УДК 629.7ББК 39.5

К19

НакамураКандзиК19 Почему самолётылетают  / пер. с  япон.А.Б.  Клионского. –М.:ДМК

Пресс,2020. –132 с.:ил.

ISBN978-5-97060-649-0

Человечествосдавнихвремёнстремилоськпокорениюнебес.Нодажевнашидни,когдалетательныеаппаратыуженевоспринимаютсякакчудо,немногиезадумываютсянадтем,чтопозволилоизобретателямоткрытьсекретвоздухоплавания.

Вэтойкнигеречьпойдётобустройствесамолётов,озаконахаэродинамики,отом,чтопозволяетлетательнымаппаратамсвободнопреодолеватьогромныерасстояния.Отдельнаяглавапосвященаработереактивногодвигателя.Рисункиисхемыупрощаютпониманиетеоретическогоматериала.

Изданиепредназначенодлявсех, ктоинтересуется самолётамииавиационнойтехникой.

УДК 629.7ББК 39.5

All rights reserved.Thisworkmaynotbe translatedor copied inwholeor inpartwithoutthewrittenpermissionof theauthor, except forbrief excerpts in connectionwith reviewsorscholarlyanalysis.Useinconnectionwithanyformofinformationstorageandretrieval,electronicadaptation,orcomputersoftwareisforbidden

Всеправазащищены.Любаячастьэтойкнигине можетбытьвоспроизведенав ка-койбытонибылоформеи какимибытонибылосредствамибезписьменногоразрешениявладельцевавторскихправ.

ISBN978-537-26174-5(япон.) ©2017Nakamura KanjiISBN978-5-97060-734-3(рус.) © Оформление,издание,перевод,ДМКПресс,2020

Предисловие о редакторе

Так вышло, что эту книгуредактировал мой друг СашаЩербаков.

Инеуспелзакончить...Он был прекраснымчелове-

ком и очень любил и отличнозналнебоисамолёты,хотявсюжизнь занимался базами дан-ныхипрограммированием.

Слишкомраноинесправед-ливоонушёл,–иэтакнигаещёодна прекрасная память о егоделах.

Саша был очень известнымчеловекомвинтернет-кругах,ведьэтоемумыобязанысозданиемиустой-чивойработойдоменныхзонRUиРФ.

Нуакто-тообязанемуижизнью—Сашанеразспасалзаблудившихсявлесусовершеннонезнакомыхлюдей,пролетаянасвоёмдельталётесотникилометров.

Когдаясмотрюнанебо—всегдавспоминаютолькоохорошем.Ясногонебатебе,друг.Твоимсыновьямнадобруюпамять,тыбылхорошимотцом.

Заместитель главного редактора ДМК ПрессСенченкова Елена

6

Предисловие

СтехпоркакбратьяРайтсовершилипервыйполёт,небовстречаетнастакже,какипрежде,авотсамолётызначительнопродвинулисьпо пути прогресса. Особенно в  настоящее время они стремительноразвиваются вместе с  компьютерами. Однако базовые принципы,связанные с полётомв небе, сильнонеизменилисьдаже со време-нипервогополётабратьевРайт.Вэтойкнигемыобратимосновноевниманиенанаивныевопросы,которыемызадавалисебевдетстве,например:какможетсвободнолетатьвнебесамолёт,весящийчу-довищномного –примерно400 т;какреактивныйдвигательсоздаётбольшуюсилутягиидр.Повозможности,избегаясложныхспециаль-ныхтерминов,и,даженемногопожертвовавстрогостью,будемвестирассказтак,чтобыегоможнобылопонятьинтуитивно.

Мыбудемоченьрады,еслиэтакнигастанетполезнойдляуважае-мыхчитателей,любящихсамолёты.

Прекрасныйдень2017года.НакамураКандзи

7

Содержание

Предисловиеоредакторе........................................................................... 5

Предисловие............................................................................................... 6

Глава1.Почемусамолётыумеютлетать..........................................9

РавновесиесилРавновесиечетырехсилдляавтомобиляи дороги,длясамолётаи воздуха... 10Исследуемсилывоздуха(часть1)....................................................................12Исследуемсилывоздуха(часть2)....................................................................14Чтотакоесила,создаваемаякрылом(подъёмнаясила)?...............................16Пробуемвыразитьподъёмнуюсилус помощьюрасчётнойформулы.........18Динамическоедавление,котороесамолётиспытываетотвоздуха..............20Каксоздаётсясиладлядвижениявперёд........................................................22Фестивальфейерверков....................................................................................24

Глава2.Какреактивныйдвигательразвиваетбольшуюсилу?...............................................................................................25

