Почему самолёт летает

Крыло создаёт подъёмную силу, когда самолёт движется сквозь воздух. Двигатели поддерживают скорость и преодолевают сопротивление.

Проследим полёт от разбега до посадки. Вы увидите, что делает крыло, зачем самолёту двигатель, почему скорость важна и в какой момент попытка сильнее поднять нос перестаёт помогать.

В статье вы узнаете:

• Посмотрите на взлёт глазами пассажира
• Четыре силы, которые действуют на самолёт
• Что делает крыло с воздухом
• Угол атаки: крыло можно наклонить, но не бесконечно
• Зачем тогда двигатели и почему летит планёр
• Почему крыло на взлёте и посадке меняет форму
• Почему самолёт не падает, если он такой тяжёлый
• Может ли самолёт лететь вверх колёсами
• Проверьте идею на бумажном самолётике
• Главное о полёте самолёта

Посмотрите на взлёт глазами пассажира

Пока самолёт стоит у выхода на посадку, его вес несут шасси и бетон. Двигатели начинают толкать машину вперёд, колёса катятся быстрее, а воздух обтекает крылья всё интенсивнее. Пилот плавно поднимает нос. Через несколько секунд колёса теряют контакт с полосой: теперь самолёт поддерживает взаимодействие крыльев с воздухом.

Разгон нужен крылу не ради магической «скорости отрыва» самой по себе. При прочих равных чем быстрее воздух проходит относительно крыла, тем больше аэродинамические силы. Крыло можно поставить под другим углом к встречному потоку или изменить его форму закрылками, но у каждого самолёта есть сочетание скорости и положения крыла, при котором безопасный взлёт становится возможным. Поэтому тяжёлому авиалайнеру нужна полоса, а бумажный самолётик получает необходимую начальную скорость от руки.

Здесь важна скорость относительно воздуха. При встречном ветре для той же воздушной скорости самолёту нужна меньшая скорость относительно полосы. Поэтому самолёты обычно взлетают против ветра: как правило, им требуется меньшая дистанция разбега. Сильный ветер сам по себе не заменяет тягу и управление, но показывает, с какой средой на самом деле работает крыло.

Четыре силы, которые действуют на самолёт

Вообразите самолёт в ровном горизонтальном полёте. Земля тянет его вниз: это вес. Крылья создают подъёмную силу вверх. Двигатели дают тягу вперёд. Воздух сопротивляется движению и создаёт сопротивление назад. На рисунке стрелки расположены так, как их удобно видеть при прямолинейном горизонтальном полёте.

Если самолёт летит ровно, с постоянной скоростью и высотой, вертикальная пара сил и продольная пара взаимно уравновешены: подъёмная сила равна весу, тяга равна сопротивлению. Это не означает, что все четыре стрелки одинаковой длины. Самолёт при этом продолжает лететь. Для движения с постоянной скоростью не нужна непрерывная «победа» одной силы над другой; нужна тяга, которая компенсирует тормозящее действие воздуха.

В повороте самолёт наклоняется, и поддерживающая сила крыла наклоняется вместе с ним. Тогда часть её действия помогает менять направление полёта. Для понимания основного принципа дальше будем говорить о прямом горизонтальном полёте, где подъёмная сила направлена вверх.

Что делает крыло с воздухом

Мысленно замедлим полёт и посмотрим на крыло сбоку. Воздух подходит к передней кромке, обтекает верхнюю и нижнюю поверхности и покидает крыло с изменённым направлением. В целом крыло сообщает части воздуха движение вниз. Воздух в ответ действует на крыло силой с составляющей вверх. Именно это NASA называет одной из удобных картин подъёмной силы.

Но воздух не бьётся только о плоское днище, словно мяч о ракетку. Крыло изменяет течение и сверху, и снизу. В типичном режиме давление над большей частью крыла ниже, чем под ним: вместе силы давления дают результат, направленный вверх. Если сложить действие давления по всей поверхности крыла и меньший вклад трения, получится результирующая аэродинамическая сила. Её часть поперёк потока и есть подъёмная сила. Вслед за крылом поток уходит вниз: это другая сторона той же картины.

Знакомая фраза «над крылом воздух движется быстрее, значит давление ниже» может быть частью объяснения, но её часто сопровождают неверной историей. Иногда говорят, что две соседние порции воздуха разделились у носика крыла и обязаны встретиться за задней кромкой одновременно. Никакого такого правила нет. Верхний поток может добраться до задней кромки раньше нижнего. Из выдуманного времени встречи нельзя выводить скорость воздуха и подъёмную силу.

