Интернет-энциклопедия по электрике

Как летают самолеты?

Самолет относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха. Это означает, что для его полета нужны определенные условия, сочетание точно рассчитанных факторов. Полет самолета – это результат действия подъемной силы, которая возникает при движении потоков воздуха навстречу крылу. Оно повернуто под точно рассчитанным углом и имеет аэродинамическую форму, благодаря которой при определенной скорости начинает стремиться вверх, как говорят летчики – “становится на воздух”.

Разгоняют самолет и поддерживают его скорость двигатели. Реактивные толкают самолет вперед за счет сгорания керосина и потока газов, вырывающихся из сопла с большой силой. Винтовые двигатели “тянут” самолет за собой.

Крыло современных самолетов является статичной конструкцией и само по себе не может самостоятельно создавать подъемную силу. Возможность поднять многотонную машину в воздух возникает только после поступательного движения (разгона) летательного аппарата с помощью силовой установки. В этом случае крыло, поставленное под острым углом к направлению воздушного потока, создает различное давление: над железной пластиной оно будет меньше, а снизу изделия – больше. Именно разность давлений приводит к возникновению аэродинамической силы, способствующей набору высоты.

Материалы по теме:

Почему окна самолета круглые?

Подъемная сила самолетов состоит из следующих факторов:

1. Угла атаки
2. Несимметричного профиля крыла

Наклон металлической пластины (крыла) к воздушному потоку принято называть углом атаки. Обычно при подъеме самолета упомянутое значение не превышает 3-5°, чего достаточно для взлета большинства моделей самолетов. Дело в том, что конструкция крыльев с момента создания первого летательного аппарата претерпела серьезные изменения и сегодня представляет собой несимметричный профиль с более выпуклым верхним листом металла. Нижний лист изделия характеризуется ровной поверхностью для практически беспрепятственного прохождения воздушных потоков.

Схематично процесс образования подъемной силы выглядит так: верхним струйкам воздуха нужно пройти больший путь (из-за выпуклой формы крыла), чем нижним, при этом количество воздуха за пластиной должно остаться одинаковым. В результате верхние струйки будут двигаться быстрее, создавая согласно уравнению Бернулли область пониженного давления. Непосредственно различие в давлении над и под крылом в купе с работой двигателей помогает самолету набрать требуемую высоту. Следует помнить, что значение угла атаки не должно превышать критической отметки, иначе подъемная сила упадет.

Крыла и двигателей недостаточно для управляемого, безопасного и комфортного полета. Самолетом нужно управлять, при этом точность управления более всего нужна во время посадки. Летчики называют посадку управляемым падением – скорость самолета снижается так, что он начинает терять высоту. При определенной скорости это падение может быть очень плавным, приводящим к мягкому касанию колесами шасси полосы.

Большой реактивный самолет – вместе с сотнями находящихся в нем пассажиров – весит несколько сотен тонн. Как может такая огромная и тяжелая машина, во-первых, оторваться от земли и, во-вторых, оставаться в воздухе на пути длиной в тысячи километров? Самолеты работают на основе сложной смеси принципов аэродинамики – теорий, которые объясняют движение воздуха и поведение тел, движущихся через этот воздух.

Конструкция крыла такова, что верхняя часть его профиля имеет выпуклую форму. Воздушный поток, обтекающий крыло, разделяется на два: верхний и нижний. Скорость нижнего потока остаётся практически неизменной. А вот скорость верхнего возрастает за счёт того, что он должен преодолеть больший путь за то же время. Следовательно, давление над крылом становится ниже. Из-за разницы этих давлений возникает подъёмная сила, которая толкает крыло вверх, а вместе с ним поднимается и самолёт. И чем больше эта разница, тем больше и подъёмная сила
Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигате

лей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх. Каждый из вас делал, наверное, бумажные самолетики и с силой запускал их. Современный самолет, даже весом в десятки тонн, его крыло должно иметь достаточную площадь. На подъемную силу крыла влияет множество параметров, таких как профиль, площадь, форма крыла в плане, угол атаки, скорость и плотность воздушного потока. Каждый самолет имеет свою минимальную скорость, при которой он может взлетать и лететь, не падая. Так, минимальная скорость современных пассажирских самолетов находится в пределах от 180 до 250 км/ч. Для того чтобы подъемная сила смогла поднять в воздух Именно если такой самолетик с силой бросить вверх, он может далеко полететь, а если пустить слегка — упадет сразу же на землю. Значит, чтобы бумажный самолетик удерживался в воздухе, он должен постоянно двигаться вперед. Большие самолеты двигаются вперед за счет мощных двигателей, вращающих пропеллер. Быстро вращающийся пропеллер выбрасывает за себя огромные массы воздуха, обеспечивая поступательное движение самолета.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально.