ДвигательСиладвижущегосявоздухазаставляетлететьвоздушныйшарик................26Дваспособаувеличениятяги..........................................................................28Причинатого,чтотурбовентиляторныйдвигательсталосновным..............30Еслизаглянутьв турбовентиляторныйдвигатель.........................................32Большаярольвентилятора...............................................................................34Откомпрессорадовыхлопа.............................................................................36Подготовкак запускудвигателя........................................................................38Запускдвигателя(часть1).................................................................................40Запускдвигателя(часть2).................................................................................42Четыресилы,создаваемыедвигателем............................................................44Рычаг,управляющийтягойдвигателя..............................................................46Какиепроблемымогутвозникнутьвдвигателе?............................................48Блокуправленияподачейтопливаибезопаснаяэксплуатациясамолёта....50Чемуравнатягадвигателянавзлёте?..............................................................52Рассчитываемвзлётнуютягупоформулетяги................................................54Гдехранитсятакоебольшоеколичествотоплива?..........................................56Прослеживаемпутьтопливадодвигателя......................................................58Северноесияние,наблюдаемоеизстратосферы.Магнитныйсевери истинныйсевер...............................................................60

Глава3.Какимобразомсамолётысвободнолетаютв небе?....61

ОбаэродинамическихповерхностяхРазныеаэродинамическиеповерхностидляуправленияполётом..............62Зачемнужнызакрылки....................................................................................64Самолётнесможетлететьустойчивотолькос помощьюкрыльев...............66Трирулядляуправленияполётоми тринаправления..................................68

8

Важнаярольэлеронов.......................................................................................70Двеважныеролирулянаправления................................................................72Равновесиесилприизменениинаправленияполёта....................................74Равновесиесилпринаборевысоты................................................................ 76Равновесиесилприснижении.........................................................................78Какаясиладвигаетрулив полёте?...................................................................80

СкоростьЧтотакоескорость,важнаядляпилота?.........................................................82Различиемеждувоздушнойи путевойскоростями.......................................84Какскоростьсамолётаи скоростьзвукасвязанымеждусобой?...................86УдивительныймирМаха..................................................................................88КритическоечислоМахаи бафтинг.................................................................90

Высотаи местоположениеУстройство,с помощьюкоторогоможноопределитьвысотуполёта...........92Барометрическийвысотомернадокорректировать......................................94

Пространственнаяориентациясамолётаи направлениеполётаУстройствоопределенияпространственнойориентациисамолёта.............96Свойство,полезноедляопределенияпространственногоположениясамолёта.........................................................................................98Какузнатьнаправление?.................................................................................100Инерциальнаяаэронавигация,с помощьюкоторойопределяютположениесамолётаи направление(часть1)...............................................102Инерциальнаяаэронавигация,с помощьюкоторойузнаютвысотуполётаи направлениесамолёта(часть2).........................................104Способопределенияflightattitude................................................................106Чтотакоеавтопилот?......................................................................................108

УправлениедвигателемЧтотакоесистемауправленияполётом(FMS)?............................................110Зачемв двигателенужныизмерительныеприборы?..................................112Измерительныеприборыдвигателяпозволяютопределитьдажевеличинутяги.........................................................................................114Какподсчитатьоборотыдвигателя?..............................................................116Какизмеряюттемпературудвигателя?.........................................................118Зачемизмерятьрасходтоплива,используемогодвигателями?..................120

ОтвзлётадопосадкиПодготовкак полёту(часть1).........................................................................122Подготовкак полёту(часть2).........................................................................124Наконец-тозапускдвигателя!........................................................................126Наконец-товзлёт!...........................................................................................128Какв действительностииспользуютсявзлётныескорости?.......................130Началосниженияи посадка...........................................................................131

Почему самолёты умеют летать

РАВ

НО

ВЕС

ИЕ

ЧЕТ

ЫР

ЁХ С

ИЛ

ДЛ

Я А

ВТО

МО

БИ

ЛЯ

И Д

ОРО

ГИ, Д

ЛЯ

САМ

ОЛ

ЁТА

И В

ОЗД

УХА

Автомобильстоитнеподвижнонадорогеблагодарятому,чтовесавтомобиля,с которымондавитнадорогу,и силапротиводей-ствияотдороги,называемаясилойнормальнойреакции,уравно-вешиваютдругдруга.

Втомслучае,еслиавтомобильедетс постояннойскоростью,сила,тянущаявперёд,создаётсядвигателем,и, крометого,существуетсила,направленнаяпротивоположнонаправлениюдвижения,на-зываемая сопротивлением и  включающая силу трения колес обдорогу, сопротивление воздуха и др. Равнодействующая этих силравнанулю,посколькуавтомобильнеразгоняетсяине тормозится;приэтомговорятотом,чтоэтисилыуравновешиваютдругдруга.

