Под каким углом летит самолет. Почему самолёты не могут взлететь при сильной жаре
Наверно, нет человека, который глядя, как летит самолёт, не задавался вопросом: «Как он это делает?»
Люди всегда мечтали летать. Первым воздухоплавателем попытавшимся взлететь с помощью крыльев, можно, наверное, считать Икара. Затем, на протяжении тысячелетий у него было множество последователей, но настоящий успех выпал на долю братьев Райт. Именно они считаются изобретателями самолёта.
Видя на земле огромные пассажирские лайнеры, двухэтажные Боинги, например, совершенно невозможно понять, как эта многотонная металлическая махина поднимается в воздух, настолько это кажется противоестественным. Мало того, даже люди, всю жизнь проработавшие в смежных с авиацией отраслях и, безусловно, знающие теорию воздухоплавания, иногда честно признаются, что не понимают, как летают самолёты. Но мы все же попробуем разобраться.
Самолёт держится в воздухе благодаря действующей на него «подъёмной силе», которая возникает только в движении, которое обеспечивают двигатели, закреплённые на крыльях или фюзеляже.
- Реактивные двигатели выбрасывают назад струю продуктов сгорания керосина или другого авиационного топлива, толкая самолёт вперёд.
- Лопасти винтового двигателя как бы ввинчиваются в воздух и тянут самолёт за собой.
Подъемная сила
Подъемная сила возникает, когда набегающий поток воздуха обтекает крыло. Благодаря особой форме сечения крыла, часть потока над крылом имеет большую скорость, чем поток под крылом. Это происходит потому, что верхняя поверхность крыла выпуклая, в отличие от плоской нижней. В итоге воздуху, обтекающему крыло сверху, приходится пройти больший путь, соответственно с большей скоростью. А чем больше скорость потока, тем меньше давление в нём, и наоборот. Чем меньше скорость - тем больше давление.
В 1838 году, когда ещё аэродинамики, как таковой, не существовало, швейцарский физик Даниил Бернулли описал это явление, сформулировав закон, названный по его имени. Бернулли, правда, описывал течение потоков жидкости, но с возникновением и развитием авиации, его открытие оказалось как нельзя более кстати. Давление под крылом превышает давление сверху и выталкивает крыло, а с ним и самолёт, вверх.
Другое слагаемое подъёмной силы - так называемый «угол атаки». Крыло располагается под острым углом к встречному потоку воздуха, благодаря чему давление под крылом выше, чем сверху.
С какой скоростью летают самолёты
Для возникновения подъёмной силы необходима определённая, и довольно высокая, скорость движения. Различают минимальную скорость, она необходима для отрыва от земли, максимальную, и крейсерскую, на которой самолёт летит большую часть маршрута, она составляет около 80% максимальной. Крейсерская скорость современных пассажирских лайнеров 850-950 км в час.
Ещё есть понятие путевой скорости, которая складывается из собственной скорости самолёта и скорости воздушных потоков, которые ему приходится преодолевать. Именно, исходя из неё, рассчитывают продолжительность рейса.
Скорость, необходимая для взлёта зависит от массы самолёта, и для современных пассажирских судов составляет от 180 до 280 км в час. Примерно на такой же скорости производится посадка.
Высота
Высота полёта тоже выбирается не произвольно, а определяется большим количеством факторов, соображениями экономии топлива и безопасности.
У поверхности земли воздух более плотный, соответственно, он оказывает большое сопротивление движению, вызывая повышенный расход топлива. С увеличением высоты воздух становится более разряжённым, и сопротивление уменьшается. Оптимальной высотой для полёта считается высота около 10 000 метров. Расход топлива при этом минимален.
Ещё одним существенным плюсом полётов на больших высотах является отсутствие здесь птиц, столкновения с которыми не раз приводили к катастрофам.
Подниматься выше 12 000-13 000 метров гражданские самолёты не могут, так как слишком сильное разряжение препятствует нормальной работе двигателей.
Управление самолётом
Управление самолётом осуществляется путём увеличения или уменьшения тяги двигателя. При этом изменяется скорость, соответственно подъёмная сила и высота полёта. Для боле тонкого управления процессами изменения высоты и поворотов служат средства механизации крыла и рули, находящиеся на хвостовом оперении.
Взлёт и посадка
Чтобы подъёмная сила стала достаточной, для отрыва самолёта от земли, он должен развить достаточную скорость. Для этого служат взлётно-посадочные полосы. Для тяжёлых пассажирских или транспортных самолётов нужны длинные ВПП, длиной 3-4 километра.
За состоянием полос тщательно следят аэродромные службы, поддерживая их в идеально чистом состоянии, так как инородные предметы, попадая в двигатель, могут привести к аварии, а снег и лёд на полосе представляют большую опасность при взлёте и посадке.
При разбеге самолёта наступает момент, после которого отменить взлёт уже нельзя, так как скорость становится настолько велика, что самолёт уже не сможет остановиться в пределах полосы. Это так и называется - «скорость принятия решения».