При создании самолета крылу уделяется огромное внимание, потому что именно от него будет зависеть безопасность выполнения полетов. Глядя в иллюминатор, пассажир замечает, что оно гнется и вот-вот сломается. Не бойтесь, оно выдерживает просто колоссальные нагрузки.
Если откажет двигатель самолета - ничего страшного, самолет долетит на втором. Если отказали оба двигателя

История знает случаи, что и в таких обстоятельствах садились на посадку. Шасси? Ничего не мешает самолету сесть на брюхо, при соблюдении определенных мер пожарной безопасности он даже не загорится. Но самолет никогда не сможет лететь без крыла.

Почему самолеты летают так высоко?

Потому что именно оно создает подъемную силу. Высота полета современных реактивных самолетов находится в пределах от 5000 до 10000 метров над уровнем моря. Это объясняется очень просто: на такой высоте плотность воздуха намного меньше, а, следовательно, меньше и сопротивление воздуха. Самолеты летают на больших высотах, потому что при полете на высоте 10 километров самолет расходует на 80% меньше горючего, чем при полете на высоте в один километр. Однако почему же тогда они не летают еще выше, в верхних слоях атмосферы, где плотность воздуха еще меньше? Дело в том, что для создания необходимой тяги двигателем самолета необходим определенный минимальный запас воздуха. Поэтому у каждого самолета имеется наибольший безопасный предел высоты полета, называемый также «практический потолок». К примеру, практический потолок самолета Ту-154 составляет около 12100 метров.

Почему самолету нужно сжечь все топливо перед посадкой?

Резюмируя, можно сказать, что самолет дожигает топливо для того, чтобы нагрузка на шасси при посадке не превосходила максимальную, в противном случае шасси просто не выдержит.
При проектировании самолета (как гражданского, так и военного, кстати) и в частности его шасси всегда есть такой параметр, как максимальная посадочная масса. Совершенно очевидно, что это максимальная масса, которую выдержит шасси при посадке. Когда самолет готовят к выполнению задания в него заливают столько топлива, что бы долететь до запланированного места посадки + навигационный запас топлива. Когда все штатно, топливо не сливают. Если экипаж принял решение сажать машину, а ее масса превышает максимальную посадочную, то от топлива избавляются. Особенно часто такие ситуации происходят в случае серьезного отказа сразу после взлета. Так же следует заметить, что не все самолеты просто «дожигают» топливо, чтобы «сбросить вес», некоторые оборудованы системой аварийного слива топлива.

Многие боятся упасть вниз с высоты 10 км. Это невозможно из-за сильного давления под крыльями самолета. Он держится на воздухе не хуже, чем машина на шоссе. Его можно поставить на хвост, повернуть вокруг своей оси на 100 градусов, направить вниз — и если отпустить штурвал, то самолет просто будет покачиваться в воздухе, как лодка на волнах.

Часто, наблюдая за летящим в небе самолётом, мы задаёмся вопросом, как самолёт поднимается в воздух. Как он летит? Ведь самолёт значительно тяжелее воздуха.

Почему поднимается дирижабль

Мы знаем, что аэростаты и дирижабли поднимает в воздух сила Архимеда . Закон Архимеда для газов гласит: «Н а тело, погружённое в газ, действует выталкивающая сила, равная силе тяжести вытесненного этим телом газа» . Эта сила противоположна по направлению силе тяжести. То есть, сила Архимеда направлена вверх.

Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело находится в равновесии. Если же сила Архимеда больше силы тяжести, то тело поднимается в воздухе. Так как баллоны аэростатов и дирижаблей заполняют газом, который легче воздуха, то сила Архимеда выталкивает их вверх. Таким образом, сила Архимеда является подъёмной силой для летательных аппаратов легче воздуха.

Но сила тяжести самолёта значительно превышает силу Архимеда. Следовательно, поднять самолёт в воздух она не может. Так почему же он всё-таки взлетает?

Подъёмная сила крыла самолёта

Возникновение подъёмной силы часто объясняют разностью статических давлений воздушных потоков на верхней и нижней поверхности крыла самолёта.

Рассмотрим упрощённый вариант появления подъёмной силы крыла, которое располагается параллельно потоку воздуха. Конструкция крыла такова, что верхняя часть его профиля имеет выпуклую форму. Воздушный поток, обтекающий крыло, разделяется на два: верхний и нижний. Скорость нижнего потока остаётся практически неизменной. А вот скорость верхнего возрастает за счёт того, что он должен преодолеть больший путь за то же время. По закону Бернулли, чем выше скорость потока, тем ниже давление в нём. Следовательно, давление над крылом становится ниже. Из-за разницы этих давлений возникает подъёмная сила , которая толкает крыло вверх, а вместе с ним поднимается и самолёт. И чем больше эта разница, тем больше и подъёмная сила.