Итак, для движущегося автомобиля существует равновесиечетырёх сил:силытяжести,силыпротиводействиядороги,силы,тянущейеговперёд,и сопротивления.

Ив случаесамолётасовершенноаналогичноавтомобилюимеет-сяравновесиечетырёхсил,новоздух,в отличиеотдороги,поддер-живатьсамолётнестанет,еслиничегонепредпринимать.Длятогочтобыуравновеситьсилутяжести,необходимоопиратьсянавоздух.Дляэтогонужныкрылья.

Силу, создаваемую крыльями, называют подъёмной силой,и дляеесозданиясамолётдолжендвигатьсявперёд.Другимисло-вами,онделаетэтонетолькос цельюперемещения,тотакжеи длясозданияподъёмнойсилы.Именноблагодарятому,чтоондвига-етсявперёди крыльяразрезаютвоздух,и возникает(в результатепротиводействиявоздуха)подъёмнаясила.

Для самолёта силу, толкающую вперёд и создаваемую двига-телем,называюттягой,а силусопротивлениявоздуха—сопро-тивлением,исовершенноаналогичноавтомобилюв случаепо-лётанапостояннойвысотес постояннойскоростьюсилатяжестии подъёмнаясиларавнымеждусобойповеличине;итожесамоеможносказатьотягеи сопротивлениивоздуха.

Важнойтехническойхарактеристикойсамолётаявляетсяаэро-динамическое качество. В случае если подъёмная сила равна250 т,а силасопротивления—14 т,аэродинамическоекачество,равняющеесяотношениюподъёмнойсилыктяге,составит 18.Этоозначает,чтодляполётаэтомусамолётудостаточнотяги,равнойоднойвосемнадцатойеговеса.

Равн

овес

ие

сил

10

Возд

ух н

е ст

анет

под

держ

иват

ь са

мол

ёт с

ам п

о се

бе

11

Почему самолёты умеют летать

1

Сила нормальной реакции: 1000 кг

Сила тяжести：1000 кг

Тяга: 35 кгСила трения + сопротивление воздуха: 35 кг

Равновесие четырёх сил при движении автомобиля с постоянной скоростью

Сила, двигающая автомобиль с постоянной скоростью, составляет примерно 1/30 его веса

Аэродинамическоекачество

Аэродинамическоекачество

25014

≈ 18

Равновесие четырёх сил при полёте самолёта с постоянной скоростью

=

=

подъёмная силасопротивление

Подъёмная сила: 250 т

Отсюда видно, что сила, заставляющая самолёт лететь с постоянной скоростью, составляет примерно 1/18 от его веса

Сопротивление: 14 т

Сила тяжести: 250 т

Тяга: 14 т

ИСС

ЛЕД

УЕМ

СИ

ЛЫ

ВО

ЗДУХ

А ( Ч

АСТ

Ь 1)

Чтобыопределитьподъёмную силу,поддерживающуюсамолёт,мысначалапопробуемвыяснить,какоепримернодавлениесоздаётвоздух.

Еслипогрузитьрукув воду,тов нейвозникнетощущениесдав-ливания. Эта силаназывается статическимдавлением. Если выопуститерукувпроточнуюводу,топочувствуете,каксилатечениявоздействуетнаруку,сдвигаяеесместа.Этусилуназываютдина-мическимдавлением, и, если говорить сложным языком,дина-мическое давление имеет касательную (тангенциальную) состав-ляющую, величина которой зависиттакже от ориентацииладонии отееформывнаправлениипотокаводы.В этомможнонесложноубедиться,взглянувнакарпа,которыйспокойноостаётсянаодноми томжеместев реке,легонькоотклоняяпотокводыхвостом.

Воздух,каки вода,относитсяк такназываемымтекучимсре-дам,поэтомуопределенияи статического,и динамическогодавле-нийздесьбудуттакимиже.Внекоторыхслучаяхможноощущатьдинамическоедавление,напримерприветре,ностатическоедав-лениевоздухамыпочувствоватьнеможем.Этопроисходит,потомучтодавлениевнутринашеготелатакжеравно1атмосфере.

1 атмосфера— это давление атмосферы на уровне поверхностиземли,и еёвеличинаравнаотношениювесаводяногостолбавысотой10мк площадиоснования,равной1м2,т. е.на1 м2площадиприхо-дитсявеспримерно10т.

Вкачествепримера,позволяющегореальноощутитьвеличинуэтой силы, можно привести присоску, которая используется, на-пример,длякреплениякрючковкплиткев ваннойкомнате,куданельзявбиватьгвозди.

