Почему и как летает самолет

ВОЗДУХ И ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

Самолет летает в воздухе. Воздух служит опорой для его крыльев. Поэтому прежде чем разобраться в том, почему и как летает самолет, познакомимся с физическими свойствами воздуха.

Как известно, воздух представляет собой смесь нескольких газов. Воздушную оболочку земного шара мы называем атмосферой; она простирается приблизительно до высоты 2000 километров. Но, строго говоря, верхней границы атмосферы не существует, так как с высотой воздух становится все разреженнее и постепенно атмосфера сменяется безвоздушным пространством[5].

Воздух кажется нам невесомым, но это неверно. У поверхности земли, на уровне моря, один кубический метр воздуха весит приблизительно 1,3 килограмма (подсчитайте вес воздуха в вашей комнате и вы убедитесь, что воздух — довольно тяжелый газ). На высоте 5 километров один кубический метр воздуха весит уже 0,7 килограмма, на высоте 10 километров — только 0,4 килограмма и т. д.

Поскольку воздух имеет вес, он давит на тела, на всякую площадку, с которой соприкасается (подобно тому как вода давит на погруженное в нее тело со всех сторон).

Атмосферное давление можно измерить прибором, который называется барометром[6]. В простейшем виде он изображен на рис. 5.

Рис. 5. Ртутный барометр. Величина столбика ртути (Р) в трубке показывает величину давления воздуха (В) на поверхность ртути в чашке.

Идея прибора состоит в том, что давление воздуха уравновешивается столбом ртути в трубке, в которой воздуха нет, то есть над уровнем ртути в трубке пустота.

Высота столба ртути на уровне моря бывает равна в среднем 760 миллиметрам.

Когда атмосферное давление увеличивается, часть ртути из чашки вдавливается в трубку и уровень ртути в трубке повышается. При уменьшении атмосферного давления происходит обратное. Измеряя высоту столба ртути по шкале, можно всегда узнать величину атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.

Если площадь поперечного сечения трубки барометра равна одному квадратному сантиметру (1 см²), то вес ртутного столба, а значит и давление воздуха, равен приблизительно 1,03 килограмма. Следовательно, на уровне моря каждый квадратный сантиметр поверхности тела (сверху, снизу, с боков) испытывает давление воздуха, равное 1,03 килограмма, а каждый квадратный метр — давление в 10 000 раз большее, т. е. 10 300 килограммов.

Мы не замечаем этого громадного давления по той причине, что давление воздуха (как и жидкости) передается во все стороны с одинаковой силой. Поэтому всякое тело, находящееся в воздухе, испытывает давление со всех сторон (а также изнутри, когда воздух проникает в поры тела).

Атмосферное давление можно обнаружить очень простым опытом. Наполните стакан водой до краев, прикройте его листком плотной бумаги, затем, придерживая листок ладонью, опрокиньте стакан и отнимите руку: листок как бы при липнет к краям стакана, и вода не выльется. Сила давления воздуха, действующая на листок снизу, будет больше силы давления воды, то есть ее веса.

При изучении аэродинамических сил, действующих на самолет в полете, приходится измерять не атмосферное давление, а разность между двумя давлениями, из которых одно, скажем, равно атмосферному, а другое больше или меньше атмосферного. Для этой цели служит особый прибор — манометр. Принцип его действия такой же, как и барометра. Манометр изображен на рис. 6.

Рис. 6. Ртутный манометр. Разность уровней (Д) показывает разность давлений воздуха (В) на поверхность ртути (Р) в коленах трубки.

На поверхность ртути в обоих коленах трубки действует одинаковое давление — атмосферное; поэтому ртуть стоит в них на одном уровне. Если же одно колено, скажем, левое, соединить с пространством, в котором давление меньше атмосферного, то уровень ртути в этом колене повысится.

Столбик ртути между уровнями ртути в коленах трубки и покажет разность давлений в миллиметрах ртутного столба.

Аэродинамические силы, действующие на тело при его движении в воздухе, зависят только от его скорости относительно воздуха. Поэтому движется ли тело, а воз-дух неподвижен или, наоборот, тело неподвижно, а движется воздух, — суть дела не меняется. Как в первом, так и во втором случае мы вправе говорить о воздушном потоке, набегающем на тело. Поэтому можно представить, что самолет, летящий, например, со скоростью 200 километров в час (рис. 7, а), неподвижен, а на него набегает поток воздуха, с той же скоростью 200 километров в час (рис. 7, б)[7].

Рис. 7. Скорость самолета относительно окружающего его воздуха можно представить как скорость воздуха, набегающего на самолет.

Следовательно, явления, возникающие при движении тела в воздухе, можно изучать двумя способами: или двигая тело в неподвижном воздухе, или обдувая воздухом неподвижное тело.

Сейчас применяются оба способа, но второй более удобен и им чаще пользуются.

Раньше некоторые ученые считали второй способ ошибочным, но Н. Е. Жуковский показал его правильность. Этот способ очень удобен при опытах в так называемых аэродинамических трубах.

Аэродинамической трубой называется сооружение, которое позволяет создавать искусственный поток воздуха. Скорость воздушного потока, в зависимости от конструкции трубы, может быть очень большой. Простейшая аэродинамическая труба изображена на рис. 8.

Рис. 8. Схема аэродинамической трубы: 1 — решетка, спрямляющая воздушный поток, 2 — рабочая часть трубы, 3 — вентилятор, 4 — электромотор.

Вот как она устроена и работает. Оба конца трубы открыты, и в одном из них установлен большой вентилятор, вращаемый электромотором. При работе вентилятора в трубе создается воздушный поток. В самой узкой — рабочей— части трубы устанавливают для испытания модель самолета или крыла. Если воздушный поток «подкрасить» дымом, то через окно в трубе можно наблюдать, как воздух обтекает модель, и даже сфотографировать картину обтекания. С помощью специальных приборов можно измерять силы, возникающие при действии воздушного потока на модель.

В аэродинамической трубе, если вентилятор вращается равномерно, воздушный поток получается, как говорят, установившимся.

Если самолет летит с постоянной скоростью, то полет тоже называют установившимся.