большое значение.

Читать дальше

10. Подъёмная сила и мощность

Крыло

Когда самолет проходит сквозь ранее неподвижный воздух, этот воздух приходит в движение, направленное вниз. Таким образом, воздух остается в движении после того, как самолёт улетел. Воздуху была передана энергия. Мощность – это энергия, или работа, в единицу времени. Следовательно, подъёмная сила нуждается в мощности. Эта мощность даётся двигателем самолёта.

Сколько энергии необходимо нам для полёта? Мощность, необходимая для подъёмной силы, – это работа (энергия) в единицу времени, и поэтому она равна массе воздуха, направленного вниз, помноженной на квадрат скорости этого воздуха. Мы уже говорили, что подъёмная сила крыла пропорциональна массе воздуха, направленного вниз, помноженной на скорость воздуха. Таким образом, мощность, необходимая для подъёма самолёта равна массе, умноженной на вертикальную скорость воздуха. Если скорость самолета удваивается, количество воздуха направленного вниз тоже удваивается. Поэтому, угол атаки должен быть уменьшен, чтобы получить вертикальную скорость, которая производит подъёмную силу, равную начальной. Мощность, необходимая для создания той же подъёмной силы, была сокращена в два раза. Это показывает, что мощность, необходимая для создания той же подъёмной силы, становится меньше при увеличении скорости самолёта. В самом деле, эта мощность, создающая подъёмную силу, пропорциональна скорости самолёта.

Читать дальше

9. Крыло, как воздушный совок

Теперь мы хотели бы представить новый ментальный образ крыла. Люди привыкли представлять крыло в виде тонкого лезвия, прорезающего воздух и производящего подъёмную силу каким-то магическим способом. Новый образ крыла, который мы бы хотели, чтобы вы приняли, напоминает совок, отклоняющий определенное количество воздуха из горизонтального положения примерно на величину угла атаки, как показано на рисунке ниже.

Воздушный совок

Совок можно изобразить в виде невидимой конструкции, устанавливающейся на крыло прямо на авиазаводе. Длина совка равна длине крыла, а высота равна длине хорды (расстоянию от передней кромки крыла до задней кромки). Количество воздуха, захваченного этим совком, пропорционально скорости самолёта и плотности воздуха, и ничему другому.

Читать дальше

8. Зависимость от угла атаки

Есть много типов крыла: обычные, симметричные, применяемые для перевернутого полёта, ранние крылья бипланов, которые были похожи на изогнутые доски, и даже пресловутые амбарные ворота. Во всех этих случаях, крыло вынуждает воздух идти вниз, точнее, тянет воздух сверху вниз. Все эти крылья имеют нечто общее, угол атаки по отношению к встречному воздуху. Именно этот угол атаки является основным параметром, определяющим величину подъёмной силы. Подъёмную силу перевернутого крыла можно объяснить его углом атаки, несмотря на явное противоречие с популярным объяснением, связанным с принципом Бернулли. Пилот меняет угол атаки, таким образом, регулируя подъёмную силу в соответствии со скоростью и нагрузкой. Объяснение подъёмной силы, базирующееся на форме крыла, даёт пилоту в качестве регулятора только скорость.

Читать дальше

7. Вязкость воздуха

Возникает естественный вопрос: «Каким образом крыло отклоняет воздух вниз?» Когда перемещается текучее вещество, такое как воздух или вода, если оно вступает в контакт с изогнутой поверхностью, то оно будет пытаться следовать изгибу этой поверхности. Для демонстрации этого эффекта, поместите стакан горизонтально под текущую из крана воду так, чтобы небольшая струйка воды касалась одной стороны стакана. Вместо того, чтобы течь вертикально вниз, стакан заставляет воду оборачиваться вокруг себя, как показано на рисунке.

Стакан и струйка воды

Читать дальше

6. Вертикальное обтекание

Так как же тонкое крыло отклоняет столько воздуха? Когда воздух огибает верхнюю часть крыла, оно тянет воздух вниз, чтобы заполнить вакуум над крылом. Воздух втягивается сверху для заполнения пустоты. Это втягивание снижает давление над крылом. Это ускорение воздуха над крылом происходит в нисходящем направлении, что и даёт подъёмную силу.

На рисунке виден эффект «вертикального обтекания» на передней кромке крыла. Когда крыло движется, воздух не только направляется вниз в задней части крыла, но и втягивается вверх на передней кромке. На самом деле, эффект «вертикального обтекания» вызывает отрицательную подъёмную силу, поэтому требуется направлять вниз ещё больше воздуха, чтобы компенсировать этот эффект. Эта проблема будет обсуждаться нами позже, когда мы рассмотрим влияние земли.

Читать дальше

5. Крыло как насос

Как утверждают законы Ньютона, крыло должно как-то изменить воздушный поток, чтобы получить подъёмную силу. Изменения в импульсе воздуха будут воздействовать на крыло. Для создания подъемной силы крыло должно отклонять воздух вниз, много воздуха.