Какпоказанонарисунке,давлениевоздуханасторонеплитки,к которойприлиплаприсоска,можносчитатьблизкимк нулю.На-против,на внешней сторонебудетдействовать сила, равнаяпри-мерно20кг.

Этуприсоскуотлепитьнелегко,таккактребуетсясила,поднима-ющая 4 пластиковые бутыли объёмом по 5 л каждая. Однако еслизапуститьнавнутреннююсторонуплиткивоздух,топрисоскалегкоснимется,таккакдавлениевоздухапообе стороныстанетравным1 атмосфере.

Равн

овес

ие

сил

12

При

чина

тог

о, ч

то п

рисо

ска

прил

ипае

т к 

плит

ке в

 ван

ной

ком

нате

13

Почему самолёты умеют летать

1

20 кг

Приняв радиус присоски за 2,5 см, получим площадь присоски2,5 × 2,5 × 3.14 ≈ 20 см2,поэтому на всю присоску будет действовать сила, равная20 см2 × 1 кг/см2 × 20 кг

100 км

Стол

б во

здух

а

Стол

б во

ды Стол

б рт

ути

760 мм

10 332 м

1 м1 м1 м1 мПлотность: 13 595,1 кг/м3Плотность: 1000 кг/м3

Давление столба ртути: 13 595,1 × 0,76 = 10 332 кг/м2

Давление столба воды: 10 332 × 1000 = 10 332 кг/м2

Давление столба воздуха: 10 332 кг/м2

Присоска и давление воздуха

Величина давления, равная 1 атмосфере

Сравнивая столбы воздуха, воды и ртути, создающие давление в 1 атмосферу, получим высоты, показанные на следующем рисунке

×

ИСС

ЛЕД

УЕМ

СИ

ЛЫ

ВО

ЗДУХ

А ( Ч

АСТ

Ь 2)

Когдамымоеммашину,топризажиманииконцашлангаструяводы становится сильнее, что очень удобно для удаления грязис автомобильныхшин.Как вы думаете,почемусиластруи,т.е.ско-рость воды, увеличивается, несмотрянато что количество воды,выходящееизкрана,неизменяется?

То,чтопризажиманиикончикашлангаусиливаетсяструяили,другимисловами,увеличиваетсяскоростьтеченияводы,означает,чтовозрастаетдинамическоедавление.

Заметим,чтоеслидавлениеводыв окрестностяхзажатогоконцашлангасталобыбольше,чемисходное,товодапересталабытечь.Однаков действительностиводаиззажатогошлангальётсясболь-шейскоростью,чтопозволяетлучшесмыватьгрязь.

Причинаэтогозаключаетсяв том,чтоеслиувеличиваетсяско-рость течения (иными словами, возрастает динамическое дав-ление), то уменьшается статическое давление, благодаря чемуполное давление остаётся постоянным, поэтому течение будетнеразрывным.

Давайте обдумаем тот факт, что при росте динамического по-нижаетсястатическоедавлениес точкизрениязаконасохраненияэнергии.Энергиядавления(статическоедавление)в узкомка-нале превращается в  кинетическую энергию (динамическоедавление),нополнаяэнергия(полноедавление),в соответствиис закономсохраненияэнергии,неизменяется.Этоназываетсяза-кономБернуллиивыражаетсяформулой,приведённойнарисунке.

Всёвышеизложеноеравноприменимои дляслучая,еслизаме-нитьводунавоздух.Например,почемуеслимыкакследуетпод-ставимсяветру,топочувствуемсилу,стремящуюсяопрокинутьнасназад?

Ветеростанавливаетсятелом,и егоскоростьстановитсяравнойнулю,поэтомукинетическаяэнергияветрапревращаетсяв  энер-гиюдавления,с обращеннойкветрустороныповышаетсястатиче-скоедавление,и мычувствуемсилу,стремящуюсяопрокинутьнасназад.Такимобразом,динамическоедавлениепроявляетсвоюсилув качествестатическогодавлениятолькопослетого,кактечениебу-детостановлено.

Равн

овес

ие

сил

14

Связ

ь м

ежду

ста

тиче

ским

и д

инам

ичес

ким

дав

лени

ями

15

Почему самолёты умеют летать

1

S1V1

S1V1

P + ρ V212 = const

(статическое давление) + (динамическое давление) = const

Закон Бернулли

Связь между статическим и динамическим давлениями

Если зажать конец шланга

Если обозначить S1 площадь поперечного сечения шланга, V1 – скорость течения в нём, а S2 – площадь поперечного сечения трубы, зажатой пальцами , V2 – скорость течения в ней, то количество воды W, протекающее за время t, так как оно одинаково и в широком месте, и на конце трубы, может быть выражено как:

W = ρ × S1 × V1

× t = ρ × S2 × V2

× t.Следовательно,

S1 × V1 = S2

× V2 (уравнение неразрывности потока).Если обозначить P статическое давление, то в широком месте шланга потенциальная энергия = (давление) × (объём)

= P × S × V × t. Кинетическая энергия = 1/2 × (масса) × (скорость)2

= 1/2 × (ρ × S × V × t) × V2.Для конца трубы всё будет аналогично.Далее из равенства полных энергий в широком месте шланга и в месте сужения следует, что:

P × S1 × V1

× t + 1/2 × (ρ × S1× V1

× t) × V12

= P × S2 × V2

× t + 1/2 × (ρ × S2 × V2

× t) × V22.

