Как летает самолет физика

5-2 Статьи

Самолет относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха. Это означает, что для его полета нужны определенные условия, сочетание точно рассчитанных факторов. Полет самолета – это результат действия подъемной силы, которая возникает при движении потоков воздуха навстречу крылу. Оно повернуто под точно рассчитанным углом и имеет аэродинамическую форму, благодаря которой при определенной скорости начинает стремиться вверх, как говорят летчики – “становится на воздух”.

Разгоняют самолет и поддерживают его скорость двигатели. Реактивные толкают самолет вперед за счет сгорания керосина и потока газов, вырывающихся из сопла с большой силой. Винтовые двигатели “тянут” самолет за собой.

Как возникает подъемная сила?

Как возникает подъемная сила?

Крыло современных самолетов является статичной конструкцией и само по себе не может самостоятельно создавать подъемную силу. Возможность поднять многотонную машину в воздух возникает только после поступательного движения (разгона) летательного аппарата с помощью силовой установки. В этом случае крыло, поставленное под острым углом к направлению воздушного потока, создает различное давление: над железной пластиной оно будет меньше, а снизу изделия – больше. Именно разность давлений приводит к возникновению аэродинамической силы, способствующей набору высоты.

Подъемная сила самолетов состоит из следующих факторов

Наклон металлической пластины (крыла) к воздушному потоку принято называть углом атаки. Обычно при подъеме самолета упомянутое значение не превышает 3-5°, чего достаточно для взлета большинства моделей самолетов. Дело в том, что конструкция крыльев с момента создания первого летательного аппарата претерпела серьезные изменения и сегодня представляет собой несимметричный профиль с более выпуклым верхним листом металла. Нижний лист изделия характеризуется ровной поверхностью для практически беспрепятственного прохождения воздушных потоков.

Схематично процесс образования подъемной силы выглядит так: верхним струйкам воздуха нужно пройти больший путь (из-за выпуклой формы крыла), чем нижним, при этом количество воздуха за пластиной должно остаться одинаковым. В результате верхние струйки будут двигаться быстрее, создавая согласно уравнению Бернулли область пониженного давления. Непосредственно различие в давлении над и под крылом вкупе с работой двигателей помогает самолету набрать требуемую высоту. Следует помнить, что значение угла атаки не должно превышать критической отметки, иначе подъемная сила упадет.

Как управляют самолетом?

Как управляют самолетом?

Крыла и двигателей недостаточно для управляемого, безопасного и комфортного полета. Самолетом нужно управлять, при этом точность управления более всего нужна во время посадки. Летчики называют посадку управляемым падением – скорость самолета снижается так, что он начинает терять высоту. При определенной скорости это падение может быть очень плавным, приводящим к мягкому касанию колесами шасси полосы.

Для разворота и стабилизации полета в хвосте самолета расположен вертикальный киль. А находящиеся под ним и над ним небольшие “крылья” – это горизонтальные стабилизаторы, которые не позволяют огромной машине бесконтрольно подниматься и опускаться. На стабилизаторах для управления имеются подвижные плоскости – рули высоты.

Для управления двигателями между креслами пилотов находятся рычаги – при взлете они переводятся полностью вперед, на максимальную тягу, это взлетный режим, необходимый для набора взлетной скорости. При посадке рычаги отводят полностью назад – в режим минимальной тяги.

Многие пассажиры с интересом смотрят, как перед посадкой задняя часть огромного крыла вдруг опускается вниз. Это закрылки, “механизация” крыла, которая выполняет несколько задач. При снижении полностью выпущенная механизация тормозит самолет, чтобы не дать ему слишком разогнаться. При посадке, когда скорость очень невелика, закрылки создают дополнительную подъемную силу для плавной потери высоты. При взлете они помогают основному крылу удерживать машину в воздухе.

Чего не нужно бояться в полете?

Есть несколько моментов полета, способных напугать пассажира – это турбулентности, прохождение через облака и хорошо видимые колебания консолей крыла. Но это совершенно не опасно – конструкция самолета рассчитана на огромные нагрузки, гораздо больше тех, что возникают при “болтанке”. К подрагиванию консолей следует относиться спокойно – это допустимая гибкость конструкции, а полет в облаках обеспечивается приборами.

Самолет не боится удара молнии. Атмосферный разряд протекает только по его поверхности, поэтому могут на минуту отключиться какие-то приборы. Они снова включаются, и полет продолжается в обычном режиме. А неприятности в полете могут доставить птицы, грозовые облака, их называют “фронты”, и сильный боковой ветер при посадке.
Попадание птицы в двигатель останавливает его, в грозовых облаках, которые лайнеры стараются обойти, очень мощные воздушные потоки, способные опрокинуть самолет, а боковой ветер сдувает самолет с полосы.

