Почему самолеты летают

Возможность летать людей привлекала всегда, но создание подобных современным лайнерам аппаратов еще чуть больше сотни лет назад казалось абсурдом. Астроному американского происхождения Саймону Ньюкому даже приписывали математические доказательства того, что поднять в небо технику тяжелее воздуха не получится, однако сейчас ежедневно взлетают 11000-13000 судов. Рассказываем, что изменилось и как самолетам удается перевозить миллионы пассажиров.

Как выглядит полет с точки зрения физики

Чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать силу тяжести за счет подъемной и противостоять силе сопротивления воздуха тягой

Невозможный, согласно математическим расчетам Ньюкома, полет современных лайнеров можно объяснить простым опытом. Для него понадобятся 2 одинаковые банки, пара похожих мух и весы. На одну чашу ставят емкость с насекомым, которое неподвижно сидит на дне. На другой оказывается банка с постоянно летающей мухой.

По логике, первая чаша должна перевесить фактически пустую вторую емкость. Но на деле обе части мерила окажутся в балансе. Летающая муха поднимается в воздух за счет направленного вниз потока импульса, добавляя банке несколько граммов и уравновешивая силу тяжести.

В случае с самолетом принцип в общих чертах похож, только организовано все гораздо сложнее. Летят аппараты благодаря подъемной силе (ПС), возникающей при взаимодействии потоков воздуха и крыла с аэродинамической формой. Последние располагаются под углом. Острием они рассекают поток на направленный вниз и «набегающий», из-за чего под крылом образуется область высокого давления, а над ним – низкого. Разница в итоге и порождает подъемную силу.

Но чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать не только силу тяжести за счет подъемной, но и противостоять силе сопротивления воздуха тягой. В отличие от насекомых, судно не способно набрать нужные скорость и высоту с помощью взмахов крылышками. «Стать на воздух» самолет сможет на определенной скорости, набрать которую помогают двигатели.

Наглядное объяснение того, как и почему летают самолеты. Какую роль в передвижении по воздуху играют крыло, двигатель и другие части конструкции.

Скорость взлета и движения на эшелоне

Скорость (V) передвижения у лайнеров непостоянна – на подъеме необходима одна, а в полете другая.

1. Взлет фактически начинается с момента движения судна по полосе. Аппарат разгоняется, набирает необходимый для отрыва от полотна темп и только тогда, благодаря увеличению подъемной силы, взмывает вверх. Необходимая для отрыва V прописана в руководстве к каждой модели и общих инструкциях. Моторы в этот момент работают на полную, дают огромную нагрузку на машину, отчего процесс считается одним из самых сложных и опасных.
2. Чтобы зафиксироваться в пространстве и занять выделенный эшелон, необходимо достичь уже другой скорости. Полет в горизонтальной плоскости возможен только в том случае, если ПС компенсирует притяжение Земли.

Показатели скорости, с которой летательный аппарат способен подняться в воздух и задержаться там на определенное время, назвать трудно. Зависят они от характеристик конкретной машины и окружающих условий. У небольшого одномоторного V логично будет ниже, чем у гигантского пассажирского судна – чем крупнее аппарат, тем быстрее ему приходится двигаться.

Для «Боинга» 747-300 это примерно 250 километров в час, если плотность воздуха составит 1,2 килограмма на кубический метр. У Cessna 172 – примерно 100. Як-40 отрывается от полотна на 180 км/ч, Ту154М – на 210. Для Ил 96 показатель в среднем достигает 250, а у Airbus A380 – 268.

Из независимых от модели аппарата условий при определении числа опираются на:

• направление и силу ветра – встречный помогает, подталкивая нос вверх
• наличие осадков и влажность воздуха – могут осложнять или способствовать разгону
• человеческий фактор – после оценки всех параметров решение принимает пилот

Скорость, характерную для эшелона, в технических характеристиках обозначают как «крейсерская» – это 80% от максимальных возможностей машины

Скорость на самом эшелоне также зависит непосредственно от модели судна. В технических характеристиках ее обозначают как «крейсерская» – это 80% от максимальных возможностей машины. Первый пассажирский «Илья Муромец» разгонялся всего до 105 километров в час. Сейчас же число среднем в 7 раз больше.