Так как, согласно уравнению неразрывности потокаS1

× V1 = S2 × V2,

в левой и правой частях исчезает это произведение и t, получим:

P + 1/2 × ρ × V12 = P + 1/2 × ρ × V2

2.

ЧТО

ТА

КО

Е СИ

ЛА

, СО

ЗДА

ВА

ЕМА

Я К

РЫ

ЛО

М ( П

ОД

ЪЁМ

НА

Я СИ

ЛА

) ?

Равн

овес

ие

сил

16

Под

ъём

ная

сила

про

порц

иона

льна

я ди

нам

ичес

ком

у да

влен

ию и

пло

щад

и кр

ыла

Карпв рекеможетспокойнооставатьсянаодномместе,легонькоотклоняятечениедвижениямихвоста1.

Причинаэтогозаключаетсяв формееготела,котораяноситназва-ние«обтекаемой».Еслипосмотретьнакартинутечениявокругкарпасверху,можноувидеть,чтолинии(такназываемыелиниитокажид-кости)зеркальносимметричныотносительнопродольнойосирыбы.Даже если течение повернет, или, другими словами, динамическоедавлениеизменится,величиныдавленийс обеихсторонкарпаоста-нутсяодинаковыми,поэтомусвязанныеснимисилыуравновешива-ютдругдруга.

Этоозначает,чтоеслинарушитьравновесиединамическогодав-ления,топротиводействиебудетпорождатьсилу,и чембольшебу-детизбыточноединамическоедавление,тембольшебудетэтасила.

Этусилуможноиспытатьнасебеи имеяделоссовершеннопри-вычнымивещами.Например,еслипостепенноприближатьвыпу-клуюсторонуложкик струеводы,выходящейизкрана,то,начинаяс определённогорасстояния,неожиданноначнётдействоватьсила,котораябудетзатягиватьложкув струюводы.Этопроизойдёт,по-томучтовоздух,находящийсяс изогнутойстороны,начнётуско-рятьсяводой,в результатечегоувеличитсядинамическоеиумень-шитсястатическоедавление.

Какизвестно,еслиподутьсверхуналистокбумаги,тоонподни-мется,и  этотожепроисходитповышеописаннойпричине.Далее,какпоказанорисунке,еслипровестиэкспериментыприсильномве-трес дощечкамиразнообразнойформыподразличнымиуглами,тостанетясно,чтосуществуетформадоскии уголкнаправлениюве-тра(уголатаки),прикоторыхсиласоздаётсянаиболееэффективно.

Силу, которую таким образом создаёт крыло, используя силу,вызываемуюразницейдинамическогодавления,называютподъ-ёмнойсилой.Отклоняясьотосновойтемы,скажем,что,наверное,«подъёмкарповповодопаду»будетвозможен, еслииспользоватьдинамическоедавлениеводопада,котороеещёбольше,чемдина-мическоедавлениереки.

Такимобразом,приотклонениивоздухакрыломвозникаетподъём-наясила,а динамическоедавлениеимееткасательную(тангенциаль-ную)составляющую,величинакоторойзависитотформы,обращеннойкпотоку(другимисловами,отплощади),поэтомуясно,чтоеслипло-щадькрылабудетбольшой,топодъёмнаясилатожебудетзначительной.

Извышеизложенногопонятно,чтоподъёмнаясилапропорцио-нальнадинамическомудавлениюи площадикрыла.

1ВЯпонии5маяотмечаетсяПраздникмальчиков;уяпонцеввэтотденьестьпре-краснаятрадиция –вывешиватьразвевающиесянаветруизображениякарпов,которыеназываютсякои-нобори.Обычайкрасивый,онемдовольномногонаписановинтернете.

Хокутоки –эточастьпутикарпа,плывущеговверхповодопаду.Японскийкарп –упрямая рыба, преодолевающая бурное течение водопада,  – символизирует ду-ховнуюпобедунадсобойифизическуюпобедунадвстречающимисяпреградами.Япония –этонетолькодзэнимудроеспокойствие,достигатьнирваныможноиак-тивно –вбоюбезправилиоружия.–Прим. ред.

