Почему самолет трясет

Как работают самолеты | наука о полете

Реклама

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 16 июня 2019 года.

Мы считаем, что можем летать с одной стороны света. другому в считанные часы, но столетие назад это удивительное способность мчаться по воздуху была только что обнаружена. какой братья Райт - пионеры активного полета - из возраст, когда около 100 000 самолетов каждый день взлетают в небо в одних только Соединенных Штатах? Они были бы поражены, конечно, и тоже в восторге.Благодаря их успешным экспериментам с самолет , самолет по праву признан одним из величайших изобретения всех времен. Давайте подробнее рассмотрим, как это работает!

Фото: вам нужны большие крылья, чтобы поднять большой самолет, такой как Globemaster ВВС США. Ширина крыльев 51,75 м (169 футов) - это чуть меньше длины тела самолета 53 м (174 фута). Максимальный взлетный вес составляет 265 352 кг (585 000 фунтов), примерно 40 взрослых слонов! Фото Джереми Локка любезно предоставлено ВВС США.

Как летают самолеты?

Если вы когда-нибудь видели, как реактивный самолет взлетает или входит в земля, первое, что вы заметили, это шум двигатели. Реактивные двигатели, которые представляют собой длинные металлические трубы, горящие непрерывно прилив топлива и воздуха намного шумнее (и гораздо мощнее), чем традиционные пропеллерные двигатели. Вы можете подумать, что двигатели являются ключом к летать самолетом, но ты ошибаешься. Вещи могут летать довольно счастливо без двигателей, как планеры (самолеты без двигателей), бумажные самолеты, и действительно скользящие птицы охотно показывают нам.

Фото: четыре силы действуют на самолет в полете. Когда самолет летит горизонтально с постоянной скоростью, подъем с крыльев точно уравновешивает вес самолета, а тяга точно уравновешивает сопротивление. Однако во время взлета или когда самолет пытается подняться в небо (как показано здесь), тяга от двигателей, толкающих самолет вперед, превышает сопротивление (сопротивление воздуха), оттягивающее его назад. Это создает подъемную силу, превышающую вес самолета, который приводит самолет выше в небо.Фото Натанаэля Каллона любезно предоставлено ВВС США.

Если вы пытаетесь понять, как летают самолеты, вам нужно быть ясно о разнице между двигателями и крыльями и разные работы, которые они делают. Двигатели самолета предназначены для его перемещения вперед на высокой скорости. Это делает воздушный поток быстро через крылья, которые сбрасывают воздух к земле, создавая подъемную силу, называемую подъемной силой, которая преодолевает вес и держит его в небе. Так что двигатели двигают самолет вперед, в то время как крылья двигают его вверх.

Фото: третий закон движения Ньютона объясняет, как двигатели и крылья работают вместе, чтобы заставить самолет двигаться по небу. Сила горячего выхлопного газа, стреляющего назад от реактивного двигателя, толкает самолет вперед. Это создает движущийся поток воздуха над крыльями. Крылья толкают воздух вниз, и это толкает самолет вверх. Фото Сэмюэля Роджерса (с добавленными аннотациями объяснением от thatstuff.com) любезно предоставлено ВВС США. Подробнее о работе двигателей читайте в нашей подробной статье о реактивных двигателях.

Как крылья делают подъем?

В одном предложении крылья поднимаются, изменяя направление и давление воздуха, который в них врезается, когда двигатели стреляют по небу.

Перепад давления

Хорошо, значит, крылья - это ключ к тому, чтобы что-то летало, но как они работают? Большинство крыльев самолета имеют изогнутую верхнюю поверхность и более плоскую нижнюю поверхность, что делает форма поперечного сечения, называемая аэродинамическим профилем (или аэродинамическим профилем, если вы британец):

Фото: крыло аэродинамического профиля обычно имеет изогнутую верхнюю поверхность и плоскую нижнюю поверхность.Это крыло на самолет Центурион НАСА на солнечной энергии. Фото Тома Чида любезно предоставлено Центром летных исследований НАСА им. Армстронга.

