Почему и как летает самолет

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ

На самолет в полете действуют аэродинамические силы. Покажем сначала на простых примерах, как они возникают.

Прежде всего, что такое аэродинамическая сила?

Когда при полном безветрии вы быстро едете на велосипеде, встречный воздух стремится затормозить ваше движение. А если вы стоите неподвижно и на вас дует сильный ветер, то воздух стремится сдвинуть вас с места. В обоих случаях это воздействие воздушного потока на тело и называют аэродинамической силой, или силой сопротивления воздуха.

Аэродинамическая сила получается тем большей, чем больше поперечные размеры тела и плотность воздуха, и особенно сильно она возрастает с увеличением скорости движения (или скорости потока). Кроме того, величина аэродинамической силы зависит еще от формы тела и от положения его в воздушном потоке. То и другое имеет огромное значение для полета.

Как же возникает аэродинамическая сила?

На рис. 11, а изображена схема обтекания воздухом круглой пластины (диска), поставленной перпендикулярно к потоку. Посмотрите на нее внимательно.

Рис. 11. Возникновение аэродинамической силы Р при симметричном обтекании: а) пластины и б) хорошо обтекаемого тела.

Струйки воздуха давят на пластину, так как она является для них препятствием. Перед пластиной получается повышенное давление (обозначено знаками плюс).

Огибая пластину, струйки сжимаются и поэтому, согласно закону неразрывности, скорость их возрастает. В силу инерции они стремятся двигаться прямолинейно и отрываются от пластины. По этой причине позади нее получается разрежение, то есть пониженное давление воздуха (обозначено знаками минус). Некоторые струйки врываются в это разреженное пространство и образуют вихри, которые потом постепенно исчезают.

Таким образом, впереди пластины давление воздуха повышено, а позади нее понижено. К чему это ведет?

Представьте себе, что вы давите на полуоткрытую дверь, а ваш товарищ давит на нее с другой стороны. Если вы сильнее, то под действием разности давлений дверь откроется в сторону вашего товарища. Так и здесь. Разность давлений впереди и позади пластины создает силу, направленную в сторону меньшего давления (мы будем обозначать ее русской буквой Р)[9]. Если пластина неподвижна, то эта аэродинамическая сила будет стремиться сорвать пластину и унести ее. Если же пластина движется, то эта сила будет тормозить движение.

Сопротивление воздуха, как было сказано, сильно зависит еще от формы тела. Какая же форма будет наиболее выгодной?

Снабдим нашу круглую пластину спереди тупой конусообразной наставкой, а сзади — более заостренным конусом (рис. 11, б). При такой форме срыв струй отсутствует, вихрей позади тела почти нет, разность давлений воздуха впереди и позади тела незначительна. По сравнению с пластиной сопротивление такого тела примерно в 25 раз меньше, и создается оно главным образом лишь трением воздуха о его поверхность.

При такой форме воздушный поток почти не тормозится телом, он течет вдоль его гладких боков и хорошо обтекает заостренную заднюю часть. Поэтому такие формы получили название хорошо обтекаемых.

Мы познакомились с обтеканием тел симметричной формы, когда воздух течет параллельно оси симметрии тела[10]. В таких случаях воздух обтекает тело тоже симметрично и разность давлений получается только впереди и позади тела, а не по бокам его. Эта разность давлений, а также трение воздуха о поверхность тела и создают силу, направленную прямо против движения, как говорят, «в лоб» (рис. 11). Поэтому в таких случаях аэродинамическую силу называют силой лобового сопротивления.

Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления давления и сопротивления трения.

Вот как возникает сопротивление трения.

Всем известно поверхностное трение между твердыми телами. Существует еще внутреннее трение между соседними слоями жидкости или газа, называемое вязкостью. Например, если опустить в воду палец, а затем вынуть его, то к нему прилипнет немного воды. Но если проделать то же самое с маслом или глицерином, то к пальцу прилипнет много жидкости — тем больше, чем больше ее вязкость.

Вязкость воздуха наблюдать труднее. Однако известно, что через форточку, затянутую марлей, воздух проходит заметно хуже, чем без марли. Это в значительной мере объясняется вязкостью воздуха.

Когда воздушный поток обтекает тело, воздух непосредственно около самого тела не скользит по его поверхности, а прилипает к ней. Прилипший тончайший слой тормозит движение соседнего, этот — следующего и т. д., и лишь на некотором расстоянии от поверхности тела это явление прекращается. Слой, в котором проявляются силы внутреннего трения, называют пограничным (он граничит с поверхностью тела).

Чтобы уменьшить силы внутреннего трения в пограничном слое, крыльям и фюзеляжу самолета придают хорошо обтекаемую форму и полируют их поверхность.

Итак, лобовая аэродинамическая сила только тормозит движение тела. Посмотрим теперь, как возникает сила, нужная для полета.

Она появляется в тех случаях, когда воздух обтекает пластину (крыло) несимметрично.

На рис. 12 изображена схема обтекания прямоугольной пластины, поставленной под острым углом к потоку.

Рис. 12. Возникновение аэродинамической силы Р при несимметричном обтекании пластины и замена силы Р двумя аэродинамическими силами — подъемной силой П и силой лобового сопротивления Л.

Под пластиной происходит торможение потока, и поэтому давление здесь повышается. Над пластиной вследствие срыва струй получается разрежение воздуха, то есть давление здесь понижено. Благодаря этой разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, то есть назад и вверх.

Отклонение аэродинамической силы вверх зависит от угла, под которым пластина поставлена к потоку. Этот угол получил очень удачное название «угла атаки». Под этим углом пластина как бы «атакует» воздух (этот угол принято обозначать греческой буквой α — альфа).

Таким образом, воздушный поток стремится здесь отнести пластину не только назад, но одновременно и вверх.

Поэтому для наглядности мы можем здесь заменить полную аэродинамическую силу Р двумя силами — Л и П, из которых первая направлена прямо назад (сила лобового сопротивления), а вторая направлена вертикально вверх (подъемная сила)[11].

Возникновение аэродинамических сил при несимметричном обтекании можно хорошо видеть у воздушного змея, сделанного, например, из листа бумаги с двумя диагональными рейками и одной поперечной.

Если уздечку змея, к которой прикрепляется леер (нить, на которой запускают змей), построить из ниток равной длины, прикрепленных к концам диагональных реек, то змей летать не будет. Побежав с таким змеем против ветра (рис. 13 внизу), вы увидите, что змей будет нестись на высоте вашей руки, стоя в воздухе перпендикулярно к ветру.

Рис. 13. Полет воздушного змея: внизу — с неправильно построенной уздечкой, вверху — с правильно построенной уздечкой.

Такая замена называется разложением одной силы на две по правилу параллелограмма.

По натяжению леера вы будете чувствовать, что змей сопротивляется движению, но и только. Это и понятно, так как в этом случае аэродинамическая сила будет только лобовой.

Но если вы сделаете уздечку так, что две верхние нитки будут равной длины, а третья (нижняя) чуть покороче, и прикрепите ее к центру змея, то змей, при наличии правильно сделанного хвоста, легко взмоет и будет устойчиво летать (рис. 13 вверху). В этом случае змей «атакует» воздух под углом 40–60 градусов и в результате несимметричного обтекания возникает подъемная сила.

Подъемная сила крыла самолета, как мы сейчас увидим, возникает, однако, несколько иначе, чем подъемная сила пластины, или воздушного змея.