Для чего нужны крылья самолету
Почему летает самолет или зачем нужны крылья
С древних времен, наблюдая за полетом птиц, человек сам хотел научиться летать. Желание летать подобно птице нашло отражение в древних мифах и легендах. Одной из таких легенд является легенда об Икаре, который сделал крылья, чтобы взлететь высоко в небо, ближе к лучезарному солнцу. И хотя полет Икара закончился трагически, птицы прекрасно летают, несмотря на то, что они существенно тяжелее воздуха. Через три тысячи лет после возникновения этой легенды, в самом начале ХХ века, был осуществлен первый в истории полет человека на самолете. Этот полет длился всего 59 секунд, а пролетел самолет всего 260 метром. Так сбылась давняя мечта человека о полете. Современные самолеты летают гораздо дальше и дольше. Давайте попробуем разобраться, почему летает самолет, обладающий огромной массой, почему он при этом может летать быстрее, выше и дальше любой птицы, почему планер без мотора может долгое время парить в воздухе.
Несмотря на то, что во время полета, в отличие от птиц, крылья у самолета жестко закреплены на корпусе, самолет летает именно благодаря им, а также двигателям, которые создают силу тяги и разгоняют самолет до необходимой скорости. Сечение крыла самолета очень похоже на сечение крыла птицы. И это не случайно, так как, конструируя самолет, люди, в первую очередь, ориентировались на полет птиц. Во время полета на крыло самолета действуют четыре силы: сила тяги, создаваемая двигателями, сила тяжести, направленная к Земле, сила лобового сопротивления воздуха, препятствующая движению самолета, и, наконец, подъемная сила, которая и обеспечивает набор высоты. Соотношение этих сил и определяет способность самолета летать. При полете с постоянной скоростью сумма этих сил должна быть равна 0: сила тяги компенсирует силу лобового сопротивления, а подъемная сила – силу тяжести. Это важно знать всем, кто увлекается авиамоделированием, чтобы изготовить надежную летающую модель самолета.
Очень важным параметром является угол атаки – угол между хордой крыла (линией, соединяющей переднюю и заднюю кромки крыла) и направлением воздушного потока, обтекающего крыло. Чем меньше угол атаки, тем меньше сила лобового сопротивления, но вместе с тем меньше и подъемная сила, обеспечивающая взлет и устойчивый полет. Поэтому увеличение угла атаки обеспечивает достаточную для взлета и полета подъемную силу. Из-за несимметричности формы крыла воздух над крылом движется быстрее, чем под ним и, согласно уравнению Бернулли, давление воздуха под крылом больше, чем над ним. Однако возникающая при этом подъемная сила недостаточна для взлета, а основной эффект достигается за счет уплотнения воздуха под крылом набегающим потоком, что существенным образом зависит от угла атаки крыла самолета. Меняя угол атаки, можно управлять полетом самолета, эту функцию выполняют закрылки – отклоняемые поверхности, симметрично расположенные на задней кромке крыла. Они используются для улучшения несущей способности крыла во время взлёта, набора высоты, снижения и посадки, а также при полёте на малых скоростях.
Великий русский механик, создатель науки аэродинамики Николай Егорович Жуковский, всесторонне исследовав динамику полета птиц, открыл закон, определяющий подъемную силу крыла. Эта сила определяется разностью давлений над крылом и под ним и рассчитывается по следующей формуле:
где 
‑ плотность воздуха, 
‑ скорость набегающего воздушного потока, 
‑ площадь крыльев самолета, 
‑ скорость циркуляции воздуха возле крыла. Зависимость подъемной силы от угла атаки можно получить, используя закон сохранения импульса:
Похожую формулу для расчета подъемной силы первого в истории человечества самолета использовали братья Райт:
где 
‑ ускорение свободного падения, m – масса самолета.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Зачем самолёту крыло?
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли (у птиц два крыла — каждая «полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом).
Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо (а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Это называется аэродинамическим путём создания подъёмной силы.
Но есть и другой путь — ракетодинамический, когда подъёмная сила создаётся за счёт силы тяги двигателей, превышающей силу тяжести нашей планеты. Как ясно из названия, в основном его используют с ракетными двигателями, поэтому крыльев у ракет обычно и нет. Но ничего не мешает его реализовать и с помощью реактивных моторов. На первый взгляд, такой принцип полёта совсем не выгоден из-за высокого расхода энергии.
Оттого для сверхзвуковых самолётов пытаются сделать крыло покороче, чтобы решить эту проблему.
И чем быстрее летают самолёты, тем более привлекательно окончательно избавиться от крыла. Однако есть одно «но» — самолёту надо по-прежнему садиться и взлетать, а это происходит на очень малых скоростях. И тут использовать крыло, как ни крути, в разы выгоднее, чем смириться с диким расходом топлива для создания подъёмной силы ракетодинамическим путём. В итоге над вопросом о крыле лучшие авиаконструкторы бьются уже более полувека.
Можно попробовать создавать подъёмную силу за счёт фюзеляжа самолёта — но пока даже в теории это совсем не просто, а уж до воплощения идеи в реальность далеко. Другой путь — создать двигатели одновременно и мощные, и экономичные, которые не столь невыгодны на малых скоростях.
Есть и другие идеи, но их всех объединяет общее — пока они не работают.
В итоге крыло сейчас уже даже можно назвать скорее тормозом для развития авиации, но пока отказаться от него возможности нет. И распространение самолётов без крыльев на своём веку мы явно не увидим.
Как летает самолет
Самолет может подняться в воздух, в том случае, если подъемная сила, возникающая при обтекании крыла воздухом превысит силу тяжести.
Для того, чтобы поднять самолет в воздух и получить требуемую подъемную силу, необходимо обеспечить обтекание крыла потоком воздуха, значит самолету для полета необходима скорость.
Самолет разбегается по взлетной полосе и, когда величина подъемной силы будет выше силы тяжести отрывается от земли. Попробуем разобраться, как возникает подъемная сила?
Аэродинамическая сила
При обтекании потокам воздуха пластины, расположенной параллельно линиям тока из-за разности давлений и сил трения, возникает аэродинамическая сила. В данном случае обтекание пластины потоком воздуха симметричное.
Несимметричным оно станет в том случае, если пластину наклонить, возникающая аэродинамическая сила будет направлена под углом к потоку. Угол наклона пластины называют углом атаки.
Разложим аэродинамическую силу на две составляющие:
При увеличении аэродинамической силы будут возрастать как вертикальная, так и горизонтальная составляющая.
Подъемная сила позволяет поднять самолет, а сила лобового сопротивления действует против направления его движения, то есть тормозит его.
Возникновение подъемной силы на крыле самолета
Наиболее благоприятным будет вариант, при котором, при малой силе сопротивления подъемная сила будет большой. Это позволит снизить потребную мощность двигателей, и расход топлива. Для этого создаются крылья несимметричного профиля.
Подъемная сила возникает при несимметричном обтекании профиля крыла потоком воздуха.
Струйки потока обтекают крыло сверху и снизу по разному.
При обтекании верхней выпуклой поверхности крыла из-за инертности струйки воздуха сжимаются, и в соответствии с уравнением неразрывности, скорость движения частиц воздуха.
В результате разницы давлений под крылом и над крылом возникает подъемная сила. Когда подъемная сила будет больше силы тяжести самолет взлетает.
Механизация крыла
Увеличение подъемной силы связано и с увеличением силы лобового сопротивления. Чем выше скорость самолета, тем сильнее сила лобового сопротивления будет тормозить его. Поэтому для полета на больших скоростях необходимо крыло, не вызывающее значительное лобовое сопротивление, подъемная сила у такого него также будет невелика, но когда самолет набрал высоту большая подъемная сила и не нужна.
Для полета на малых скоростях необходимо такое крыло, которое обеспечит максимальную подъемную силу, сила лобового сопротивления такого крыла выше, но на малых скоростях это не так критично.
Получается, что для того, чтобы взлетать на малой скорости, а проводить полет на большой скорости, самолету нужны крылья с разным профилем, или, как минимум, крыло с разными характеристиками. Получить необходимые характеристики на разных этапах полета помогают элементы механизации крыла:
Закрылок
Отклоняемый элемент механизации, расположенный на задней кромке крыла называют закрылком.
Выпуск закрылков позволяет значительно увеличить подъемную силу,при этом возрастает и сила лобового сопротивления.
Закрылки позволяют самолету взлететь на меньшей скорости, и совершать полет на малых скоростях.
Для набора скорости в полете сопротивление необходимо уменьшить, поэтому сначала угол наклона закрылков уменьшается, а затем они и вовсе убираются. В убранном закрылок составляет часть профиля крыла.
В режиме посадки, возрастающее сопротивление при выпуске закрылков позволяет снизить скорость самолета, а возросшая подъемная сила обеспечивает устойчивый полет при снижении скорости.
Предкрылок
Элемент механизации крыла, расположенный на его передней кромке, предназначенный для управления пограничным слоем называют предкрылком. Различают фиксированные предкрылки, жестко связанные с крылом и автоматические предкрылки, которые могут быть прижаты к крылу или выдвинуты в зависимости от угла атаки.
Щиток
Наклон щитка позволяет увеличить подъемную силу. Возрастающее сопротивление позволяет снизить пробег при посадке самолета.
Элементы управления
Вертикальное оперение позволяет обеспечить балансировку, устойчивость и управляемость самолета.
Оперение самолета составляют из неподвижные и подвижные элементы:
Действие рулей основано на изменении аэродинамической силы, при изменении угла наклона по отношению к направлению движения потока воздуха. При изменении угла наклона возникает аэродинамической силы, которая, благодаря плечу относительно центра тяжести самолета, создает вращающий момент.
Руль высоты
При перемещении руля высоты в противоположном направлении, нос самолета опускается вниз, угол тангажа становится отрицательным, самолет пикирует.
Руль направления
При изменении положения руля направления, за счет возникающей аэродинамической силы, появляется момент, поворачивающий самолет относительно нормальной оси. С помощью руля направления можно изменяется угол рысканья самолета.
Руль направления чаще всего используется для корректировки курса самолета при разбеге или пробеге при посадке.
Элероны
Вид криволинейного полета, служащий для изменения направления называют виражом. Для осуществления виража самолет необходимо изменить угол крена, сделать это позволяют элероны.
Элемент управления самолета, расположенный на задней кромке крыла называют элероном.
При крене самолета, из-за изменения режима обтекания крыла, создается центростремительная сила и самолет начинает двигаться по кривой, но демпфирующий момент вертикального оперения противодействует развороту. Для выполнения виража необходимо не только накренить самолет, но и отклонить руль направления в сторону виража, увечить тягу двигателя.
Зачем самолёту крыло?
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли ( у птиц два крыла — каждая « полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом).
Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо ( а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Это называется аэродинамическим путём создания подъёмной силы.
Но есть и другой путь — ракетодинамический, когда подъёмная сила создаётся за счёт силы тяги двигателей, превышающей силу тяжести нашей планеты. Как ясно из названия, в основном его используют с ракетными двигателями, поэтому крыльев у ракет обычно и нет. Но ничего не мешает его реализовать и с помощью реактивных моторов. На первый взгляд, такой принцип полёта совсем не выгоден из-за высокого расхода энергии.
Это так, поэтому особенно на дозвуковых скоростях и правда лучше иметь крыло, а не летать только на тяге своей двигательной установки ( хотя поддерживать высокую скорость не так затратно по топливу, если аппарат её уже набрал).
Но чем больше скорость, тем больше сопротивление воздуха — и тем больше крыло начинает мешать, а не помогать.
Оттого для сверхзвуковых самолётов пытаются сделать крыло покороче, чтобы решить эту проблему.
И чем быстрее летают самолёты, тем более привлекательно окончательно ‘ title=>избавиться от крыла. Однако есть одно « но» — самолёту надо по-прежнему садиться и взлетать, а это происходит на очень малых скоростях. И тут использовать крыло, как ни крути, в разы выгоднее, чем смириться с диким расходом топлива для создания подъёмной силы ракетодинамическим путём. В итоге над вопросом о крыле лучшие авиаконструкторы бьются уже более полувека.
Можно попробовать создавать подъёмную силу за счёт фюзеляжа самолёта — но пока даже в теории это совсем не просто, а уж до воплощения идеи в реальность далеко. Другой путь — создать двигатели одновременно и мощные, и экономичные, которые не столь невыгодны на малых скоростях.
Есть и другие идеи, но их всех объединяет общее — пока они не работают.
В итоге крыло сейчас уже даже можно назвать скорее тормозом для развития авиации, но пока отказаться от него возможности нет. И распространение самолётов без крыльев на своём веку мы явно не увидим.
Зачем самолёту крыло?
Зачем самолёту крыло?
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли (у птиц два крыла — каждая «полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом).
Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо (а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Это называется аэродинамическим путём создания подъёмной силы.
Но есть и другой путь — ракетодинамический, когда подъёмная сила создаётся за счёт силы тяги двигателей, превышающей силу тяжести нашей планеты. Как ясно из названия, в основном его используют с ракетными двигателями, поэтому крыльев у ракет обычно и нет. Но ничего не мешает его реализовать и с помощью реактивных моторов. На первый взгляд, такой принцип полёта совсем не выгоден из-за высокого расхода энергии.
Самолёт без крыла вполне можно сделать. Например, немецкий инженер Александр Липпиш, работая в США, продвигал идею бескрылых самолётов «аэродайнов». Подъёмную силу они должны были создавать только с помощью двигателей
Это так, поэтому особенно на дозвуковых скоростях и правда лучше иметь крыло, а не летать только на тяге своей двигательной установки (хотя поддерживать высокую скорость не так затратно по топливу, если аппарат её уже набрал).
Но чем больше скорость, тем больше сопротивление воздуха — и тем больше крыло начинает мешать, а не помогать.
Оттого для сверхзвуковых самолётов пытаются сделать крыло покороче, чтобы решить эту проблему.
Хороший пример крыла для сверхзвукового полёта — это, конечно же, коротенькое крылышко F-104
И чем быстрее летают самолёты, тем более привлекательно окончательно избавиться от крыла. Однако есть одно «но» — самолёту надо по-прежнему садиться и взлетать, а это происходит на очень малых скоростях. И тут использовать крыло, как ни крути, в разы выгоднее, чем смириться с диким расходом топлива для создания подъёмной силы ракетодинамическим путём. В итоге над вопросом о крыле лучшие авиаконструкторы бьются уже более полувека.
Проект английского бескрылого летательного аппарата Flying Pig. За счёт поворачиваемых сопел он мог бы даже зависать в воздухе. Но преимуществ перед вертолётами не имел, а топливо потреблял как не в себя. Оттого и не был построен
Можно попробовать создавать подъёмную силу за счёт фюзеляжа самолёта — но пока даже в теории это совсем не просто, а уж до воплощения идеи в реальность далеко. Другой путь — создать двигатели одновременно и мощные, и экономичные, которые не столь невыгодны на малых скоростях.
Есть и другие идеи, но их всех объединяет общее — пока они не работают.
Проект истребителя без крыла — подъёмную силу создают фюзеляж и двигатель
В итоге крыло сейчас уже даже можно назвать скорее тормозом для развития авиации, но пока отказаться от него возможности нет. И распространение самолётов без крыльев на своём веку мы явно не увидим.