Как летает самолёт
Самолёт держится в воздухе благодаря подъёмной силе, которая возникает при обтекании крыла. Двигатели поддерживают движение, а подвижные поверхности помогают менять направление и высоту полёта.
Тяжёлый самолёт катится по полосе, разгоняется и постепенно отрывается от земли. Воздух вокруг кажется почти неощутимым, но именно взаимодействие с ним позволяет машине подняться. Для полёта не нужна твёрдая опора: движущийся поток способен создавать значительные силы.
Самолёт постоянно меняет движение окружающего воздуха. Крыло направляет поток, двигатели сообщают ему энергию, а рули изменяют положение машины. Полёт становится понятнее, если рассмотреть работу этих частей вместе.
1Откуда подъёмная сила
На самолёт действуют сила тяжести, подъёмная сила, тяга и сопротивление воздуха. В прямом горизонтальном полёте с постоянной скоростью они уравновешивают друг друга. Поэтому машина может двигаться вперёд, не набирая высоту и не разгоняясь.
Подъёмная сила возникает при обтекании крыла. Давление по его поверхности распределяется неравномерно, и суммарное действие воздуха даёт силу, обычно направленную преимущественно вверх. Одновременно крыло изменяет направление потока: воздух за ним в среднем получает составляющую движения вниз.
Разница давлений и отклонение воздуха — связанные описания одного процесса. Нельзя считать, что подъём создаёт только верхняя поверхность или только нижняя. Значение имеет всё течение вокруг крыла, включая его форму и положение относительно потока.
Популярное объяснение через «две частицы воздуха, которые обязаны встретиться за крылом», ошибочно. У частиц нет такого обязательства. Более быстрый поток сверху действительно часто сопровождает подъёмную силу, но его нельзя выводить из придуманного условия одновременного прибытия.
2Зачем крылу форма
Если мысленно разрезать крыло поперёк, получится его профиль. У многих самолётов он округлый спереди и тонкий сзади. Такая форма помогает организовать обтекание с подходящим соотношением подъёмной силы и сопротивления.
Важен и угол атаки — угол между направлением набегающего воздуха и выбранной линией профиля. Это не просто наклон самолёта относительно горизонта. Машина может снижаться или лететь в потоке, поэтому направление движения воздуха и положение земли дают разные ориентиры.
При увеличении угла атаки подъёмная сила обычно сначала растёт. Но после определённого предела течение заметно отрывается от поверхности, и подъёмные свойства ухудшаются. Это называют сваливанием. Оно связано прежде всего с углом атаки, а не с одной неизменной скоростью для всех условий.
Размер и очертания крыла выбирают под задачи самолёта. Длинные узкие крылья удобны для экономичного планирования. Для других скоростей и нагрузок нужны иные решения. Единственной формы, лучшей для любого полёта, нет.
3Что делают двигатели
Двигатель создаёт тягу, которая помогает преодолевать сопротивление воздуха. У самолёта с воздушным винтом вращающиеся лопасти ускоряют поток назад. Сам винт тоже работает как набор небольших движущихся крыльев.
В турбореактивном двигателе воздух сжимается, получает энергию при сгорании топлива и выходит назад с высокой скоростью. В турбовентиляторном двигателе большую роль играет вентилятор, который прогоняет значительный объём воздуха. В обоих случаях тяга связана с изменением движения воздушного потока.
Подъём и тяга выполняют разные задачи. Двигатель не обязан непосредственно толкать самолёт вверх. Он поддерживает движение, при котором крыло способно создавать необходимую силу. На набор высоты при этом требуется соответствующий запас энергии.
Планёр показывает, что самолётоподобный аппарат может лететь без работающего двигателя. Он постепенно теряет высоту или использует восходящие потоки. В спокойном воздухе энергия высоты расходуется на преодоление сопротивления, так что бесконечный горизонтальный полёт сам собой не получается.
4Как меняют направление
Самолёт способен поворачиваться вокруг трёх осей. Крен означает наклон вбок, тангаж — изменение положения носа вверх или вниз, рыскание — поворот носа вправо или влево. Эти движения часто происходят вместе.
| Поверхность | Главная задача |
|---|---|
| Элероны на крыльях | Управление креном |
| Руль высоты | Управление тангажем |
| Руль направления | Управление рысканием |
| Закрылки | Изменение подъёмных свойств крыла |
Элероны обычно отклоняются в противоположные стороны и меняют действие воздуха на правое и левое крыло. Руль высоты влияет на силы в хвостовой части. Руль направления помогает управлять боковым движением и согласовывать манёвры.
Обычный поворот выполняют с креном. Подъёмная сила наклоняется вместе с самолётом, и у неё появляется боковая составляющая, которая искривляет траекторию. Поэтому самолёт не поворачивает точно так же, как автомобиль с передними колёсами.
В современных машинах между движением органов управления и отклонением поверхностей могут работать электронные системы. Они передают команды и учитывают условия полёта. Но сами силы всё равно возникают благодаря взаимодействию самолёта с воздухом.
5Взлёт и посадка
Во время разбега скорость относительно воздуха растёт, а крыло постепенно получает возможность создать достаточную подъёмную силу. Затем меняется положение самолёта, и машина отрывается от полосы. Конкретные условия зависят от массы, погоды, формы крыла и других факторов.
На малой скорости помогают закрылки, а у многих самолётов также предкрылки. Они меняют форму и обтекание крыла. Это позволяет получить нужную подъёмную силу при меньшей скорости, хотя сопротивление обычно увеличивается.
При посадке самолёт снижает высоту и скорость по рассчитанной траектории. После касания колёса принимают нагрузку, а торможение обеспечивают предусмотренные конструкцией системы. На многих машинах специальные поверхности уменьшают подъёмную силу, чтобы колёса плотнее прижимались к полосе.
Взлёт, поворот и посадка показывают один общий принцип. Самолёт летит благодаря управляемому движению воздуха, а его положение определяется балансом сил. Когда меняются скорость или форма крыла, меняется и этот баланс.