Посадка - очень ответственный момент полёта, лётчики постепенно сбрасывают скорость, вследствие чего уменьшается подъёмная сила и самолёт снижается. Перед самой землёй скорость уже такая низкая, что на крыльях выпускаются закрылки, которые несколько увеличивают подъёмную силу и позволяют мягко посадить самолёт.
Таким образом, как бы странно нам это не казалось, самолёты летают, причём в строгом соответствии с законами физики.
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.
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.
Подъемная сила самолетов состоит из следующих факторов:
- Угла атаки
- 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.
Интересно:
Сила тяжести и гравитация - интересные факты, описание, фото и видео
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 вкупе 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.
Управление самолетом совершенно не похоже на управление автомобилем. Штурвал пилота предназначен для отклонения вверх и вниз и создания крена. “На себя” – это набор высоты. “От себя” – это снижение, пикирование. Для того, чтобы повернуть, изменить курс, нужно нажать на одну из педалей и штурвалом наклонить самолет в сторону поворота… Кстати, на языке пилотов это называется “разворот” или “вираж”.
Для разворота и стабилизации полета в хвосте самолета расположен вертикальный киль. А находящиеся под ним и над ним небольшие “крылья” – это горизонтальные стабилизаторы, которые не позволяют огромной машине бесконтрольно подниматься и опускаться. На стабилизаторах для управления имеются подвижные плоскости – рули высоты.
Интересно:
Почему звезды не падают? Описание, фото и видео
Для управления двигателями между креслами пилотов находятся рычаги – при взлете они переводятся полностью вперед, на максимальную тягу, это взлетный режим, необходимый для набора взлетной скорости. При посадке рычаги отводят полностью назад – в режим минимальной тяги.
Многие пассажиры с интересом смотрят, как перед посадкой задняя часть огромного крыла вдруг опускается вниз. Это закрылки, “механизация” крыла, которая выполняет несколько задач. При снижении полностью выпущенная механизация тормозит самолет, чтобы не дать ему слишком разогнаться. При посадке, когда скорость очень невелика, закрылки создают дополнительную подъемную силу для плавной потери высоты. При взлете они помогают основному крылу удерживать машину в воздухе.
Чего не нужно бояться в полете?
Есть несколько моментов полета, способных напугать пассажира – это турбулентности, прохождение через облака и хорошо видимые колебания консолей крыла. Но это совершенно не опасно – конструкция самолета рассчитана на огромные нагрузки, гораздо больше тех, что возникают при “болтанке”. К подрагиванию консолей следует относиться спокойно – это допустимая гибкость конструкции, а полет в облаках обеспечивается приборами.
Почему летают птицы?
Крыло птицы устроено так, что создает силу, противодействующую силе тяжести. Ведь птичье крыло не плоское, как доска, а выгнутое . Это значит, что струя воздуха, огибающая крыло, должна пройти по верхней стороне более длинный путь, чем по вогнутой нижней. Чтобы оба воздушных потока достигли оконечности крыла одновременно, воздушный поток над крылом должен двигаться быстрее, чем под крылом. Поэтому скорость течения воздуха над крылом увеличивается, а давление уменьшается.
Разность давлений под крылом и над ним создает подъемную силу, направленную вверх и противодействующую силе тяжести.
Для кого-то актуально сейчас, для кого-то после - купить дешевый авиабилет онлайн. Это можно здесь! (Жмите на картинку!)
Зайдя на сайт, задайте направление, дату вылета (прилета), задайте количество билетов и вам компьютер автоматически выдаст таблицу с рейсами на данное число и на ближайшие рейсы, варианты, их стоимость.
Бронировать билет нужно, при возможности, как можно ранее и выкупать быстрее, пока действует бронь. Иначе, дешевые билеты "уплывут". Все подробности, узнать популярные направления с Украины, заказать авиа и ЖД билеты из любой точки в любую точку можно, зайдя по указанной картинке - на сайте по адресу http://711.ua/cheap-flights/.
Самолеты - очень сложные устройства, порой пугающие своей сложностью обывателей, людей, не знакомых с аэродинамикой.
Масса современных воздушных лайнеров может достигать 400 тонн, но они спокойно держатся в воздухе, быстро перемещаются и могут пересекать огромные расстояния.
Почему самолет летает?
Потому что у него, как и у птицы, есть крыло!
Если откажет двигатель - 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. Потому что именно оно создает подъемную силу.
Самолеты непрерывно "наезжают" на воздух своими крыльями, установленными под небольшим углом к вектору скорости воздушного потока. Этот угол в аэродинамике называется "угол атаки". "Угол атаки" - это угол наклона крыла к невидимому и абстрактному "вектору скорости потока". (см. рис 1)
Наука гласит, что самолет летает потому, что на нижней поверхности крыла создается зона повышенного давления, благодаря чему на крыле возникает аэродинамическая сила, направленная перпендикулярно крылу вверх. Для удобства понимания процесса полета, эту силу раскладывают по правилам векторной алгебры на две составляющие: силу аэродинамического сопротивления Х
(она направлена вдоль воздушного потока) и подъемную силу Y (перпендикулярную вектору скорости воздуха). (см. рис 2)
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.
В полете и на земле у самолета крыло "чистое", оно имеет минимальное сопротивление воздуху и достаточную подъемную силу, чтобы удержать самолет на высоте, летящим на огромной скорости.