Современные лайнеры – это настоящие воздушные корабли, устойчивые и полностью автоматизированные. Они летают по строго определенным маршрутам, “коридорам” пролета, под постоянным контролем с земли, а для того, чтобы самолеты расходились, имеются эшелоны – заданные для полета высоты. Они никогда не пересекаются. Но организация полетов и управление воздушным движением – это особая, очень большая и интересная тема.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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.

Летать по небу, как птицы, было давней мечтой человечества. Из чего только не старались люди мастерить себе крылья. Пробовали перья и кожу, тонкие веточки, бумагу. Но понадобились тысячи лет, чтобы понять: само по себе наличие крыльев еще не даёт нам взлететь. Человеку не хватит сил поднять себя в воздух и, тем более, удержаться в вышине. Только к концу 19 века открытия в области естественных наук и технический прогресс позволили приблизиться к заветной цели. Не размахивать крыльями посильнее, а заставить их двигаться относительно воздуха, образуя подъемную силу.

Почему самолёты летают

В 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс доказал, что аэродинамика у выгнутой формы значительно больше, чем у плоской. А ведь птичьи крылья тоже имеют выпуклое строение. Воздух над выступающей частью как бы «теряет давление» и давит на крыло меньше, чем снизу. Разница давлений тянет птицу и самолёт вверх, словно выталкивает их. Это явление называется подъёмная сила. Когда она становится больше веса летательного аппарата, тот взмывает в вышину.

В 1904 году, рассчитав подъемную силу, выдающийся русский физик Николай Жуковский открыл воздушную науку, аэродинамику, и превратил мечту о покорении неба в реальность.

Во время полёта на крыло самолёта действуют четыре силы: сила тяги, создаваемая двигателями, сила тяжести, направленная к Земле, сила лобового сопротивления воздуха, препятствующая движению самолета, и, наконец, подъёмная сила, которая и обеспечивает набор высоты. При полёте с постоянной скоростью сумма сил должна быть равна 0: сила тяги компенсирует силу лобового сопротивления, а подъемная ― силу тяжести.

Строение крыла не просто важно, оно и делает возможным полёт воздушного средства, независимо от габаритов и веса. Вы спросите, а как же хвост? Он тоже нужен, чтобы сохранять в воздухе равновесие.

Итак, подъемная сила удерживает летательный аппарат на высоте. Для ее появления необходимо движение, то есть, скорость. Помните, как летит воздушный змей? Вам придётся хорошо разогнаться, чтобы поднять его в воздух. Но стоит остановиться, как он тут же упадет. Набирать скорость и поддерживать подъемную силу самолёту помогают двигатели.

5-3965471

Крыло Airbus A350-1000, самолёта с ультрасовременной аэродинамикой.

Скорость

«Илья Муромец» Сикорского, первый пассажирский самолёт России, передвигался между облаков со скоростью 105 км/час. Сейчас он бы создал пробку на любом скоростном шоссе!

Современные авиалайнеры набирают, в среднем, 800-1000 км/час. А сверхзвуковые Конкорды без труда разгоняются до 2000 км/час и более. Эра небесных скоростей началась с появлением реактивных двигателей. Они выпускают струю горячего газа и тянут воздушное средство вперед с такой силой, что на земле можно было бы перевернуть вверх тормашками большой самосвал. Представьте, как воздушный шар резко взмывает вверх, выпуская струю воздуха, и поймете, как именно работает реактивный двигатель.

Сегодня, когда весь мир озадачен переходом на электрическую тягу, авиация не отстаёт. Компания Rolls-Royce уже представила полностью электрический самолет Spirit of Innovation. Он совершил первый полет, пробыв в воздухе 15 минут. Ожидается, что проектная скорость пассажирского самолёта на аккумуляторах составит не менее 500 км/час.

Итак, самолёты летают по воздуху на разных скоростях и не падают благодаря наличию аэродинамических крыльев, подъемной силы и тяги, которую обеспечивают двигатели. Интересно, что современный авиалайнер способен лететь даже на одном двигателе несколько часов. Это увеличит расход топлива, снизит высоту, но не повлияет на безопасность полёта.

2-8122219

ИЛ -76 ЛЛ, потомок самого популярного в СССР реактивного самолёта ИЛ-76

Высота

При полете на отметке 10 000 м воздушное судно тратит на 80% меньше горючего, чем при полете с такой же скоростью, но на высоте 1 км. Чем выше расстояние от земли, тем ниже плотность воздуха. Самолёту легче преодолевать сопротивление воздушных потоков.