Во многих научных книгах и на веб-страницах вы прочтете неправильное объяснение того, как аэродинамический профиль, подобный этому, вызывает подъем. Это происходит следующим образом: когда воздух проникает через изогнутую верхнюю поверхность крыла, он должен перемещаться на дальше, чем на , чем воздух, который проходит под ним, поэтому он должен идти на быстрее, на (чтобы одновременно преодолеть большее расстояние). По принципу аэродинамики называется Бернулли закон, быстро движущийся воздух находится под более низким давлением, чем медленно движущийся воздух, поэтому давление над крылом ниже, чем давление ниже, и это создает подъемную силу, которая приводит самолет в движение вверх.

Хотя это объяснение того, как работают крылья, часто повторяется, оно неверно: оно дает правильный ответ, но по совершенно неправильным причинам! Подумайте об этом на мгновение, и вы увидите, что если бы это было правдой, акробатические самолеты не могли бы летать с ног на голову. Если перевернуть самолет, произойдет «сброс» и он рухнет на землю. Не только это, но вполне возможно проектировать самолеты с аэродинамическими поверхностями, которые симметричны (если смотреть прямо вниз по крылу), и они все еще производят подъемную силу.Например, бумажные самолеты (и сделанные из тонкого бальсового дерева) создают подъемную силу, даже если у них плоские крылья.

" Популярное объяснение лифта является общим, быстрым, звучит логично и дает правильный ответ, но также вводит в заблуждение, использует бессмысленные физический аргумент и вводит в заблуждение уравнение Бернулли. "

Профессор Хольгер Бабинский, Кембриджский университет

Но стандартное объяснение подъема проблематично и по другой важной причине: воздушный выстрел над крылом не должен идти в ногу с воздухом, идущим под ним, и ничто не говорит о том, что он должен преодолевать большее расстояние в том же направлении. время.Представьте, что две молекулы воздуха достигают передней части крыла и разделяются, так что одна стреляет вверх, а другая свистит прямо под дном. Нет причин, по которым эти две молекулы должны прибыть в одно и то же время на заднем конце крыла: вместо этого они могут встретиться с другими молекулами воздуха. Этот недостаток стандартного объяснения аэродинамического профиля носит техническое название «теория равного транзита». Это просто причудливое название для (неправильной) идеи о том, что воздушный поток разделяется на передней части аэродинамического профиля и снова аккуратно встречается сзади.

Так каково реальное объяснение? Когда изогнутое крыло аэродинамического профиля летит по небу, оно отклоняет воздух и изменяет давление воздуха над и под ним. Это интуитивно очевидно. Подумайте, каково это, когда вы медленно идете по бассейну и чувствуете силу воды, толкающей ваше тело: ваше тело отвлекается поток воды, когда он проталкивается через него, и аэродинамическое крыло делает то же самое (гораздо более резко - потому что это то, для чего оно предназначено).Когда самолет летит вперед, изогнутая верхняя часть крыла понижает давление воздуха непосредственно над ним, поэтому оно движется вверх.

Почему это происходит? Когда воздух проходит по изогнутой верхней поверхности, его естественная склонность - двигаться по прямой линии, но изгиб крыла тянет его назад и вниз. По этой причине воздух эффективно растягивается в больший объем - то же количество молекул воздуха, вынужденных занимать больше места, - и это то, что снижает его давление. По совершенно противоположной причине давление воздуха под крылом увеличивается: продвигающееся крыло сдавливает молекулы воздуха перед ним в меньшее пространство.Разница в давлении воздуха между верхней и нижней поверхностями вызывает большую разницу в скорости воздуха (не наоборот, как в традиционной теории крыла). Разница в скорости (наблюдаемая в реальных экспериментах в аэродинамической трубе) намного больше, чем можно было бы предсказать из простой теории (равного транзита). Таким образом, если две наши молекулы воздуха отделяются спереди, то, что проходит через верх, попадает в хвостовую часть крыла гораздо быстрее, чем то, что идет под дном. Независимо от того, когда они прибудут, обе эти молекулы будут ускоряться на вниз, на - и это помогает произвести подъем вторым важным способом.