Но в этом случае невозможно объяснить, почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму. Ведь здесь воздушные потоки проходят одинаковое расстояние, и разницы давлений нет.

На практике профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки . А поток воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью такого крыла, скашивается и приобретает движение вниз. Согласно закону сохранения импульса на крыло будет действовать сила, направленная в противоположном направлении, то есть, вверх.

Но эта модель, описывающая возникновение подъёмной силы, не учитывает обтекание верхней поверхности профиля крыла. Поэтому в данном случае величина подъёмной силы занижается.

На самом деле всё намного сложнее. Подъёмная сила крыла самолёта не существует как самостоятельная величина. Это одна из аэродинамических сил.

Набегающий поток воздуха воздействует на крыло с силой, которая называется полной аэродинамической силой . А подъёмная сила - это одна из составляющих этой силы. Вторая составляющая – сила лобового сопротивления. Вектор полной аэродинамической силы – это сумма векторов подъёмной силы и силы лобового сопротивления. Вектор подъёмной силы направлен перпендикулярно вектору скорости набегающего воздушного потока. А вектор силы лобового сопротивления – параллельно.

Полная аэродинамическая сила определяется как интеграл от давления вокруг контура профиля крыла:

Y – подъёмная сила

Р – тяга

dΩ – граница профиля

р – величина давления вокруг контура профиля крыла

n – нормаль к профилю

Теорема Жуковского

Как образуется подъёмная сила крыла, впервые объяснил русский учёный Николай Егорович Жуковский, которого называют отцом русской авиации. В 1904 г. он сформулировал теорему о подъёмной силе тела, которое обтекается плоскопараалельным потоком идеальной жидкости или газа.

Жуковский ввёл понятие циркуляции скорости потока, что позволило учесть скос потока и получить более точное значение подъёмной силы.

Подъемная сила крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла. Направление действия подъемной силы получается поворотом вектора скорости набегающего потока на прямой угол против циркуляции.

Подъёмная сила

Плотность среды

Скорость потока на бесконечности

Циркуляция скорости потока(вектор направлен перпендикулярно плоскости профиля, направление вектора зависит от направления циркуляции),

Длина отрезка крыла (перпендикулярно плоскости профиля).

Величина подъёмной силы зависит от многих факторов: угла атаки, плотности и скорости воздушного потока, геометрии крыла и др.

Теорема Жуковского положена в основу современной теории крыла.

Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигателей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально. Двигатели самолёта создают тягу – силу, направление которой совпадает с направлением движения самолёта и противоположно направлению лобового сопротивления. Тяга толкает самолёт сквозь воздушную среду. При горизонтальном полёте с постоянной скоростью тяга и лобовое сопротивление уравновешены. Если увеличить тягу, самолёт начнёт ускоряться. Но и лобовое сопротивление увеличится тоже. И вскоре они снова уравновесятся. И самолёт будет лететь с постоянной, но большей скоростью.

Если скорость уменьшается, то становится меньше и подъёмная сила, и самолёт начинает снижаться.

Люди всегда стремились летать. Более 100 лет назад, братьям Райт удалось осуществить эту мечту. Полет на первых самолетах был действительно опасным мероприятием, однако с течением времени безопасность полетов в мире существенно улучшалась из года в год.

На сегодняшний день из 48 000 000 коммерческих рейсов в год во всем мире, происшествиями заканчиваются около 28 (!). Только 5–10 авиакатастроф в год оканчиваются человеческими жертвами.

И это из 48 000 000 рейсов! Такие потрясающие показатели стали возможными благодаря неустанной работе сотен тысяч людей и организаций: конструкторов воздушных судов, производителей самолетов, летчиков-испытателей, производителей электронных систем навигации, диспетчеров, разработчиков летных тренажеров и многих других. Сегодня авиация является одним из самых безопасных процессов жизнедеятельности, хоть и не абсолютно безопасным.

Для повышения уровня вашего спокойствия на борту мне представляется необходимым донести до вас принцип полета самолета. Действительно, понимая, что самолет летает в полном соответствии с законами природы, а не вопреки им, многим становится гораздо спокойнее. Людям, испытывающим страх перед полетом, свойственно следующее мышление: «Я не понимаю, как эта махина летает. Мне не кажется надежным и безопасным “болтаться” на высоте 10 000 метров, когда под тобой пустота, и зависеть от малейшего каприза двигателя». На самом же деле самолет летает не вопреки, а благодаря законам природы и в полной гармонии с ними.

