Как самолет держится в небе и как работают крылья? Пристегните ремни безопасности — давайте исследуем.
Как самолет держится в воздухе? Независимо от того, задумывались ли вы над этим вопросом во время полета или нет, это остается увлекательной и сложной темой. Вот краткий обзор физики, связанной с полетом самолета, а также краткий обзор заблуждений, связанных с этим предметом.
Во-первых, представьте себе самолет — коммерческий авиалайнер, например Boeing или транспортный самолет Airbus — летящий в устойчивом полете по небу. Этот бегство предполагает хрупкий баланс противоборствующих сил. «Крылья создают подъемную силу, а подъемная сила уравновешивает вес самолета», — говорит Хольгер Бабинский, профессор аэродинамики Кембриджского университета.
«Эта подъемная [или восходящая] сила должна быть равна весу самолета или превышать его — именно это удерживает его в воздухе», — говорит Уильям Кроссли, руководитель Школы аэронавтики и астронавтики в Университете Пердью.
Тем временем двигатели самолета придают ему необходимую тягу, чтобы противостоять сопротивлению, испытываемому из-за трения окружающего его воздуха. «Когда вы летите вперед, у вас должна быть достаточная тяга, чтобы, по крайней мере, равняться сопротивлению — оно может быть выше, чем сопротивление, если вы ускоряетесь; оно может быть меньше сопротивления, если вы замедляетесь, но в устойчивом, горизонтальном полете тяга равна сопротивлению», — отмечает Кроссли.
Понять, как крылья самолета вообще создают подъемную силу, немного сложнее. «СМИ в целом всегда стремятся к быстрым и простым объяснениям», — размышляет Бабинский. «Я думаю, что это привело нас в затруднительное положение». Одно популярное объяснение, которое является ошибочным, звучит так: воздух, движущийся над изогнутой вершиной крыла, должен пройти большее расстояние, чем воздух, движущийся под ним, и поэтому он ускоряется, чтобы попытаться не отставать от воздуха наверху. внизу — как будто две частицы воздуха, одна проходит через верхнюю часть крыла, а другая — под ним, должны оставаться волшебным образом связанными. У НАСА даже есть веб-страница, посвященная этой идее, на которой она названа «неверной теорией профиля крыла».
Так как же правильно об этом думать?
Помочь
Один очень простой способ начать думать над этой темой — представить, что вы едете на пассажирском сиденье автомобиля. Вытяните руку в сторону, против набегающего ветра, ладонью вниз, большим пальцем вперед и рукой практически параллельно земле. (Если вы делаете это в реальной жизни, пожалуйста, будьте осторожны.) Теперь наклоните руку немного вверх спереди, чтобы ветер поймал нижнюю часть вашей руки; этот процесс наклона руки вверх приближается к важной концепции с крыльями, называемыми их углом атаки.
«Вы отчетливо чувствуете подъемную силу», — говорит Бабинский. В этом простом сценарии воздух ударяется о нижнюю часть вашей руки, отклоняется вниз, и в ньютоновском смысле (см. закон третий) ваша рука выталкивается вверх.
Следуйте кривой
Но крыло, конечно, не по форме напоминает вашу руку, и есть дополнительные факторы, которые следует учитывать. При выборе крыльев следует учитывать два ключевых момента: передняя часть крыла (передняя кромка) изогнута, и в целом они также принимают форму, называемую профилем, если посмотреть на них в разрезе.
Изогнутая передняя кромка крыла важна, потому что воздушный поток имеет тенденцию «следовать изогнутой поверхности», — говорит Бабинский. Он говорит, что ему нравится демонстрировать эту концепцию, направляя фен на закругленный край ведра. Поток воздуха прикрепится к изогнутой поверхности ведра и сделает поворот, потенциально даже погасив свечу на другой стороне, заблокированной ведром. Вот очаровательное старое видео, которое, похоже, демонстрирует ту же идею. «Как только поток прикрепляется к изогнутой поверхности, он предпочитает оставаться прикрепленным, [хотя] он не останется прикрепленным навсегда», — отмечает он.
С крылом (а представьте, что оно слегка наклонено вверх, как ваша рука, высунутая из окна автомобиля) происходит следующее: воздух сталкивается с закругленной передней кромкой. «На верхней поверхности воздух будет прикрепляться, изгибаться и фактически следовать этому падению, этому углу атаки, очень хорошо», — говорит он.
Держите вещи под низким давлением
В конечном итоге происходит следующее: воздух, проходящий через верхнюю часть крыла, прикрепляется к изогнутой поверхности и поворачивает или несколько стекает вниз: образуется область низкого давления, и воздух также движется быстрее. Между тем, воздух ударяется о нижнюю часть крыла, как ветер касается вашей руки, высунутой из окна автомобиля, создавая область высокого давления. Вуаля: над крылом есть область низкого давления, а снизу — более высокого. «Разница между этими двумя давлениями дает нам подъем», — говорит Бабинский.
Бабинский отмечает, что больше работы совершается в области более низкого давления над крылом, чем в области более высокого давления под крылом. Вы можете думать о крыле как об отклонении потока воздуха вниз как сверху, так и снизу. На нижней поверхности крыла отклонение потока «на самом деле меньше, чем отклонение потока на верхней поверхности», отмечает он. «Для большинства аэродинамических профилей очень и очень грубое эмпирическое правило заключается в том, что две трети подъемной силы создается там [на верхней поверхности], а иногда даже больше», — говорит Бабинский.
Сможешь ли ты собрать все это вместе для меня в последний раз?
Конечно! Глория Ямаути, аэрокосмический инженер из Исследовательского центра Эймса НАСА, говорит об этом так. «Итак, у нас есть самолет, летящий по воздуху; воздух приближается к крылу; его поворачивает крыло на передней кромке», — говорит она. (Под «повернутым» она имеет в виду, что оно меняет направление, подобно тому, как машина, бороздящая дорогу, заставляет воздух изменить свое направление, чтобы объехать его.) «Скорость воздуха меняется, когда он проходит по поверхности крыла, над и под."
«Скорость над верхней частью крыла, как правило, больше, чем скорость под крылом, — продолжает она, — и это означает, что давление над крылом ниже, чем давление под крылом, и эта разница в давлении создает восходящая подъемная сила».