Но когда приходит время взлета или посадки, самолету нужно лететь как можно медленнее, чтобы с одной стороны не исчезла подъемная сила, а с другой колеса выдержали касание земли. Для этого площадь крыла увеличивается: выпускаются закрылки (плоскости в задней части) и предкрылки (в передней части крыла).
Если нужно еще уменьшить скорость, то в верхней части крыла выпускаются спойлеры, которые играют роль воздушного тормоза и уменьшают подъемную силу.
Самолет становится похож на ощетиневшегося зверя, медленно приближающегося к земле.
Все вместе: закрылки, предкрылки и спойлеры - называется механизацией крыла. Механизацию выпускают летчики вручную из кабины перед взлетом или посадкой.
На этот процесс задействуется, как правило, гидравлическая система (реже электрическая). Механизм выглядит очень интересно, и является в то же время очень надежным.
На крыле имеются рули (по-авиационному элероны), подобные корабельным (не зря самолет называется воздушным судном), которые отклоняются, наклоняя самолет в нужную сторону. Обычно они отклоняются синхронно на левой и правой стороне.
Также на крыле имеются аэронавигационные огни , которые предназначены для того, чтобы со стороны (с земли или другого самолета) было всегда видно, в какую сторону летит самолет. Дело в том, что слева всегда горит красный, а справа - зеленый. Иногда рядом с ними ставят белые "мигалки", которые очень хорошо видно ночью.
Большинство характеристик самолета напрямую зависит от крыла, его аэродинамического качества и других параметров. Внутри крыла расположены баки с топливом (от размеров крыла очень сильно зависит максимальный объем заправляемого топлива), на передней кромке ставятся электрические обогреватели, чтобы в дождь там не нарастал лед, в корневой части крепятся шасси...
Скорость самолета достигается при помощи силовой установки или турбины . За счет силовой установки, создающей силу тяги, самолет способен преодолевать сопротивление воздуха.
Самолеты летают по законам физики
В основе аэродинамики как науки заложена теорема Николая Егоровича Жуковского, выдающегося русского ученого, основателя аэродинамики, которая была сформулирована еще в 1904 году . Спустя год, в ноябре 1905 года Жуковский изложил свою теорию создания подъемной силы крыла летательного аппарата на заседании Математического общества.
Почему самолеты летают так высоко?
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.
Довольно странно наблюдать, как многотонная машина легко поднимается со взлетной полосы аэродрома и плавно набирает высоту. Казалось бы, поднять столь тяжелую конструкцию в воздух задача невыполнимая. Но, как видим, это не так. Почему самолет не падает, и за счет чего летит?
Ответ на этот вопрос лежит в тех физических законах, которые позволяют поднять в воздух летательные аппараты. Они верны не только в отношении планеров и легких спортивных самолетов, но и в отношении многотонных транспортных лайнеров, которые способны нести дополнительную полезную нагрузку. И вообще уж фантастическим, кажется полет вертолета, которые может не только двигаться по прямой линии, но и зависать на одном месте.
Полет летательных аппаратов стал возможен, благодаря совокупному использованию двух сил – подъемной, и силы тяги двигателей. И если с силой тяги все более или менее понятно, то с подъемной силой все обстоит несколько сложнее. Несмотря на то, что с этим выражением мы все хорошо знакомы, объяснить его может не каждый.
И так, какова природа появления подъемной силы?
Давайте внимательно посмотрим на крыло самолета, благодаря которому он и может держаться в воздухе. Снизу оно совершенно плоское, а сверху имеет сферическую форму, с выпуклостью наружу. Во время движения самолета воздушные потоки спокойно проходят под нижней частью крыла, не претерпевая каких — либо изменений. Но чтобы пройти над верхней поверхностью крыльев, воздушный поток должен сжаться. В результате мы получаем эффект продавленной трубы, сквозь которую должен пройти воздух.
Чтобы обогнуть сферическую поверхность крыла, воздуху понадобится больше времени, нежели при его прохождении под нижней, плоской поверхностью. По этой причине над крылом он движется быстрее, что, в свою очередь, приводит к возникновению разности давлений. Под крылом оно значительно больше, нежели над крылом, из-за чего и возникает подъемная сила. В данном случае действует закон Бернулли, с которым каждый из нас знаком со школьной скамьи. Самое главное в том, что разность давлений будет тем больше, чем выше скорость движения объекта. Вот и получается, что подъемная сила может возникать лишь при движении самолета. Она давит на крыло, заставляя его подниматься.
По мере разгона самолета по взлетной полосе, увеличивается и разность давлений, что приводит к возникновению подъемной силы. С набором скорости она постепенно растет, сравнивается с массой самолета, и как ее превысит, он взлетает. После набора высоты, пилоты уменьшают скорость, подъемная сила сравнивается с весом самолета, что заставляет его лететь в горизонтальной плоскости.
Чтобы самолет двигался вперед, его оснащают мощными двигателями, которые гонят воздушный поток в направлении крыльев. С их помощью можно регулировать интенсивность воздушного потока, а, следовательно, и силу тяги.