Понаблюдайте за птицами: даже не совершая взмахов крыльями, они могут парить в воздухе достаточно продолжительное время, а не падают камнем вниз, верно? Тогда почему, по вашему мнению, самолет якобы зависит от «каприза» двигателя? Почему, согласно распространенному заблуждению аэрофобов, самолет неминуемо должен упасть, случись, не дай бог, что с двигателем или с какой-либо другой системой?

Принцип, благодаря которому самолет держится в воздухе таков: при прохождении самолета через поток воздуха на скорости, давление под самолетом всегда будет выше, чем давление над ним. То есть, под самолетом образуется «подушка» из воздуха, точнее газа под высоким давлением. Чем выше скорость, – тем больше разница в давлении, тем «толще» наша «подушка».

Во время полета на самолет действуют 4 основные силы, уравновешивающие друг друга. Это тяга, сопротивление, вес и подъемная сила. Чем больше вес, тем большая подъемная сила необходима самолету.

Подъемная сила образуется согласно теореме Берноулли. Не имея желания вводить читателей в глубины физики и аэродинамики, можно упростить теорему Берноулли и представить ее в следующем виде:

L = подъемная сила (или «толщина подушки»)

12 – плотность воздуха

S – площадь аэродинамической поверхности

подъемная сила образуется, если есть плотность воздуха, аэродинамическая поверхность (например, крыло) и скорость. Чем больше скорости и чем больше площадь крыла, тем больше подъемной силы. Вот почему у больших, тяжелых самолетов делают большие крылья и им нужна большая скорость для взлета.

Для лучшего понимания этого закона попробуйте при езде на машине выставить в открытое окно руку, ладонью вниз и под углом примерно 45 градусов вверх. Что произойдет? Верно, поток воздуха будет поднимать вашу руку вверх, точно так же, как он поднимает самолет, так как давление под рукой будет выше, чем давление над рукой. Обязательно проведите этот эксперимент и в течении нескольких минут, почувствуйте «упругость» воздуха. Ваша рука – «миникрыло», или, выражаясь более научно – аэродинамическая поверхность.

Такими аэродинамическими поверхностями являются большинство частей самолета: это и крылья, и фюзеляж, и рули высоты и даже… выпущенные шасси.

Таким образом,

пока у самолета есть крылья и скорость – он может «парить» в воздухе точно так же, как птица.

Одно из самых распространенных заблуждений людей, испытывающих страх перед полетом, состоит в том, что если двигатель выйдет из строя – то самолет камнем упадет вниз! Понимая основной принцип полета, вы теперь знаете, что этого не произойдет. Во-первых, у самолета есть еще как минимум один двигатель, используя который, самолет может долететь до пункта назначения и вернуться обратно. Во-вторых, даже при отказе двух двигателей сразу (что случается во всей огромной системе под названием «мировая авиация» крайне редко, в среднем один раз в 7–8 лет) самолет имеет достаточно высоты и скорости, чтобы планировать около 40–45 минут с круизной высоты. За это время воздушное судно вполне может достичь ближайшего аэродрома и совершить посадку. Даже если редчайший отказ всех двигателей случится вдалеке от аэропортов, самолет с большой долей вероятности сможет спланировать и приводниться, сесть на поле или на другой ровный участок.

Самолет просто физически не может упасть вниз с круизной высоты.

Самолет в воздухе сравним с мухой в банке со сгущенным молоком – сгущенка плотно держит муху, не давая ей упасть на дно.

Точно так же разница в давлении надежно держит самолет в воздухе. Единственный вариант заставить самолет неуправляемо падать – это ввести его в так называемый штопор, а для этого нужно приложить не меньше усилий, чем для прыжка с Останкинской башни. Случайно самолет в штопоре оказаться не может. И как доказательство, факт – за последние 30 лет такое произошло лишь однажды.

Забегая вперед, скажу, что большинство самолетов, приступая к снижению с эшелона перед посадкой, используют режим двигателей именуемый «малый газ», не создающий тяги. То есть, практически каждый самолет перед посадкой планирует около получаса, не используя тяги двигателей. Тот шум, которые пассажиры слышат в салоне самолета, есть не что иное, как холостой режим их работы, сравнимый с работой двигателя автомобиля на нейтральной передаче.

Запомните – полет столь же естественен для самолета, как для человека – земное притяжение. Полет происходит в полной гармонии с законами природы и благодаря им. То, что вам КАЖЕТСЯ неестественным и ненадежным – вам только КАЖЕТСЯ. А согласитесь, между тем, что кажется, и тем, как обстоят дела на самом деле, – зачастую расстояние велико.