Почему самолет летает

Почему самолет летает? Вопрос может показаться детским. Но попробуйте на него ответить, и с большой долей вероятности ответ будет неправильным.

Потому что, на самом деле, вопрос сложнее чем кажется, да и правильных ответов может быть больше чем один.

Полет на самом деле очень сложный процесс, несмотря на то, что птицы и насекомые это делают миллионы лет, люди научились совсем недавно.

Почему самолет летает простыми словами

Итак, почему самолет летает? Простыми словами самолет и вертолет летает потому, что у него есть крылья!

Несущий винт вертолета — это тоже крыло, просто оно вращается.

Крыло, это любая аэродинамическая поверхность которая создает подъемную силу. Эта сила создаться только в движении, когда поток воздуха обдувает крыло. А чтобы самолет набрал достаточную скорость для создания подъемной силы ему нужен двигатель.

Зачем самолету крылья

Тут нужно подробнее остановиться на том, как крыло создает подъемную силу, другими словами, то за счет чего крыло создает силу, которая поднимает самолет в воздух…

Все потому, что верхняя честь крыла больше по площади, чем нижняя. Если его разрезать, будет видно что верхняя кромка длиннее чем нижняя. Это главное, что нужно знать о крыле.

Воздух проходит над верхней частою быстрее чем над нижней. Там он ускоряется.

Тот же эффект можно наблюдать в любом ручье или речке, если русло сужается, поток воды ускоряется. С потоком газа все обстоит также.

Там где воздух движется быстрее, его давление меньше. Ведь давление, это ударение молекул газа, а если поток движутся быстрее молекулы ударяться реже.

Итак, над крылом давление меньше, под крылом давление больше. Значит крыло будет двигаться в сторону меньшего давления — вверх. Это и будет подъемная сила, которую создает крыло. Именно благодаря своей несимметричности.

Градиент давления, чем «теплее» цвет, тем выше давление. Самое высокое перед крылом, самое низкое над крылом

Все написанное выше, очень упрощенное изложение закона Бернулли.

Это сильно упрощенное объяснение физики процесса. На самом деле все не так…

По-настоящему все намного сложнее, но для того, чтобы понять реальный процесс, нужно как минимум закончить профильный факультет хорошего университета. Но для общего понимания сути процесса тратить годы не нужно. Поэтому и упрощаем. Иначе придется объяснять про градиент давление и фактически опровергать все то, что сказано выше.

Главное, это суть никак не измениться, для того чтобы понимать почему возникает подъемная сила крыла нужно понимать только то что над крылом давление ниже, чем под крылом.

Увеличить подъемную силу можно несколькими способами:

1. Лететь быстрее. Чем выше скорость, тем выше разница в давлении и тем выше подъемная сила. Но тогда и сопротивление будет выше.
2. Увеличит угол атаки*. То есть поднять нос самолета и так еще больше увеличить «кривизну» крыла
3. Изменит само крыло. Например, выпустить закрылки (что изменит кривизну и увеличить площадь) или изменить угол стреловидности, если у вашего самолета крыло с изменяемым углом стреловидности

*Угол атаки — это угол между крылом самолета и направлением потока и хордой крыла. Простыми словами, во время взлета самолет «задирает нос» но двигается параллельно земле, а не летит вверх. В этот момент угол атаки больше, чем во время горизонтального полета.

Угол атаки принято обозначать греческой буквой «альфа»

Итак, самолет летит, потому, что крыло создает подъемную силу. У вертолета тоже есть крыло, это его несущий винт. Подъемная сила винта вертолета создается точно так же как и у крыла самолета, только у вертолета винт вращается, а у самолета крыло неподвижное.

Почему самолет летает. Физика полета

Почему самолет летает и не падает. Это уже немного другой вопрос. Потому, что подъемная сила больше или равна его весу.

Вес, это сила которая тянет самолет вниз, подъемная сила — тянет вверх. Когда подъемная сила больше веса — самолет набирает высоту, когда меньше — снижается. Если силы равны — летит горизонтально.

Кажется просто, но на самом деле силы действующее на самолет все время меняются.

Например, с увеличением скорости смещается аэродинамический фокус (то есть точка приложения всех результирующих подъемных сил), а точка в которой сосредоточен вес самолета остается там же. Это приводит к тому, что создаться пикирующий момент, самолет «клюет носом».

Силы действующие на самолет: фокус подъемной силы и вес самолета сосредоточены в разных точках

При приближении к скорости звука эффект смещения аэродинамического фокуса становится заметным и опасным.

Вес тоже меняется, ведь двигатели вырабатывают топливо и самолет становится легче. Но топливную систему обычно проектируют так, чтобы равномерно расходовать керосин из разных баков и сохранять центр масс в оном и том же месте.

Сильно отличается полет во время горизонтального полета и взлета и посадки. Для того, чтобы увеличить подъемную силу и взлететь пилот увеличивает угол атаки и выпускает закрылки, ведь скорость во время взлета намного меньше, пока самолет еще не разогнался.

Для того чтобы управлять полетом или балансировать его обычно используется вертикальное горизонтальное оперение (хвост) и элероны на крыле. Впрочем, существуют аэродинамические схемы где горизонтальное оперение размещено не ссади, а спереди (схема «утка»), хвоста вообще нет (схема безхвостка) или нет ни хвоста ни фюзеляжа, весь самолет это крыло (схема летающее крыло).

Но крыло у самолета есть всегда, только благодаря ему он и летает.

И чаще всего крыло одно! Большинство современных самолетов — монопланы, у них одно крыло. Два крыла у биплана, например у Ан-2 «Кукурузник».