Почему же вообще воздух движется вокруг крыла именно так? На течение одновременно влияют форма профиля, угол крыла к потоку, скорость, свойства воздуха и окружающее давление. Рассчитать точную картину для настоящего крыла сложнее, чем подставить один «лишний путь» в формулу. Удобная интуиция такая: крыло направляет воздух вниз, а распределение давления передаёт ответную силу крылу. Законы Ньютона и описание давления через уравнение Бернулли не являются двумя отдельными двигателями подъёмной силы; они смотрят на один поток с разных сторон. NASA в объяснении подъёмной силы

Форма крыла помогает создавать нужную силу с приемлемым сопротивлением. Но изогнутый верх не служит волшебным разрешением на полёт: даже почти плоская пластина под подходящим углом к воздуху способна создать подъёмную силу. Именно поэтому летит и простой бумажный самолётик, хотя его «профиль» не похож на крыло авиалайнера.

Угол атаки: крыло можно наклонить, но не бесконечно

Угол атаки показывает, как крыло встречает набегающий воздух. Для его измерения проводят условную прямую от передней кромки профиля к задней и сравнивают её направление с направлением встречного потока. Это не просто угол между носом самолёта и горизонтом. Самолёт может лететь вверх или вниз, а поток относительно крыла будет приходить под другим углом.

На разбеге пилот поднимает нос, и угол атаки обычно увеличивается. Крыло сильнее меняет направление воздуха и создаёт больше подъёмной силы при той же скорости. Это помогает оторваться от полосы. Однако если продолжать увеличивать угол, поток у верхней поверхности перестанет обтекать её прежним образом. Он может отделиться от крыла, подъёмная сила заметно уменьшится, а сопротивление вырастет. Такое состояние называется сваливанием.

Слово звучит так, будто заглох двигатель. На самом деле аэродинамическое сваливание связано прежде всего с чрезмерным углом атаки. Оно возможно и при работающих двигателях; условия полёта определяют скорость, при которой крыло достигнет критического угла. Если тянуть нос выше после ухудшения обтекания, поддержка не вернётся. Пилоты учатся распознавать предупреждения и уменьшать угол атаки, восстанавливая поток. Это не инструкция для самостоятельного пилотирования, а смысл названия: крыло потеряло прежний режим работы, а не «забыло, как летать». руководство FAA по аэродинамике полёта

Есть полезная аналогия с ладонью из окна движущейся машины. Чуть наклоните ладонь, и поток потянет её в сторону; поверните круче, и сопротивление станет гораздо заметнее. Но не проводите такой опыт на дороге: для ощущения достаточно представить его или воспользоваться струёй от безопасного настольного вентилятора с защищёнными лопастями. Ладонь не повторяет форму и всю аэродинамику крыла, она помогает заметить роль угла.

Зачем тогда двигатели и почему летит планёр

У обычного самолёта двигатель в первую очередь создаёт тягу вперёд. Воздух тормозит самолёт. Без достаточной тяги скорость или высота со временем будут меняться, а для долгого ровного полёта нужен источник энергии. Двигатель поддерживает движение относительно воздуха, благодаря которому крыло работает. Он не должен вертикально «держать» пассажирский авиалайнер, как ракета на старте.

Планёр даёт хорошую проверку этой мысли. У него нет двигателя, но есть крылья и скорость относительно воздуха. После запуска он может скользить вперёд и вниз: часть его запаса высоты уходит на преодоление сопротивления. Опытный пилот в подходящем восходящем потоке может вновь набрать высоту. В обоих случаях подъёмная сила возникает у крыла, хотя привычной моторной тяги нет.

Остановка двигателя у уже летящего самолёта тоже не превращает его мгновенно в камень. Он способен планировать, пока сохраняет управляемую воздушную скорость и высоту. Насколько далеко и как безопасно он сможет лететь, зависит от конкретного самолёта и условий; это задача подготовки экипажа. Нам важен физический вывод: подъёмная сила не включается кнопкой двигателя. Она связана с движением крыла в воздухе.

Почему крыло на взлёте и посадке меняет форму

Если смотреть из иллюминатора, перед взлётом и посадкой можно заметить подвижные части крыла. Закрылки выходят из задней части, у многих самолётов работают и устройства у передней кромки. Они меняют профиль и обтекание, увеличивая максимальную подъёмную силу и позволяя лететь на сравнительно небольшой скорости. Это особенно важно, когда самолёт только покидает землю или возвращается к ней.