Может тогда стоит подниматься ещё выше? Увы, для создания тяги двигателю необходим минимальный запас воздуха. Для человека дыхание становится затрудненным на высоте 5 км и совсем невозможным на 9-ти км над уровнем моря. У каждого самолёта тоже есть атмосферный предел высоты. Он называется «практический потолок». Например, для Ту-154 или Airbus он приблизительно одинаков и составляет около 12000 метров.

4-9643361

Airbus A350-1000 на МАКС-21, Жуковский

Авиалинии и аэропорты

Воздушные маршруты известны и согласованы. Некоторые из них соединяют соседние города и длятся не более 30-ти минут, включая взлёт и посадку. Другие такие длинные, что их можно назвать чемпионскими.

В мире существует 3 самых долгих авиамаршрута:

Рекорд же принадлежит рейсу Лондон-Сидней. Самолёт Боинг-787 Dreamliner совершил его за 19 часов и 19 минут, пролетев без посадки через воздушное пространство 11-ти стран.

Где самолёты не летают

3-3751849

В кабине Airbus A220-300

Явление это назвали «флаттер».

С 1935 года вплоть до начала Второй мировой войны только в Германии произошло свыше 100 катастроф, вызванных флаттером.

Падали самолеты, гибли их экипажи. Опытным путем, продувая модели в аэродинамической трубе на больших скоростях, добивались отсутствия эффекта флаттера на модели самолета для рабочих скоростей данного истребителя или бомбардировщика.

Первые случаи эффекта флаттера были известны еще в 20-е годы, но особенно часто и сильно флаттер начал проявляться с середины 30-х. Самолеты 20-х годов не могли достичь тех скоростей, которые делали эффект флаттера взрывным, разрушая самолет за считанные секунды.

178537_intext-6594099

Марк Лазаревич Галлай

Марк Галлай, летчик-испытатель, Герой Советского Союза, получивший звание за испытания новейших самолетов, описывает эффект флаттера, который он видел сам во время испытаний самолета на максимальную скорость.

Представьте себе современнейший по тем временам цельнометаллический самолет, оснащенный мощнейшими двигателями и, по расчетам, способный развить рекордную скорость — до 500 км/час.

Марк Галлай был не только летчиком-испытателем, но и талантливым инженером, он подготовился именно к этому. Рычаг газа был поставлен на пружину, которая стремилась уменьшить газ, для удержания или увеличения скорости пилот все время должен был прикладывать силу к рычагу газа.

Как только начался флаттер и пилот потерял возможность управлять самолетом, пружина резко уменьшила газ, самолет быстро потерял скорость, вышел из флаттера и смог вернуться на базу. Но рекордная машина уже не была зализанной и гладкой — ее обшивка на крыльях очень сильно покоробилась, и это всего за пару секунд флаттера.

Со временем увеличение посадочной скорости самолетов выявило еще один эффект. Его назвали «шимми».

Садиться самолету на аэродром в таком случае было смертельно опасно. Во избежание возникновения эффекта «шимми» передние стойки шасси тоже продували в аэродинамической трубе, добиваясь отсутствия этого опасного явления.

Скорости самолетов все увеличивались. В СССР целая группа ученых проводила исследование и флаттера, и шимми. Каждую новую модель самолета продували в аэродинамической трубе и добивались отсутствия резонанса на больших скоростях полета — для каждой модели это делали отдельно. Одновременно с практическими испытаниями ученые в СССР вели теоретические работы по определению причин возникновения флаттера, дабы самолеты могли избежать его.

178538_intext-2190380

Мстислав Всеволодович Келдыш

В 1945 году М. В. Келдыш создал теорию флаттера и шимми. Самолеты, спроектированные с учетом этой теории, не имели проблем флаттера. Ученый за разработку теории в 1946 году получил Сталинскую премию.

Как ни странно, но даже после того, как была разработана теория возникновения флаттера и предложены математические инструменты, позволяющие избежать этого опасного явления, все же нашлись умные фирмы, строившие свои надежные самолеты без учета теории флаттера.

С 40-х до начала 60-х годов в США произошло более 100 случаев летных происшествий, связанных с флаттером.

Потери фирмы от этих двух катастроф составили свыше $ 100 млн. Однако фирма выстояла и самолеты этого типа летают до сих пор. Вот только людей, погибших из-за ошибок проектирования, жалко.

В теории проблема шимми и флаттера была решена еще в 1945 году. Но осталась еще одна проблема — затягивание в пикирование при полете на околозвуковой скорости.

Оцените статью
RusPilot.com