17

Почему самолёты умеют летать

1

Течение воздуха, которое создаёт подъёмную силу

Условия, при которых не возникает подъёмная сила

Угол атаки

Потоквоздуха

Потоквоздуха

Поперечное сечение доски

Поперечное сечение крыла

Воздух, оторвавшийся от поверхности

Если правильно выбрать угол, под которым крыло рассекает воздух, — угол атаки, то возникнет подъёмная сила, которая направлена вверх и действует под прямым углом к потоку воздуха

Если угол, под которым крыло встречает воздух (угол атаки), слишком большой, то течение воздуха срывается с поверхности и подъёмная сила не возникает

Равн

овес

ие

сил

18

ПРО

БУ

ЕМ В

ЫРА

ЗИТ

Ь П

ОД

ЪЁМ

НУ

Ю С

ИЛ

У С

ПО

МО

ЩЬ

Ю Р

АСЧ

ЁТН

ОЙ

ФО

РМ

УЛЫ

Под

ъём

ная

сила

= к

оэф

фиц

иент

под

ъём

ной

силы

x д

инам

ичес

кое

давл

ение

x п

лощ

адь

кры

лаДалеемырассмотримэтосдругойточкизрения:попробуемопреде-

литьподъёмнуюсилу,считая,чтокрылоотклоняеттечениевоздухана-зади внизотсебя,а подъёмнаясилаявляетсясилойэтогопротиводей-ствия.Величинапротиводействия,согласновторомузаконуНьютона

сила = масса × ускорение,

будетследующей:

подъёмная сила = масса воздуха × отклоняющее ускорение.

Итаккак

ускорение = скорость / время,

получится,что

подъёмная сила = масса воздуха × скорость / время.

Времявэтойформуле—этотовремя,закотороевоздухпроходитдлинукрылавнаправлениипотока,ипоэтомуможнозаписать,что

время = длина крыла / скорость.

Далее:

масса воздуха = плотность воздуха × объём крыла,

и приэтомтакже:

объём крыла = длина крыла × площадь сечения крыла.

Другимисловами,становитсяясно,чтоподъёмнаясилапропорци-ональна

плотность воздуха × (скорость)2 × площадь крыла.

Вводятакназываемыйкоэффициентподъёмнойсилы,получим,что

подъёмная сила = коэффициент подъёмной силы × плотность воздуха × × (скорость)2 × площадь крыла.

Еслиболеепростосчитать,чтоподъёмнаясила—этопротиво-действиевоздуха,возникающееблагодарятому,чтокрылопере-распределилодинамическоедавление,действующеенаверхнююинижнююповерхностикрыла,то,таккаксила,действующаянавсёкрыло,равна

динамическое давление × площадь крыла,

можнобудетзаписать,что

подъёмная сила = коэффициент подъёмной силы ×  × динамическое давление × площадь крыла.

Подытоживая вышесказанное, получим формулу, показаннуюна рисункедалее.

ρV12

2CL

S

ρV212

ρV212

ρV212

Формула расчёта подъёмной силы

Воздух, текущий вдоль поперечного сечения крыла, и величина подъёмной силы

Так как подъёмная сила возникает в результате изменения динамического давления, действующего на всю площадь крыла, подъёмная сила будет пропорциональна (динамическое давление) × (площадь крыла).Если ввести коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом подъёмной силы, то получится следующая формула:

(подъёмная сила) = (коэффициент подъёмной силы) × (динамическое давление) × (площадь крыла)

Поперечное сечение крыла

Поперечное сечение крыла

Поперечное сечение крыла

Подъёмная сила

Подъёмная сила

Если уменьшить угол атаки, то степень отклонения назад понизится, что в формуле приведёт к уменьшению коэффи-циента подъёмной силы, поэтому подъёмная сила станет меньше

Если увеличить угол атаки, то степень отклонения назад возрастёт, в формуле это приведёт к увеличению коэффициента подъёмной силы, поэтому подъёмная сила станет больше

Для крыла, симметричного относительно срединной плоскости, при угле атаки, равном нулю, подъёмная сила не возникает, так как изменения динамического давления сверху и снизу равны друг другу (пример: для вертикального оперения лучше, чтобы угол атаки был равен нулю и подъёмная сила не возникала)

19

Почему самолёты умеют летать

1

Сила воздуха, действующая перпендикулярно направлениюдвижения, –этоподъёмнаясила,а противнаправлениядвиже-ния –силасопротивления.

Каквызнаете,ещёГалилеембылоустановлено,чтоеслиуро-нитьпредметс определённойвысоты,тов случаеотсутствиясо-противлениявоздухаскоростьпадениябудетодинаковойвнеза-висимостиотвеса.

