→ По какому закону летают самолеты. Почему самолеты летают? Пилотирование самолета: куда косит поток

По какому закону летают самолеты. Почему самолеты летают? Пилотирование самолета: куда косит поток

Самолеты, особенно вблизи, впечатляют своими г абаритами и ма ссой. Остается при этом не понятным, как такой громоздкий и тяжелый объект поднимается в небесную высь. Притом, ответить на это могут даже не все взрослые, а вопросы детей частенько способны поставить в тупик. Возникновение подъёмной силы часто объясняют разностью статических давлений воздушных потоков на верхней и нижней поверхности крыла самолёта.

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. 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
Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигате

лей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх. Каждый из вас делал, наверное, бумажные самолетики и с силой запускал их. Современный самолет, даже весом в десятки тонн, его крыло должно иметь достаточную площадь. На подъемную силу крыла влияет множество параметров, таких как профиль, площадь, форма крыла в плане, угол атаки, скорость и плотность воздушного потока. Каждый самолет имеет свою минимальную скорость, при которой он может взлетать и лететь, не падая. Так, минимальная скорость современных пассажирских самолетов находится в пределах от 180 до 250 км/ч. Для того чтобы подъемная сила смогла поднять в воздух Именно если такой самолетик с силой бросить вверх, он может далеко полететь, а если пустить слегка — упадет сразу же на землю. Значит, чтобы бумажный самолетик удерживался в воздухе, он должен постоянно двигаться вперед. Большие самолеты двигаются вперед за счет мощных двигателей, вращающих пропеллер. Быстро вращающийся пропеллер выбрасывает за себя огромные массы воздуха, обеспечивая поступательное движение самолета.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально.

При создании самолета крылу уделяется огромное внимание, потому что именно от него будет зависеть безопасность выполнения полетов. Глядя в иллюминатор, пассажир замечает, что оно гнется и вот-вот сломается. Не бойтесь, оно выдерживает просто колоссальные нагрузки.
Если откажет двигатель самолета - ничего страшного, самолет долетит на втором. Если отказали оба двигателя

История знает случаи, что и в таких обстоятельствах садились на посадку. Шасси? Ничего не мешает самолету сесть на брюхо, при соблюдении определенных мер пожарной безопасности он даже не загорится. Но самолет никогда не сможет лететь без крыла.

Почему самолеты летают так высоко?

Потому что именно оно создает подъемную силу. Высота полета современных реактивных самолетов находится в пределах от 5000 до 10000 метров над уровнем моря. Это объясняется очень просто: на такой высоте плотность воздуха намного меньше, а, следовательно, меньше и сопротивление воздуха. Самолеты летают на больших высотах, потому что при полете на высоте 10 километров самолет расходует на 80% меньше горючего, чем при полете на высоте в один километр. Однако почему же тогда они не летают еще выше, в верхних слоях атмосферы, где плотность воздуха еще меньше? Дело в том, что для создания необходимой тяги двигателем самолета необходим определенный минимальный запас воздуха. Поэтому у каждого самолета имеется наибольший безопасный предел высоты полета, называемый также «практический потолок». К примеру, практический потолок самолета Ту-154 составляет около 12100 метров.

Почему самолету нужно сжечь все топливо перед посадкой?

Резюмируя, можно сказать, что самолет дожигает топливо для того, чтобы нагрузка на шасси при посадке не превосходила максимальную, в противном случае шасси просто не выдержит.
При проектировании самолета (как гражданского, так и военного, кстати) и в частности его шасси всегда есть такой параметр, как максимальная посадочная масса. Совершенно очевидно, что это максимальная масса, которую выдержит шасси при посадке. Когда самолет готовят к выполнению задания в него заливают столько топлива, что бы долететь до запланированного места посадки + навигационный запас топлива. Когда все штатно, топливо не сливают. Если экипаж принял решение сажать машину, а ее масса превышает максимальную посадочную, то от топлива избавляются. Особенно часто такие ситуации происходят в случае серьезного отказа сразу после взлета. Так же следует заметить, что не все самолеты просто «дожигают» топливо, чтобы «сбросить вес», некоторые оборудованы системой аварийного слива топлива.

