Чому літак літає?

Чому літак літає? Питання може здатися дитячим. Але спробуйте на нього відповісти, з великою ймовірністю відповідь буде неправильною.

Тому що насправді питання складніше, ніж здається, і правильних відповідей може бути більше ніж одна.

Політ насправді дуже складний процес, незважаючи на те, що птахи та комахи це роблять мільйони років, люди навчилися зовсім недавно.

Чому літак літає простими словами

Отже, чому літак літає? Простими словами літак і гелікоптер літають тому, що у них є крила!

Несучий гвинт гелікоптера — це також крило, просто воно обертається.

Крило — це будь-яка аеродинамічна поверхня, яка створює підіймальну силу. Ця сила виникає лише в русі, коли потік повітря обдуває крило. Щоб літак набрав достатню швидкість для створення підіймальної сили, йому потрібен двигун.

Верхня частина крила більша за площею, ніж нижня. Якщо його розрізати, видно, що верхня кромка довша за нижню. Це головне, що потрібно знати про крило.

Повітря проходить над верхньою частиною швидше, ніж над нижньою. Там воно прискорюється.

Той самий ефект можна спостерігати в будь-якому струмку чи річці: якщо русло звужується, потік води прискорюється. З потоком газу все відбувається так само.

Там, де повітря рухається швидше, його тиск менший. Адже тиск — це удари молекул газу, а якщо потік рухається швидше, молекули вдаряються рідше.
Отже, над крилом тиск менший, під крилом тиск більший. Значить, крило рухатиметься в бік меншого тиску — вгору. Це і є підіймальна сила, яку створює крило. Саме завдяки своїй асиметричності.

Градієнт тиску: чим “тепліший” колір, тим вищий тиск. Найвищий — перед крилом, найнижчий — над крилом

Усе написане вище — дуже спрощене викладення закону Бернуллі.

Насправді все не так. Це сильно спрощене пояснення фізики процесу.

По-справжньому все набагато складніше, але щоб зрозуміти реальний процес, потрібно як мінімум закінчити профільний факультет хорошого університету. Тому й спрощено. Інакше довелося б пояснювати про градієнт тиску і фактично спростовувати все, що сказано вище.

Головне, суть від цього не зміниться: щоб зрозуміти, чому виникає підіймальна сила крила, достатньо знати, що над крилом тиск нижчий, ніж під крилом.

Збільшити підіймальну силу можна кількома способами:

1. Летіти швидше. Чим вища швидкість, тим більша різниця в тиску і тим вища підіймальна сила. Але тоді й опір буде більшим.
2. Збільшити кут атаки*. Тобто підняти ніс літака і так ще більше збільшити “кривизну” крила.
3. Змінити саме крило. Наприклад, випустити закрилки (що змінить кривизну і збільшить площу) або змінити кут стріловидності, якщо у вашого літака крило зі змінним кутом стріловидності.

*Кут атаки — це кут між крилом літака і напрямком потоку та хордою крила. Простими словами, під час зльоту літак “задирає ніс”, але рухається паралельно землі, а не летить вгору. У цей момент кут атаки більший, ніж під час горизонтального польоту.

Кут атаки прийнято позначати грецькою буквою “альфа”

Отже, літак летить, тому що крило створює підіймальну силу. У гелікоптера також є крило — це його несучий гвинт. Підіймальна сила гвинта гелікоптера створюється так само, як і у крила літака, тільки у гелікоптера гвинт обертається, а у літака крило нерухоме.

Чому літак літає. Фізика польоту

Чому літак літає і не падає. Це вже трохи інше питання. Тому що підіймальна сила більша або дорівнює вазі літака.
Вага — це сила, яка тягне літак вниз, підіймальна сила — тягне вгору. Коли підіймальна сила більша за вагу — літак набирає висоту, коли менша — знижується. Якщо сили рівні — літальний апарат летить горизонтально.

Здається просто, але насправді сили, що діють на літак, весь час змінюються.

Наприклад, зі збільшенням швидкості зміщується аеродинамічний фокус (тобто точка прикладання всіх результуючих підіймальних сил), а точка, в якій зосереджена вага літака, залишається на тому ж місці. Це призводить до того, що створюється пікетний момент, літак “клює носом”.

Сили, що діють на літак: фокус підіймальної сили і вага літака зосереджені в різних точках

При наближенні до швидкості звуку ефект зміщення аеродинамічного фокусу стає помітним і небезпечним.

Вага також змінюється, адже двигуни витрачають паливо, і літак стає легшим. Але паливну систему зазвичай проектують так, щоб рівномірно витрачати гас із різних баків і зберігати центр мас у тому ж місці.

Сильно відрізняється політ під час горизонтального польоту, зльоту та посадки. Щоб збільшити підіймальну силу і злетіти, пілот збільшує кут атаки і випускає закрилки, адже швидкість під час зльоту набагато менша, поки літак ще не розігнався.

Для того щоб керувати польотом або балансувати його, зазвичай використовується вертикальне горизонтальне оперення (хвіст) і елерони на крилі. Втім, існують аеродинамічні схеми, де горизонтальне оперення розміщене не ззаду, а спереду (схема “качка”), хвоста взагалі немає (схема безхвостка) або немає ні хвоста, ні фюзеляжу, весь літак — це крило (схема літаюче крило).

Але крило у літака є завжди, тільки завдяки йому він і літає.

