Юрий Тарасенко Дебютант

Почему самолет держится в воздухе? Аэродинамика «на пальцах»

Один мой очень хороший товарищ, авиационный инженер-эксплуатационник (тоже, кстати, неплохой), любит повторять, глядя на стремительно взлетающий самолет и полушутя-полусерьезно толкая меня вбок: «Слушай! Ну, я все понимаю: законы природы, физика, там, подьемная сила… Но ты мне все-таки скажи, как эта „дура“ держится в воздухе, да еще и летает. Ведь в ней же сорок тонн веса?!»

Взлет Су-24 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 ее законам, 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 подьемной силы да еще силы тяги двигателя.

Обтекание профиля Словосочетание «подьемная 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.

«Продавленные трубы» 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 подьемная сила. Как только она становится больше веса — ура! Мы в воздухе! Мы летим! И, кстати, чем выше наша скорость, тем больше подьемная сила. Если же в дальнейшем подьемная 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.

Распределение давления воздуха на профиль крыла 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 подьемную 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 подьемной 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.

  Вертолет Ми-24 Кстати, хочу заметить, что винты самолетов с винтовыми двигателями (турбо или поршневыми) сродни вертолетным и используют тот же принцип (догадались какой?). Только подьемная 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.

И авиационная наука на самом деле столь же сложна, сколь и интересна. Но в основе ее лежит, вобщем-то, простой физический принцип образования подьемной силы, суть которого, при желании, можно очень легко обьяснить, и который, тем не менее, помогает осуществить вековое стремление человечества к полету…

Обновлено 18.09.2008
Статья размещена на сайте 10.08.2008

Комментарии (26):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети:

  • Pavel Mn Читатель 25 апреля 2017 в 11:21 отредактирован 23 мая 2018 в 12:25

    Автор данной статьи не одинок в своих заблуждениях. Его научили тому, что поток сжимается над крылом, что он проходит более длинный путь и в результате - ускоряется. Потом его научили тому что: Там где скорость больше давление меньше (якобы это уравнение Бернулли). И он в этой статье повторяет все эти глупости под флагом науки Физики.
    А наука Физика говорит о том, что Расстояние деленное на Время не создает Скорость, Скорость может создать только приложенная Сила. А уравнение Бернулли говорит о том, что при увеличении Скорости потока Полное давление остается неизменным и не зависит от этой самой скорости.
    Поэтому лист фанеры будет иметь точно такую же Подъемную силу как и крыло, а качество у него будет лучше чем у крыла, так как он тоньше. И поток над крылом не ускоряется, т.к. нет никакого потока и уравнение Бернулли к образованию подъемной силы не имеет никакого отношения.
    Так что, те из Вас кто пишет, что вам все понятно - учите Физику и начните со Второго закона Ньютона.

    P.S. Вопрос для самых умных:

    Fy = ½*ρ*V²*S*Cy – это формула Подъемной силы


    Вопрос первый: Какую скорость потока подставлять в формулу? Под крылом или Над крылом?
    Вопрос второй: Если скорость под крылом 40м/сек, то какая скорость над крылом (приблизительно)?
    Вопрос третий: Скорость в формуле стоит в числителе, значит при увеличении скорости будет расти Давление потока и как его производная и Сила. Более того при увеличении скорости в два раза Сила вырастит в четыре! Так как эта формула согласуется с фразой: Там где скорость больше – Давление меньше. И там где – это где?

  • Юрий Тарасенко, объясняли бы в школе физику так, как Вы статью написали... эх...

  • Очень хорошо написано!

    Оценка статьи: 5

  • Василий Безукладников Читатель 20 августа 2009 в 22:24 отредактирован 23 мая 2018 в 08:06
    Объясните "на пальцах"!

    Не могу понять, почему переднюю кромку крыла самолёта (за исключением сверх-звуковых) делают всегда тупой и закруглённой? Это же сильно увеличивает лобовое сопротивление самолёта. Мне кажется, что если бы заднюю заострённую кромку крыла самолёта чуть приподнять над горизонтальной плоскостью и двигать крыло назад, то подъёмной силы было бы куда больше, а, тем более, скорость самолёта увеличилась бы благодаря снижению лобового сопротивления.