Этаскоростьпадениякаждуюсекундуувеличиваетсяна9,8 м/c.Это  – ускорение, возникающее под действием силы тяжести.В случаеотсутствиясопротивлениявоздухападениебудетпроис-ходитьс постояннымускорением(свободноепадение).

Например, в  скайдайвинге первые несколько секунд послепрыжка происходит ускорение под действием силы тяжести.Однакоужечерезнесколькосекундскоростьполётастановитсяпостоянной (вположениителалицомвниз –около200км/ч!).Это происходит,потомучтосопротивлениевоздухаи силатяже-стиуравновешиваютоднадругую.

Когда раскрываетсяпарашют, происходит замедлениедота-койскорости,прикоторойнетопасностисломатьногу,и скай-дайвер,контролируявеличинусопротивлениявоздуха,неторо-пливоснижаетсяи приземляется.

Итак,мыустановили,чтоприперемещенииввоздухес большойскоростьювоздухдействуетнадвижущиесявнемпредметы, а в слу-чаес полётомсамолётасилудействиявоздухаразделяютна:

• подъёмнуюсилу –силусоздуха,действующуюперпенди-кулярнонаправлениюдвижения;

• сопротивление –силувоздуха,действующуюв направле-нии,противоположномнаправлениюдвижения.

Другими словами,и подъёмная сила,и  сопротивлениеявля-ютсясилами,создаваемымивоздухоми действующиминасамо-лёт,которыепростоназываютсяпоразномув зависимостиотна-правлениясвоегодействия.

Сила,воспринимаемаяотвоздуха, –это,какбылообъясненоранее,динамическоедавление.Таккаки сопротивление,и подъ-ёмная сила пропорциональны динамическому давлению ана-логичнымобразом,формулыдляихрасчётаполучаютсяпочтиодинаковыми.Отличиезаключаетсялишьв том,чтовместоко-эффициентаподъёмнойсилытудавходиткоэффициентсопро-тивления.

Равн

овес

ие

сил

20

ДИ

НА

МИ

ЧЕС

КО

Е Д

АВ

ЛЕН

ИЕ,

КО

ТОРО

Е СА

МО

ЛЁТ

ИСП

ЫТ

ЫВ

АЕТ

ОТ

ВО

ЗДУХ

А

Сила

воз

духа

, дей

ству

ющ

ая п

ерпе

ндик

уляр

но н

апра

влен

ию д

виж

ения

, — э

то п

одъё

мна

я си

ла,

а пр

отив

нап

равл

ения

дви

жен

ия —

сил

а со

прот

ивле

ния

80 кгСопротивление

Сила тяжести

[Скайдайвинг]Через несколько секунд после прыжка сопротивление воздуха уравновешивает силу тяжести, после чего снижение продолжается с постоянной скоростью.Если вес составляет 80 кг (включая снаряжение), то скорость составляет 200 км/ч!

80 кг

10 м

20 м

30 м

40 м

50 м

0 м

ρV212CD S

Свободное падение при отсутствии сопротивления воздуха

Свободное падение при наличии сопротивления воздуха

Через 1 с: скорость 9,8 м/с, снижение на 4,9 м

Через 2 с: скорость 19,6 м/с, снижение на 19,6 м

Через 3 с: скорость 29,4 м/с, снижение на 44,1 м

Теоретически скорость быстро увеличивается

Формула сопротивления

(площадь крыла)

Подъёмная сила:Одна из сил воздуха, действующих на самолёт, которая действует перпендикулярно направлению движения.Сопротивление:Одна из сил воздуха, действующих на самолёт, которая действует. в направлении, противоположном направлению движения.

(коэффициент сопротивления)

(сопротивление) = × ×(динамическое давление)

21

Почему самолёты умеют летать

1

Равн

овес

ие

сил

22

КА

К С

ОЗД

АЁТ

СЯ С

ИЛ

А Д

ЛЯ

ДВ

ИЖ

ЕНИ

Я В

ПЕР

ЁД

В чё

м р

азли

чие

меж

ду с

амол

ётом

, вер

толё

том

и п

тице

й? Птица, умеломахая крыльями, разрезает ими воздух, создавая

подъёмнуюсилутойихчастью,котораяначинаетсяотоснования(места крепления) крыла и  доходит примерно до его середины,и образуятягукончикамикрыльев.

Птица одними только крыльями создаёт и  подъёмную силу,и тягу,свободнолетаяв небе.