У этой возможности есть цена: выпущенные устройства обычно увеличивают сопротивление. На большой крейсерской скорости их убирают, потому что для обычного ровного полёта выгоднее более «чистое» крыло. С посадкой связано и намеренное усиление сопротивления: самолёт должен безопасно замедлиться. Поэтому крыло, которое пассажир видит на взлёте, в полёте и на посадке, выглядит по-разному. Его форму подстраивают под разные режимы, а не «чинят» по ходу маршрута.

Теперь можно ответить на знакомый вопрос: если закрылки дают больше подъёмной силы, почему бы не держать их выпущенными всё время? На крейсерской скорости лишнее сопротивление обошлось бы дорого. Конструкторы и пилоты используют дополнительную подъёмную силу там, где она нужна при небольшой скорости, и убирают устройства там, где важнее эффективность движения.

Почему самолёт не падает, если он такой тяжёлый

Большой вес требует большой поддерживающей силы. У тяжёлого самолёта есть широкие крылья, двигатель для разгона и режим полёта, для которого вся машина спроектирована. Нельзя сравнивать массу самолёта с массой птицы и делать вывод, что полёт невозможен: сравнивать пришлось бы ещё площадь и форму крыла, скорость относительно воздуха и условия полёта.

Есть и предел. Если самолёт загрузили сверх допустимого, важные расчётные запасы исчезают: для взлёта могут понадобиться иная скорость или длина полосы, меняется поведение при посадке. Именно поэтому в авиации контролируют загрузку и положение центра тяжести. Здесь не нужна одна универсальная цифра в тоннах: безопасное значение зависит от конкретного самолёта и рейса.

С этой точки зрения объяснение «самолёт держится потому, что воздух плотный» неполно. Воздух действительно нужен, а его плотность влияет на подъёмную силу. Но решающая картина включает движение крыла, его форму и положение. На большой высоте воздух разреженнее; самолёт поддерживает полёт, подбирая соответствующую скорость и режим в пределах своих возможностей. В космическом вакууме обычное крыло не создаст аэродинамическую подъёмную силу.

Может ли самолёт лететь вверх колёсами

Да, некоторые пилотажные самолёты способны лететь перевёрнутыми. Это наглядно показывает, что правило «верх крыла длиннее, поэтому самолёт летит» не может быть полным объяснением. В перевёрнутом положении пилот задаёт крылу такой угол к встречному потоку, чтобы нужная составляющая аэродинамической силы снова поддерживала самолёт относительно земли.

Но слова «самолёт может» не означают «любой самолёт должен». Пилотажные машины, их топливные и масляные системы и допустимые нагрузки рассчитаны на соответствующие манёвры. Пассажирский лайнер проектируют для другого набора задач. У него иной режим эксплуатации, поэтому перевёрнутый полёт не является штатным вариантом путешествия.

Проверьте идею на бумажном самолётике

Сложите простой бумажный самолётик с двумя одинаковыми крыльями. Запустите его мягко вперёд в просторной комнате, вдали от людей и хрупких вещей. Сначала отметьте, как далеко он скользит при спокойном ровном запуске. Затем измените только одно условие: слегка загните обе задние кромки вверх или вниз и повторите запуск с похожей силой. Посмотрите, стал ли самолётик задирать нос, резко терять скорость или уходить вниз.

Такой опыт показывает не численное значение подъёмной силы, а чувствительность полёта к форме и положению крыла. Чтобы вывод был честнее, сделайте несколько запусков и сравнивайте их между собой: рука каждый раз даёт немного другую скорость, а складки не бывают идеально одинаковыми. Если самолётик сразу клюёт вниз или задирает нос, попробуйте вернуть обе кромки ближе к исходному положению, а не закладывать вывод «крылья не работают».

Бумажный самолётик летит как маленький планёр: вы сообщили ему начальную скорость и высоту, а дальше он тратит этот запас в воздухе. Он не является точной моделью пассажирского авиалайнера, но помогает увидеть сразу две вещи: моторная тяга не обязательна для самого факта полёта, а удачное положение крыла важно не меньше красивой формы.

Главное о полёте самолёта

Самолёт летит благодаря взаимодействию крыла с воздухом. При подходящей скорости и угле крыло меняет направление потока, вокруг него складывается распределение давления и появляется подъёмная сила. В горизонтальном ровном полёте она уравновешивает вес, а тяга двигателя компенсирует сопротивление воздуха. Закрылки помогают работать на меньшей скорости у земли; чрезмерный угол атаки может нарушить обтекание и привести к сваливанию.

Если захотите объяснить это другу, не начинайте с двух частиц воздуха, которые якобы обязаны встретиться за крылом. Нарисуйте крыло, поток и четыре стрелки сил. Тогда и тяжёлый авиалайнер, и планёр, и бумажный самолётик окажутся разными примерами одной понятной физики.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.