І найчастіше крило одне! Більшість сучасних літаків — моноплани, у них одне крило. Два крила у біплана, наприклад, у Ан-2 “Кукурузник”.

Чому літак літає на висоті 10 км

Літаки літають на тій висоті, де це найвигідніше. Це може бути і 10, і 11 кілометрів, трохи вище або трохи нижче. Деякі бойові літаки можуть забратися на висоту 20, а то й 30 кілометрів, але зазвичай літають приблизно там, де й пасажирські лайнери.

Справа в тому, що на цій висоті повітря досить щільне, щоб створювати підіймальну силу крила і забезпечувати киснем згоряння палива в двигуні, і, водночас, досить розріджене, щоб створювати мінімально можливий лобовий опір.

Чим нижчий лобовий опір, тим більшу швидкість можна розвинути і тим меншою буде витрата палива.

Висота в 10 кілометрів — просто оптимальна висота для економічного польоту сучасного турбореактивного двигуна. Раніше, коли літаки мали поршневі двигуни, вони літали значно нижче.

Чому літак не літає по прямій

Це як подивитися. Відносно повітря літак у горизонтальному польоті летить, звісно, прямо. А ось відносно землі — ні.
Оскільки земля не плоска (для когось це може бути сюрприз), літак летить по дузі. Наприклад, якщо він витримує висоту в 10 000 метрів над землею постійно, він насправді летить не прямо, а паралельно дузі. Тому швидкість літака простіше вимірювати в вузлах, а не в кілометрах на годину.

Один вузол — це те саме, що й миля на годину, де “навігаційна” миля — це довжина дуги, що дорівнює одній хвилині екватора.

Щодо напрямку польоту, то літаки також іноді не летять прямо з точки A в точку B. Хоча здавалося б, що може бути простіше, адже в небі немає доріг і перешкод, можна літати прямо…

Причин може бути кілька: це і обліт якихось небезпечних з точки зору безпеки місць, і вимоги безпеки при польоті над океаном. Літак повинен мати можливість при аварії одного двигуна дістатися до запасного аеродрому за 180 хвилин (ETOPS-180).

І просто необхідність заходу на посадку на певний аеродром, адже не всі злітно-посадкові смуги в світі паралельні.

Чому літак літає, а крилами не махає?

Йому це не потрібно. Птахи також не завжди махають крилами, а лише коли їм потрібно розігнатися чи злетіти. У літака для цього є двигун. Зате постійно махають крилами комахи, але про різницю між комахами і птахами поговоримо трохи пізніше.

Створити літак, що махає крилами, звісно, намагалися, але така конструкція виявляється менш ефективною. Літак, що махає крилами, називається Орнітоптер або Ентомоптер. Перший наслідує механіку польоту птахів, другий — комах.

У книзі “Дюна” Френка Герберта розповідається про орнітоптери, а у фільмі “Дюна” показані якраз ентомоптери.

Орнітоптер із фільму “Дюна” насправді ентомоптер. Він літає як бабка, а не як птах.

Зазвичай орнітоптери роблять дуже маленькими, просто тому, що апарат розміром із літак просто не літає, він занадто важкий. Існував лише один махоліт, який зміг підняти в повітря людину, і то без двигуна — цей літак махав крилами за рахунок м’язової сили людини, тому що двигун для такого літального апарата був занадто важким.

Справа в тому, що у птахів помах крила відбувається внаслідок скорочення м’язів, у літака м’язів немає, і щоб повторити рух крила птаха, потрібен складний механізм, а це зайва вага. З іншого боку, у птахів немає реактивних двигунів чи пропелерів, із ними вони літали б краще.

Єдиний дійсно літаючий махоліт

Також, чим більше рухомих частин, тим частіше механізм ламатиметься, а у крила, що махає, навантаження будуть величезними. Тому для літака краще мати нерухоме крило і двигун, ніж “вчитися” махати крилами, як птахи. У птахів адже крило гнучке і еластичне.

Літальний апарат на фото вище, наприклад, має лише 1 рухомий сегмент, і той розташований подалі від кореня крила, щоб знизити навантаження на механізм.

Найбільший літаючий птах — кондор. Його вага максимально досягає 15 кілограмів. Порівняйте з масою літака, що вимірюється в тоннах. Важчі птахи просто не літають. Створити великий махоліт якщо не неможливо, то набагато складніше, ніж класичний літак чи гелікоптер.

Те ж стосується і ентомоптерів. Крило комахи набагато менше, ніж потрібно літаку для польоту. Не можна просто взяти і збільшити комаху до розмірів літака (заважає закон квадрата-куба), немає матеріалів, які витримають навантаження на крило такого літального апарата.

BionicOpter робот-бабка важить лише 175 грамів, зробити значно більшим не виходить

У підсумку, те, що добре для живої природи, мало придатне для машин, і навпаки.

Аеродинамічна якість махольота перебуває в межах 10-12 одиниць, тоді як у пасажирського літака Boeing 737 це 15, а у планерів часто більше 50.

Щодо реальних зразків літальних апаратів, що махають крилами, то вони зазвичай створюються в невеликих розмірах, що не дозволяє їм перевозити ні вантажі, ні людей. Можливо, в майбутньому людство винайде матеріали, які дозволять або збільшити міцність, або знизити масу конструкції (або і те, і інше). Але не сьогодні.

Ось ви дізналися, чому літає літак. Не в тому сенсі, що літак літає по небу, є такий невдалий жарт, а за принципом, чому це можливо і як саме це відбувається.