Подъемная сила крыла равна изменению импульса воздуха, отклоняемого вниз. Импульс есть произведение массы на скорость. Подъемная сила крыла пропорциональна количеству воздуха, направленного вниз, умноженному на скорость уходящего вниз воздуха. Вот так просто. (Здесь мы использовали альтернативную формулировку второго закона Ньютона, связывающую ускорение объекта с его массой и его силой, F = ма) Для увеличения подъемной силы крыло может либо направлять вниз больше воздуха (увеличивать его массу), либо увеличивать его нисходящую скоростью. Эта нисходящая скорость за крылом называется «скос».

Читать дальше

4. Законы Ньютона и подъёмная сила

Итак, как же создаётся подъемная сила крыла? Для начала, чтобы это понять, мы должны вернуться к школьной физике и вспомнить первый и третий законы Ньютона. (Мы расскажем о втором законе Ньютона чуть позже.) Первый закон Ньютона гласит, что тело в покое будет оставаться в состоянии покоя, а тело в движении будет продолжать прямолинейное движение, пока не подвергнется приложению внешней силы. Это означает, что, если кто-то видит изгиб в потоке воздуха, или если первоначально неподвижный воздух приходит в движение, то есть сила, воздействующая на него.

Третий закон Ньютона гласит, что для каждого действия есть равное и противоположное противодействие. В качестве примера возьмём предмет, лежащий на столе. Он оказывает силовое воздействие на столе своим весом, и стол противодействует этой силе, оказывая равное и противоположное по направлению воздействие на предмет, в результате предмет остаётся на месте. В целях создания подъемной силы крыло должно делать что-то с воздухом. То, что делает крыло с воздухом – это действие, а подъемная сила – это противодействие на это действие.

Читать дальше

3. Недостатки принципа равного транзита

Но, кто говорит, что разделённые потоки воздуха должны сходиться на задней кромке в одно и то же время? На рисунке ниже показан воздушный поток над крылом в аэродинамической трубе. При моделировании в камеру периодически вводится цветной дым. Видно, что воздух, который идёт поверх крыла, сходит с задней кромки значительно раньше воздуха, который идёт под крылом. В самом деле, при близком осмотре видно, что воздух под крылом замедляется по сравнению со скоростью «свободного потока».

Недостатки принципа равного транзита

Моделирование воздушного потока над крылом в аэродинамической трубе, с цветным дымом, показывающим ускорение и замедление воздуха.

Читать дальше

2. Популярное объяснение подъемной силы

Студентов, изучающие физику и аэродинамику, учат, что самолеты летают из-за принципа Бернулли, который гласит, что если воздух ускоряется, давление снижается. Таким образом, крыло производит подъёмную силу, поскольку воздух быстрее проходит сверху крыла, создавая область низкого давления, и, следовательно, поднимает крыло. Это объяснение обычно удовлетворяет любопытных, и мало кто с этим спорит. Некоторые могут задаться вопросом, почему воздух идет быстрее над верхней частью крыла, вот это и есть слабое место этого объяснения.

Для того, чтобы объяснить, почему воздух идет быстрее над верхней частью крыла, многие прибегают к упрощённой схеме. Обычно утверждается, что когда воздух разделяется на передней кромке крыла, поток, который идёт поверх крыла, должен сходиться на задней кромке с тем потоком, который проходит снизу. Это так называемый «принцип равного транзита».

Читать дальше

1. Физическое описание подъёмной силы

Подъёмная сила крыла

Почти все люди в наше время хотя бы раз летали в самолёте. Многие задаются простым вопросом: «Каким образом летают самолеты?» Получаемый ответ часто вводит в заблуждение и бывает просто неправильным. Мы надеемся, что ответ на этот «вечный» вопрос, представленный на нашем сайте, развеет многие неверные представления о подъёмной силе и даст вам исчерпывающие данные, так что вы сами сможете объяснить явление подъёмной силы другим людям.

Читать дальше

Последние материалы

Полковник Даниэль Ле Рой дю Вивье
Даниэль Ле Рой дю Вивье родился в Амерсфорте (Голландия) 13 января 1915 года. 31 июля 1935 года, после обучения на факультете коммерческих наук в Католическом университете Левена, Ле Рой дю... >>
Жан де Сели-Лоншан
Жан де Сели-Лоншан, бельгиец, родился в 1911 году. Он, как и многие другие, покинул страну после капитуляции 28 мая 1940 года (король, главнокомандующий армии, решил избежать ненужного кровопролития). Чтобы продолжить... >>
Жан Оффенберг (продолжение)
Оффенберг вступил в РАФ 30 июля, и прибыл в Саттон-Бридж в тот же день, чтобы пройти обучение в 6-й авиашколе. Здесь он переучился на пилота Харрикейна и 17 августа был... >>
RJStech.com 2010—2013©

Воспроизведение, полное и частичное цитирование материалов должно сопровождаться прямой иактивной гиперссылкой на портал RJStech.com.