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.
Самолёт держится в воздухе благодаря действующей на него «подъёмной силе», которая возникает только в движении, которое обеспечивают двигатели, закреплённые на крыльях или фюзеляже.
- Реактивные двигатели выбрасывают назад струю продуктов сгорания керосина или другого авиационного топлива, толкая самолёт вперёд.
- Лопасти винтового двигателя как бы ввинчиваются в воздух и тянут самолёт за собой.
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.
Чтобы подняться в воздух, самолетам требуется развить колоссальную мощность. Двигатели самолетов создают тягу, толкающую их вперед, в то время как особая форма корпуса и крыльев помогает им подниматься кверху.
Сила тяжести тянет самолеты вниз, как и любые другие тела. Однако самолетам удается удерживаться в воздухе именно благодаря воздействию самого воздуха. Обычно воздух давит на тело со всех сторон, но если он движется, то давит сильнее, чем воздух, который движется быстро.
Крылья самолета имеют особую форму, заставляющую воздух двигаться под ними медленнее, чем над ними. Когда самолет достигает определенной скорости, «медленный» воздух под его крыльями начинает давить на них сильнее, чем тот, что над ним — и самолет поднимается к небу. Возникающая при этом сила называется подъемной.
При выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу — толчок приклада в плечо. Эта сила действует на приклад ружья очень короткое время — около 0,002 сек. Но на станок пулемета эта сила действует почти постоянно, пока пули вылетают из ствола.
Так же и летательный аппарат может получать постоянную подъемную силу, если он беспрерывно отбрасывает воздух вниз. Именно дли этого и нужны самолету крылья. Если крыло двигается горизонтально и при этом поставлено под углом к направлению движения (этот угол называется углом атаки), оно отбрасывает встречный воздух вниз и тем самым создает подъемную силу, направленную вверх. 
Крыло, поставленное под углом атаки, отбрасывает при движении воздух вниз и этим создает подъемную силу.
Образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона):
m*(v 2 -v 1)=P*t
- m — масса тела (в нашем случае это масса отбрасываемого воздуха);
- v 2 — v 1 — изменение скорости тела (в нашем случае — вертикальная скорость отбрасываемого воздуха);
- Р — сила, действующая на тело (в нашем случае она приложена к воздуху и направлена вниз),
- t — время.
Следовательно,
P=m/t*(v 2 -v 1)
Так как всякое действие всегда встречает равное по величине и противоположно направленное противодействие (третий закон Ньютона), то подъемная сила Y будет равна силе Р, приложена к крылу самолета и направлена вверх: Y = - Р.
Величина подъемной силы зависит от массы ежесекундно отбрасываемого воздуха m/t, а она в свою очередь зависит от плотности воздуха р, скорости полета v и площади крыла S; вертикальная скорость воздуха v 2 — v 1 зависит от угла атаки крыла и скорости полета. Тогда величину подъемной силы можно выразить формулой:
Y=С y *pv2/2*S
где С y — коэффициент, который зависит от формы крыла и угла атаки.
Итак, подъемную силу можно создавать довольно просто, но для этого обязательно нужно, чтобы крыло в воздухе двигалось. Решается это по-разному: птицы, например, машут крыльями; планеры используют снижение — сопротивление воздуха преодолевает силой тяжести. Самолету же нужен специальный двигатель. Но, может быть, выгоднее повернуть этот двигатель так, чтобы его тяга компенсировала и тяжесть аппарата? В этом нет необходимости, так как подъемная сила крыла во много раз больше сопротивления воздуха. Отношение получаемой подъемной силы к сопротивлению называется аэродинамическим качеством. В настоящее время для дозвуковых самолетов это отношение достигает 25, а для сверхзвуковых — 7.
Развитие авиации во многом зависит от открытий и изобретений в различных областях науки и техники, и в первую очередь от развития науки обтекании тел газом — аэродинамики. Начала этой науки заложены исследования русских ученых Н. Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, С. А. Христиановича, немецких ученых Р. Прандтля, Т. Кармана и др. Кроме того, большую роль в развитии авиации играют: наука о механике полета, материаловедение, изобретения в промышленности, строящей двигатели, и в приборостроении.
Как летают самолеты?
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.
Материалы по теме:
Почему окна самолета круглые?
Подъемная сила самолетов состоит из следующих факторов:
- Угла атаки
- 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.
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 в купе 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.