    • Василий Безукладников, Ваш вопрос слегка "выползает" за рамки "объяснения на пальцах", но все же попробую. Говорить в этой ситуации только о снижении лобового сопротивления было бы, я думаю, несколько некорректно. При движении летательного аппарата в воздушной среде на него действуют аэродинамические силы, в том числе и лобовое сопротивление (от этого никуда не деться), и задача авиаконструктора при создании самолета - оптимизировать воздействие этих сил, чтобы самолет мог выполнить те функции, для которых он создавался. А функции эти могут быть очень разными. Не всегда для самолета важна большая скорость. Часто бывает более важной маневренность, дальность полета или хорошие взлетно-посадочные характеристики. На все это напрямую влияет форма профиля крыла. Профилей существует множество, и все они математически рассчитаны из соображений оптимальности для данного режима полета. Обтекание, например, и формирование аэродинамических сил на дозвуке и сверхзвуке сильно отличается. И поэтому у скоростного, высотного перехватчика МИГ-25П, для которого важна большая скорость, крыло очень тонкое с острой кромкой. Быстрее его не летает ни один самолет, но зато он никогда не сможет участвовать в маневренном воздушном бою и не сможет взлететь с маленькой площадки или сесть на нее. А штурмовик СУ-25 - его прямая противоположность и профиль крыла у него тот самый "толстый". Су-27 - посередине между ними. Практически у всех дозвуковых самолетов профиль "толстый" и у него как раз тенденция к созданию подъемной силы выше, чем к созданию лобового сопротивления (если, конечно, он правильно рассчитан). Оптимальность!
      По поводу Вашей идеи насчет задней кромки... Подъемная сила конечно будет. Тем более, что приподнимая кромку, Вы создаете определенный угол атаки. Но могу сказать точно, что сила эта будет мала и неэффективна, потому что отсутствуют правильная кривизна профиля и правильное приложение силы в нужной точке (а это тоже очень важно). Пожалуй все... Надеюсь я не очень намудрил

      • почему переднюю кромку крыла самолёта (за исключением сверх-звуковых) делают всегда тупой и закруглённой? Это же сильно увеличивает лобовое сопротивление самолёта.

        Ну, особой разницы (для неспециалистов) нет - если вы сведете к минимуму лобовое сопротивление, то активизируются отсасывающие сзади силы.

        Оценка статьи: 5

  • Юрий Тарасенко, хорошо написано, понятно.

    Оценка статьи: 5

  • Юрий Тарасенко, И чему все удивляются? Это же материал учебника физики за 7 или 8 класс. Когда я учился в школе в 50-х было именно так.

  • Понравилось

    Довльно познавательно ставлю 5

    ps А мою статью читать не хотят(

    Оценка статьи: 5

  • Алексей Владимирович Климиксеев Читатель 21 сентября 2008 в 21:17 отредактирован 21 мая 2018 в 19:18
    Автор либо ошибся, либо не знает

    Автор либо ошибся, либо не знает, что у вертолета ось вращения несущего ротора ПОСТОЯННО в одном положении. Наклон оси вращения создается исключительно за счет автомата перекоса, который меняя угол атаки лопасти в набегающем и сбегающем потоках заставляет лопасть махать.
    Вертолет управляется общим шагом (вверх) и циклическим шагом (перемещение по горизонтали), поворот при помощи хвост. винта.

    • Автор не ошибся и достаточно осведомлен

      Автор не ошибся и достаточно хорошо осведомлен. Он прекрасно знает что такое автомат перекоса и как он работает, и уж тем более как управляется вертолет. Автор советует внимательнее читать заголовок статьи, которая, собственно, имеет другую цель, нежели лекция на тему "Управление вертолетом". А еще советую почитать материал "Что такое хорошая статья".....

  • Спасибо! Про форму крыла - какая идея красивая, удивительно!))
    Скажите, пожалуйста, а вот у старых бипланов - у них же вроде поверхность крыла плоская... или это кажется так только?

    • На самом деле это это только кажется. У них тоже есть свой профиль. Рассчитанных математически типов профилей достаточно много, но основополагающий принцип все тот же. А вообще-то подьемную силу может вполне успешно создавать и совершенно плоская поверхность. Но тут уже вводится понятие угла атаки и сам вопрос несколько усложняется. Хотя опять же должен сказать, что основной принцип сохраняется...

  • А вот есть аппараты, которые взлетают вертиально за счёт реактивной струи, потом сопло направляется немного в сторону, и они продолжают полёт в горизонтальном направлении.

    • Совершенно верно.Есть аппараты (самолеты), которые оснащены сразу двумя типами двигателей. Первый тип, подьемные, работают только во время и для вертикального взлета и посадки. Второй тип, маршевые, служат для движения вперед, т.е., собственно для полета. Яркий представитель такого рода аппаратов - старый советский истребитель корабельного базирования ЯК-38.
      А есть гораздо более совершенные самолеты, у которых направление вектора тяги может меняться на 90 градусов от вертикального до горизонтального за счет поворотных сопел. Такой принцип использован в конструкции самолетов типа "Харриер". Они могут могут взлтать как вертикально, так и с небольшим разбегом.

  • С почином!

    Оценка статьи: 5

  • Летать-то они летают, да что ж всё падают?

  • Ну и? и почему все таки это все - летает?

    Оценка статьи: 5