Если летите на Airbus A220, показатель находится на уровне 870 км/ч. А310 передвигается обычно со скоростью 860 километров в час, А320 – 840, А330 – 871, А340-500 – 881, А350 – 903, а гигант А380 – 900. У «Боингов» примерно так же. Boeing 717 летает на крейсерской в 810 километров в час. Массовый 737 – на 817-852 в зависимости от поколения, дальнемагистральный 747 – 950, 757 – на 850 км/ч, первый трансатлантический 767 – 851, Triple Seven – 905, а реактивный пассажирский 787 – 902. По слухам, компания занимается разработкой лайнера для гражданской авиации, который будет доставлять людей из одной точки в другую на V=5000. Но пока в топ самых быстрых в мире входят исключительно военные:

• американский сверхзвуковой F-4 Phantom II пусть и уступил место более современным, но все еще входит в десятку с показателем в 2370 километров в час
• одномоторный истребитель Convair F-106 Delta Dart с 2450 км/ч
• боевой МиГ-31 – 2993
• экспериментальный Е-152, чья конструкция легла в основу МиГ-25 – 3030
• прототип XB-70 Valkyrie – 3 308
• исследовательский Bell X-2 Starbuster – 3 370
• МиГ-25 способен достичь 3492, но остановиться на этой отметке и не повредить двигатель невозможно
• SR-71 Blackbird – 3540
• мировой лидер X-15 с ракетным двигателем – 7 274

Возможно, и гражданские суда когда-нибудь смогут достигнуть этих показателей. Но точно не ближайшее время, пока главным фактором в вопросе остается безопасность пассажиров.

4 детали авиалайнера, от которых зависят летные качества

Летающие машины отличаются от обычных очень сложными конструкциями, предусматривающими каждую мелочь. И кроме очевидных деталей, на возможности и характеристики передвижения влияют и другие части – всего собрали 4 основных.

1. Крыло. Если при отказе двигателя можно долететь до ближайшего аэродрома на втором, а при неполадках сразу в двух – приземлиться с опытом пилота, без крыла от пункта отправления не отдалишься. Не будет его – не будет необходимой подъемной силы. В единственном числе о крыле говорят не случайно. Вопреки распространенному мнению, оно у самолета одно. Этим понятием обозначают всю плоскость, расходящуюся в обе стороны от борта.

Поскольку это главная деталь, отвечающая за нахождение в воздухе, ее конструкции уделяется очень много внимания. Форму строят по точным расчетам, выверяют и испытывают. Кроме того, крыло способно выдерживать огромные нагрузки, чтобы не ставить под угрозу главное – безопасность людей.

2. Закрылки и предкрылки. Большее количество времени крыло самолета имеет обтекаемую форму, но на взлете и посадке на нем появляются дополнительные поверхности. Выпускаются закрылки и предкрылки для того, чтобы увеличить площадь и справиться с действующими на аппарат силами во время серьезных нагрузок в начале и конце пути. При приземлении тормозят лайнер, не позволяют ему упасть слишком быстро, а на подъеме помогают удержаться в воздухе.

3. Спойлеры. Появляются на верхней части крыла в моменты, когда требуется уменьшить ПС. Играют роль своеобразного тормоза. Эта и детали из предыдущего пункта представляют собой механизацию, которой пилоты управляют вручную.

4. Двигатель. Винтовые тянут машину за собой, а реактивные «толкают» вперед.

Пусть еще в начале прошлого века в идею создать летающий транспорт мало кто верил, в наши дни самолеты ни у кого не вызывают удивления. Хотя в принципах их передвижения разбираются единицы – конструкции аппаратов, физика полетов кажутся слишком сложными и рождают массу заблуждений. Но рядовому пассажиру знать подобное и не обязательно. Главное, запомнить, что возможности каждой модели лайнеров просчитаны, и повторить судьбу Икара возможно лишь в редких случаях.