Многие боятся упасть вниз с высоты 10 км. Это невозможно из-за сильного давления под крыльями самолета. Он держится на воздухе не хуже, чем машина на шоссе. Его можно поставить на хвост, повернуть вокруг своей оси на 100 градусов, направить вниз — и если отпустить штурвал, то самолет просто будет покачиваться в воздухе, как лодка на волнах.

Довольно странно наблюдать, как многотонная машина легко поднимается со взлетной полосы аэродрома и плавно набирает высоту. Казалось бы, поднять столь тяжелую конструкцию в воздух задача невыполнимая. Но, как видим, это не так. Почему самолет не падает, и за счет чего летит?

Ответ на этот вопрос лежит в тех физических законах, которые позволяют поднять в воздух летательные аппараты. Они верны не только в отношении планеров и легких спортивных самолетов, но и в отношении многотонных транспортных лайнеров, которые способны нести дополнительную полезную нагрузку. И вообще уж фантастическим, кажется полет вертолета, которые может не только двигаться по прямой линии, но и зависать на одном месте.

Полет летательных аппаратов стал возможен, благодаря совокупному использованию двух сил – подъемной, и силы тяги двигателей. И если с силой тяги все более или менее понятно, то с подъемной силой все обстоит несколько сложнее. Несмотря на то, что с этим выражением мы все хорошо знакомы, объяснить его может не каждый.

И так, какова природа появления подъемной силы?

Давайте внимательно посмотрим на крыло самолета, благодаря которому он и может держаться в воздухе. Снизу оно совершенно плоское, а сверху имеет сферическую форму, с выпуклостью наружу. Во время движения самолета воздушные потоки спокойно проходят под нижней частью крыла, не претерпевая каких — либо изменений. Но чтобы пройти над верхней поверхностью крыльев, воздушный поток должен сжаться. В результате мы получаем эффект продавленной трубы, сквозь которую должен пройти воздух.

Чтобы обогнуть сферическую поверхность крыла, воздуху понадобится больше времени, нежели при его прохождении под нижней, плоской поверхностью. По этой причине над крылом он движется быстрее, что, в свою очередь, приводит к возникновению разности давлений. Под крылом оно значительно больше, нежели над крылом, из-за чего и возникает подъемная сила. В данном случае действует закон Бернулли, с которым каждый из нас знаком со школьной скамьи. Самое главное в том, что разность давлений будет тем больше, чем выше скорость движения объекта. Вот и получается, что подъемная сила может возникать лишь при движении самолета. Она давит на крыло, заставляя его подниматься.

По мере разгона самолета по взлетной полосе, увеличивается и разность давлений, что приводит к возникновению подъемной силы. С набором скорости она постепенно растет, сравнивается с массой самолета, и как ее превысит, он взлетает. После набора высоты, пилоты уменьшают скорость, подъемная сила сравнивается с весом самолета, что заставляет его лететь в горизонтальной плоскости.

Чтобы самолет двигался вперед, его оснащают мощными двигателями, которые гонят воздушный поток в направлении крыльев. С их помощью можно регулировать интенсивность воздушного потока, а, следовательно, и силу тяги.

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.


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:

  1. Угла атаки
  2. Несимметричного профиля крыла

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.

Интересно:

Сила тяжести и гравитация - интересные факты, описание, фото и видео

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.

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.

Управление самолетом совершенно не похоже на управление автомобилем. Штурвал пилота предназначен для отклонения вверх и вниз и создания крена. “На себя” – это набор высоты. “От себя” – это снижение, пикирование. Для того, чтобы повернуть, изменить курс, нужно нажать на одну из педалей и штурвалом наклонить самолет в сторону поворота… Кстати, на языке пилотов это называется “разворот” или “вираж”.

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.

Интересно:

Почему звезды не падают? Описание, фото и видео

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.

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.

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

– 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.

 

 

Это интересно: