За счет чего летит самолет

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

Источник

Как и почему летают самолеты

Наверно, нет человека, который глядя, как летит самолёт, не задавался вопросом: «Как он это делает?»

Люди всегда мечтали летать. Первым воздухоплавателем попытавшимся взлететь с помощью крыльев, можно, наверное, считать Икара. Затем, на протяжении тысячелетий у него было множество последователей, но настоящий успех выпал на долю братьев Райт. Именно они считаются изобретателями самолёта.

Видя на земле огромные пассажирские лайнеры, двухэтажные Боинги, например, совершенно невозможно понять, как эта многотонная металлическая махина поднимается в воздух, настолько это кажется противоестественным. Мало того, даже люди, всю жизнь проработавшие в смежных с авиацией отраслях и, безусловно, знающие теорию воздухоплавания, иногда честно признаются, что не понимают, как летают самолёты. Но мы все же попробуем разобраться.

Полёт

Самолёт держится в воздухе благодаря действующей на него «подъёмной силе», которая возникает только в движении, которое обеспечивают двигатели, закреплённые на крыльях или фюзеляже.

Подъемная сила

Подъемная сила возникает, когда набегающий поток воздуха обтекает крыло. Благодаря особой форме сечения крыла, часть потока над крылом имеет большую скорость, чем поток под крылом. Это происходит потому, что верхняя поверхность крыла выпуклая, в отличие от плоской нижней. В итоге воздуху, обтекающему крыло сверху, приходится пройти больший путь, соответственно с большей скоростью. А чем больше скорость потока, тем меньше давление в нём, и наоборот. Чем меньше скорость — тем больше давление.

В 1838 году, когда ещё аэродинамики, как таковой, не существовало, швейцарский физик Даниил Бернулли описал это явление, сформулировав закон, названный по его имени. Бернулли, правда, описывал течение потоков жидкости, но с возникновением и развитием авиации, его открытие оказалось как нельзя более кстати. Давление под крылом превышает давление сверху и выталкивает крыло, а с ним и самолёт, вверх.

Другое слагаемое подъёмной силы — так называемый «угол атаки». Крыло располагается под острым углом к встречному потоку воздуха, благодаря чему давление под крылом выше, чем сверху.

С какой скоростью летают самолёты

Для возникновения подъёмной силы необходима определённая, и довольно высокая, скорость движения. Различают минимальную скорость, она необходима для отрыва от земли, максимальную, и крейсерскую, на которой самолёт летит большую часть маршрута, она составляет около 80% максимальной. Крейсерская скорость современных пассажирских лайнеров 850-950 км в час.

Ещё есть понятие путевой скорости, которая складывается из собственной скорости самолёта и скорости воздушных потоков, которые ему приходится преодолевать. Именно, исходя из неё, рассчитывают продолжительность рейса.

Скорость, необходимая для взлёта зависит от массы самолёта, и для современных пассажирских судов составляет от 180 до 280 км в час. Примерно на такой же скорости производится посадка.

Высота

Высота полёта тоже выбирается не произвольно, а определяется большим количеством факторов, соображениями экономии топлива и безопасности.

У поверхности земли воздух более плотный, соответственно, он оказывает большое сопротивление движению, вызывая повышенный расход топлива. С увеличением высоты воздух становится более разряжённым, и сопротивление уменьшается. Оптимальной высотой для полёта считается высота около 10 000 метров. Расход топлива при этом минимален.

Ещё одним существенным плюсом полётов на больших высотах является отсутствие здесь птиц, столкновения с которыми не раз приводили к катастрофам.

Подниматься выше 12 000-13 000 метров гражданские самолёты не могут, так как слишком сильное разряжение препятствует нормальной работе двигателей.

Управление самолётом

Управление самолётом осуществляется путём увеличения или уменьшения тяги двигателя. При этом изменяется скорость, соответственно подъёмная сила и высота полёта. Для боле тонкого управления процессами изменения высоты и поворотов служат средства механизации крыла и рули, находящиеся на хвостовом оперении.

Взлёт и посадка

Чтобы подъёмная сила стала достаточной, для отрыва самолёта от земли, он должен развить достаточную скорость. Для этого служат взлётно-посадочные полосы. Для тяжёлых пассажирских или транспортных самолётов нужны длинные ВПП, длиной 3-4 километра.

За состоянием полос тщательно следят аэродромные службы, поддерживая их в идеально чистом состоянии, так как инородные предметы, попадая в двигатель, могут привести к аварии, а снег и лёд на полосе представляют большую опасность при взлёте и посадке.

При разбеге самолёта наступает момент, после которого отменить взлёт уже нельзя, так как скорость становится настолько велика, что самолёт уже не сможет остановиться в пределах полосы. Это так и называется — «скорость принятия решения».

Посадка — очень ответственный момент полёта, лётчики постепенно сбрасывают скорость, вследствие чего уменьшается подъёмная сила и самолёт снижается. Перед самой землёй скорость уже такая низкая, что на крыльях выпускаются закрылки, которые несколько увеличивают подъёмную силу и позволяют мягко посадить самолёт.

Таким образом, как бы странно нам это не казалось, самолёты летают, причём в строгом соответствии с законами физики.

Источник

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.

Источник

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, подъемная сила… Но ты мне все-таки скажи, как эта „дура“ держится в воздухе, да еще и летает. Ведь в ней же сорок тонн веса?!»

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

Источник