Аналогично этому вертолёт тоже создаёт и  подъёмную силу,и тягуоднимитольколопастямивинта.Этотпринципсхожсис-пользуемым в  японской игрушке такэтомбо (бамбуковая стреко-за) –вместотогочтобымахатькрыльями,онаихвращает,создаваяподъёмнуюсилуи силутяги.Таккаквертолётлетаетв небе,вращаялопастямивинта,еготакженазываютвинтокрылымлетательнымаппаратом.

Самолёт, которыйназываютлетательным аппаратом с  непод-вижнымкрылом,неможетмахатькрыльями,таккакв полномсо-ответствиис этимназваниемегокрыльянеподвижнозакреплены.Длятогочтобыразрезатькрыльямивоздух,приходитсядвигать-ся вперёд, вместо того чтобымахать крыльями. Самый простойспособдвигатьсявперёд –прыгнутьвнизс высокогоместа.Еслидодостижения земли удастсяполучитьдостаточнуюподъёмнуюсилу,тоэтоуспех.

Первымполётом,которыйудалосьсовершить,взлетевс земли,был полёт, осуществлённый братьями Райт с  помощью автомо-бильногомотора,которыйвращалпропеллер(1903г.).Через30летпослеэтогоначаласьисторияреактивныхдвигателей(jet engine),которыесейчасявляютсяосновнымидвигателямидляпассажир-скихсамолётов.

Принципработыреактивногодвигателя, просто говоря, анало-гиченпринципуполётанадутоговоздушногошарика(см.стр. 27),толькошарикнеможетлететь,послетогокакизрасходуетвоздух,а  реактивный двигатель, всасывая большое количество воздухаи выбрасываяэтотвоздухпозадисебя,придаваяемуускорение,мо-жетлететьдотехпор,покавокругнегоимеетсявоздух.Такойдви-гательназываетсяреактивным,таккак создаваемаяимсилатягиявляетсясилойреакцииилисилойпротиводействиясостороныот-брасываемоговоздуха(по-английскиэтоjet)1.

1Подробнопрореактивныйдвигательбудетрассказанов следующейглаве.

23

Почему самолёты умеют летать

1

Братья Райт перед первым моторным полётом выполнили несколько планирующих полётов

Самолёт, на котором братья Райт в 1903 году совершили первый в мире полёт с использованием мотора

Сила, толкающая вперёд

ПтицаПтица, взмахивая крыльями, создаёт подъёмную силу с помощью части поверхности крыльев у их основания (места их крепления), а тягу – кончиками крыльев

Такэтомбо (игрушка «бамбуковая стрекоза»). В вертолёте используется тот же самый принцип

Такэтомбо

Подъёмная силаПодъёмная сила

Сила тяжести

Сила, толкающая вперёд

24

Фестиваль фейерверковКот и трясКа самолёта

Самыестрашныевещив мирев порядкеубыванияперечис-леныпословицей«землетрясение,гроза,пожар,отец»(япон-скаяпоговорка),однакоземлетрясениенеимеетотношенияк самолёту,летящемув небе.Самымстрашнымдлясамолётавнебесчитаетсяпожарс салоне,а второепоопасностияв-ление –гроза.Еслиречьзаходито Cb(cumulonimbuscloud),чтоозначает«кучевыеоблака»,которыеобычныелюдина-зываютгрозовыми,товсякий,связанныйс авиацией,сразуостанавливаетсяи опасливонастораживается.Особенноког-да говорятпровечерний«фестивальфейерверков»в концесезонадождейилираннимлетом,тоимеютв видуэтигрозы.Тучи,сверкающиемолниями,выглядяткакнакартине,нари-сованнойприродой,нотолькоеслисмотретьнанихиздалека.Разужразговорзашёло фейерверках,настоящиефейервер-кипривзгляденанихс небеспохожинамаленькиешарики,сверкающиеразнымицветами,и впериодлетнегопраздникаОбон(японскийпраздникпоминовенияусопших)тути тамможновидетьнастоящиефестивалифейерверков.

Тряскусамолётаприясномнебе,накоторомнет,например,грозовыхоблаков, называютCAT (clear air turbulence:турбу-лентностьясногонеба).Этооченьподходящееназвание,таккактакаятрясканачинаетсянеожиданно,подобнонеуловимо-мукоту(отсat – кот).Похоже,чтотурбулентностьясногонебаособенночастовстречаетсянатакихнаправленияхперелётаиз Японии, как Гонолулу или Западное побережье США, гдепри выборе маршрутов полёта стремятся использовать по-путныеветры,основанныенаструйныхтечениях(jetstream).Всвязис этимнаданныхлинияхкромедокладао местополо-жении(positionreport)(докладв диспетчерскийцентро точкемаршрута)включаетсятакжеинформацияо турбулентности,так чтобыонамогладойтии додругихсамолётов.