Как самолет держится в воздухе? Задумывались ли вы над этим вопросом во время полета или нет, он остается увлекательной и сложной темой. Вот краткий обзор физики, связанной с полетом самолета, а также взгляд на заблуждения, связанные с этим вопросом.
Сначала представьте себе самолет - коммерческий авиалайнер, например, транспортный лайнер Boeing или Airbus, - который уверенно летит по небу. Этот полет включает в себя тонкий баланс противоположных сил. "Крылья создают подъемную силу, а подъемная сила противодействует весу самолета", - говорит Хольгер Бабинский, профессор аэродинамики Кембриджского университета.
"Эта подъемная [или восходящая] сила должна быть равна или больше веса самолета - именно она удерживает его в воздухе", - говорит Уильям Кроссли, глава Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью.
Тем временем двигатели самолета создают тягу, необходимую для противодействия сопротивлению, возникающему из-за трения воздуха вокруг него. "Когда вы летите вперед, вы должны иметь достаточную тягу, чтобы, по крайней мере, уравнять сопротивление - оно может быть больше сопротивления, если вы ускоряетесь; оно может быть меньше сопротивления, если вы замедляетесь - но в устойчивом, ровном полете тяга равна сопротивлению", - отмечает Кроссли.
Понять, как именно крылья самолета создают подъемную силу, немного сложнее. "СМИ, в целом, всегда стремятся получить быстрое и простое объяснение", - размышляет Бабински. "Я думаю, что из-за этого мы попали в горячую воду". Одно из популярных объяснений, которое является ошибочным, звучит так: Воздух, движущийся над изогнутой верхней частью крыла, должен пройти большее расстояние, чем воздух, движущийся под крылом, и поэтому он ускоряется, чтобы не отстать от воздуха снизу - как будто две частицы воздуха, одна из которых движется над верхней частью крыла, а другая под ней, должны оставаться магически связанными. У НАСА даже есть веб-страница, посвященная этой идее, где она обозначена как "неверная теория аэродинамического крыла".
Так как же правильно думать об этом?
Протяните руку помощи
Один очень простой способ начать думать на эту тему - представить, что вы едете на пассажирском сиденье автомобиля. Вытяните руку вбок, навстречу набегающему ветру, ладонь вниз, большой палец вперед, кисть практически параллельна земле. (Если вы делаете это в реальной жизни, пожалуйста, будьте осторожны). Теперь наклоните руку немного вверх спереди, чтобы ветер подхватил нижнюю часть вашей руки; этот процесс наклона руки вверх приближается к важной концепции крыльев, называемой углом атаки.
"Вы можете четко ощутить подъемную силу", - говорит Бабинский. В этом простом сценарии воздух ударяется о нижнюю часть вашей руки, отклоняется вниз, и в ньютоновском смысле (см. третий закон) ваша рука толкается вверх.
Следуйте за кривой
Но крыло, конечно, не похоже по форме на вашу руку, и здесь необходимо учитывать дополнительные факторы. Два ключевых момента, которые следует помнить о крыльях: передняя часть крыла - передний край - изогнута, а в целом крылья имеют форму, называемую аэродинамическим профилем, если смотреть на них в поперечном сечении.
Изогнутая передняя кромка крыла важна, потому что воздушный поток стремится "следовать за изогнутой поверхностью", - говорит Бабински. Он говорит, что любит демонстрировать эту концепцию, направляя фен на закругленный край ведра. Поток воздуха притянется к изогнутой поверхности ведра и совершит поворот, возможно, даже затушит свечу с другой стороны, заслоненной ведром. Вот очаровательное старое видео, которое, похоже, демонстрирует ту же идею. "Как только поток прикрепляется к изогнутой поверхности, ему нравится оставаться прикрепленным - [хотя] он не будет оставаться прикрепленным вечно", - отмечает он.
При использовании крыла - представьте, что оно расположено под некоторым углом вверх, как ваша рука в окне автомобиля - происходит то, что воздух сталкивается с закругленной передней кромкой. "На верхней поверхности воздух прикрепляется, закругляется и фактически следует за этим углом падения, углом атаки, очень красиво", - говорит он.
Сохраняйте низкий уровень давления
В конечном счете, происходит то, что воздух, движущийся над верхней частью крыла, прикрепляется к изогнутой поверхности и поворачивает, или немного стекает вниз: образуется область низкого давления, и воздух также движется быстрее. Тем временем воздух ударяется о нижнюю сторону крыла, как ветер ударяет в руку, когда она высовывается из окна автомобиля, создавая область высокого давления. Вуаля: крыло имеет область низкого давления вверху и более высокого давления внизу. "Разница между этими двумя давлениями дает нам подъемную силу", - говорит Бабински.
На этом видео хорошо показан общий процесс:
Бабинский отмечает, что в области низкого давления над крылом совершается больше работы, чем в области более высокого давления под крылом. Можно считать, что крыло отклоняет воздушный поток вниз как сверху, так и снизу. На нижней поверхности крыла отклонение потока "на самом деле меньше, чем отклонение потока на верхней поверхности", - отмечает он. "В большинстве аэродинамических крыльев очень, очень грубое эмпирическое правило гласит, что две трети подъемной силы создается там [на верхней поверхности], иногда даже больше", - говорит Бэбински.
Ты можешь собрать все вместе в последний раз?
Конечно! Глория Ямаучи, аэрокосмический инженер из Исследовательского центра Эймса НАСА, объясняет это так. "Итак, у нас есть самолет, летящий по воздуху; воздух приближается к крылу; он поворачивается крылом на передней кромке", - говорит она. (Говоря "поворачивается", она имеет в виду, что он меняет направление, подобно тому, как автомобиль, несущийся по дороге, заставляет воздух менять направление, чтобы обогнуть его). "Скорость воздуха меняется, когда он проходит над поверхностью крыла, сверху и снизу".
"Скорость над верхней частью крыла в целом больше, чем скорость под крылом, - продолжает она, - а это означает, что давление над крылом меньше, чем давление под крылом, и эта разница в давлении создает подъемную силу".