Почему самолет летает на высоте 10 км

Самолеты летают на той высоте, где это наиболее выгодно. Это может быть и 10 и 11 километров, немного выше или немного ниже.  Некоторые боевые самолеты могут забраться на высоту 20, а то и 30 километров, но обычно летают примерно там же где и пассажирские лайнеры.

Дело в том что на этой высоте воздух достаточно плотный, чтобы создавать подъемную силу крыла и обеспечивать кислородом сгорание топлива в двигателе и, одновременно, достаточно разреженный чтобы создавать минимально возможное лобовое сопротивление.

Чем ниже лобовое сопротивление, тем большую скорость можно развить и тем меньше будет расход топлива.

Высота в 10 километров просто оптимальная высота для экономичного полета современного турбореактивного двигателя. Раньше, когда самолеты имели поршневые двигатели, они летали гораздо ниже.

Почему самолет не летает по прямой

Это как посмотреть. Относительно воздуха самолет в горизонтальном полете летит, конечно прямо. А вот относительно земли — нет.

Так как земля не плоская (для кого то это может быть сюрприз) самолет летит по дуге. Например, если он выдерживает высоту в 10 000 метров над землей постоянно, он на самом деле летит не прямо, а параллельно дуге. Поэтому скорость самолета проще измерять в узлах, а не в километрах в час.

Один узел, это тоже самое что и миля в час, где «навигационная» миля это длинна дуги равная одной минуте экватора.

Что касается направления полета, то самолеты тоже иногда не летят прямо из точки A в точку B. Хотя казалось бы чего проще, ведь в небе дорог и препятствий нет, можно летать прямо…

Причин может быть несколько, это и облет каких-то неблагоприятных с точки зрения безопасности мест и требование безопасности при полете над океаном. Самолет должен иметь возможность при аварии одного двигателя добраться до запасного аэродрома за 180 минут (ETOPS-180).

И просто необходимость захода на посадку на определенный аэродром, ведь не все взлетно-посадочные полосы в мире параллельны.

Почему самолет летает, а крыльями не машет?

Ему это не нужно. Птицы тоже не всегда машут крыльями, а только в случае, когда им нужно разогнаться или взлететь. У самолета для этого есть двигатель. Зато постоянно машут крыльями насекомые, но об разнице между насекомыми и птицами, поговорим немного позже.

Создать самолет машущий крыльями конечно, пытались, но такая конструкция получаться менее эффективной. Самолет, машущий крыльями называется Орнитоптер или Энтомоптер. Первый наследует механику полета птиц, второй — насекомых.

В книге Дюна Френка Герберта рассказано об орнитоптерах, а в фильме Дюна — показаны как раз Энтомоптеры.

Орнитоптер из фильма Дюна на самом деле энтомоптер. Он летает как стрекоза, а не как птица.

Обычно орнитоптеры делают очень маленькими, просто потому, что аппарат размером с самолет просто не летает, он слишком тяжелый. Существовал один единственный махолет который смог поднять в воздух человека был без двигателя, этот самолет махал крыльями за счет мускульной силы человека, потому, что двигатель для такого летательного аппарата был слишком тяжелым.

Дело в том, что у птиц взмах крыла происходит в результате сокращения мышц, у самолета мышц нет, и чтобы повторить движение крыла птицы требуется сложный механизм, а это лишний вес. С другой стороны у птиц нет реактивных двигателей или пропеллеров, с ними они летали бы лучше.

Единственный действительно летающий махолет

Также, чем больше движущихся частей, тем чаще механизм будет ломаться, а у машущего крыла нагрузки будут огромными. Поэтому для самолета лучше иметь неподвижное крыло и двигатель, чем «учится» махать крыльями как птицы. У птиц  ведь крыло гибкое и эластичное.

Летательный  аппарат на фото выше, например, имеет только 1 подвижный сегмент, и тот расположен подальше от корня крыла, чтобы снизить нагрузку на механизм.

Самая большая летающая птица — кондор. Ее вес максимально достигает 15 килограмм. Сравните с массой самолета, измеряемой в тоннах. Более тяжелые птицы, просто не летают. Сделать большой махолет если не невозможно, то гораздо сложнее чем классический самолет или вертолет.

То же касается и энтомоптеров. Крыло насекомого гораздо меньше, чем требуется самолету для полета. Нельзя просто взять и увеличит насекомое до размеров самолета (мешает закон квадрата куба), нет материалов которые выдержат нагрузку на крыло такого летательного аппарата.

BionicOpter робот стрекоза весит всего 175 грамм, сделать существенно крупнее не получается

В итоге, то что хорошо для живой природы малопригодно для машин, и наоборот.

Аэродинамическое качество махолета находится в пределах 10-12 единиц, тогда как у пассажирского самолета Боинг 737 это 15, а у планеров часто больше 50.

Что же касается реальных образцов махающих крыльями летательных аппаратов, то они обычно создаются в небольших размерах, что не позволяет им переносить ни грузы ни людей. Возможно, в будущем, человечество изобретет материалы которые позволят либо увеличить прочность, либо снизить массу конструкции (либо и то и другое). Но не сегодня.

Итого

Вот, вы узнали почему летает самолет. Не в том смысле, что самолет летает по небу, есть такая несмешная шутка, а сам принцип, почему это возможно и как именно это происходит. Всего две вещи нужно для полета: само крыло и скорость. Махать крыльями не обязательно и даже вредно, а крылья самолету нужны потому, что без них он не летает. А если летает, то это не самолет а дирижабль или воздушный шар, а они не летают, а «плавают», в прямом смысле используют закон Архимеда, как корабли в море.