Как крылья аэродинамического профиля создают подъем № 1: аэродинамический профиль разделяет поступающий воздух, понижает давление верхнего воздушного потока и ускоряет оба воздушных потока вниз. Когда воздух ускоряется вниз, крыло (и самолет) движутся вверх. Чем больше аэродинамический профиль отклоняет путь встречного воздуха, тем больший подъем он создает.

Промывка

Если вы когда-либо стояли возле вертолета, вы точно знаете, как он стоит в небе: он создает огромный «поток вниз» (нисходящий поток) воздуха, который уравновешивает его вес.Роторы вертолетов очень похожи на аэродинамические поверхности самолетов, но вращаются по кругу, а не движутся вперед по прямой, как те, что на самолете. Несмотря на это, самолеты создают поток воды точно так же, как и вертолеты - просто мы этого не замечаем. Промывка не так очевидна, но она так же важна, как и с вертолетом.

Этот второй аспект подъема намного легче понять, чем перепады давления, по крайней мере, для физика: согласно третьему закону движения Исаака Ньютона, если воздух придает силу, направленную вверх, самолет должен давать (равный и противоположный) вниз сила в воздух.Таким образом, самолет также создает подъемную силу, используя свои крылья для выталкивания воздуха вниз за собой. Это происходит потому, что крылья не идеально горизонтальны, как вы могли бы предположить, но слегка отклонены назад поэтому они ударили по воздуху под углом . Наклоненные крылья толкают вниз как ускоренный воздушный поток (сверху над ними), так и более медленный движущийся воздушный поток (снизу над ними), и это вызывает подъем. Поскольку изогнутая верхняя часть аэродинамического профиля отклоняет (отталкивает) больше воздуха, чем прямая нижняя часть (другими словами, намного более резко изменяет траекторию поступающего воздуха), она производит значительно большую подъемную силу.

Как крылья аэродинамического профиля вызывают подъем № 2: изогнутая форма крыла создает область низкого давления над ним (красная), которая создает подъемную силу. Низкое давление заставляет воздух ускоряться над крылом, а изогнутая форма крыла (и более высокое давление воздуха значительно выше потока измененного воздуха) заставляет этот воздух в мощный поток воды, также поднимая самолет вверх. Эта анимация показывает, как различные углы атаки (угол между крылом и входящим воздухом) изменяют область низкого давления над крылом и подъемную силу, которую он делает.Когда крыло плоское, его изогнутая верхняя поверхность создает скромную область низкого давления и небольшую подъемную силу (красная). По мере увеличения угла атаки подъем также резко возрастает - до некоторой точки, когда увеличение сопротивления приводит к срыву плоскости (см. Ниже). Если мы наклоним крыло вниз, мы создадим более низкое давление под ним, и самолет упадет. Основанный на Аэродинамике, общедоступном учебном фильме Военного департамента 1941 года.

Вам может быть интересно, почему воздух вообще падает за крыло.Почему, например, он не попадает в переднюю часть крыла, не изгибается сверху, а затем продолжается горизонтально? Почему есть обратная промывка, а не просто горизонтальная «промывка»? Вспомните наше предыдущее обсуждение давления: крыло понижает давление воздуха непосредственно над ним. Выше, намного выше плоскости, воздух все еще находится под нормальным давлением, которое выше, чем воздух непосредственно над крылом. Таким образом, воздух нормального давления значительно выше крыла выталкивает воздух более низкого давления непосредственно над ним, эффективно «впрыскивая» воздух вниз и позади крыла при обратной промывке.Другими словами, разность давлений, создаваемая крылом, и поток воздуха за ним - это не две отдельные вещи, а все неотъемлемая часть одного и того же эффекта: наклонное крыло аэродинамической поверхности создает разницу давлений, которая создает поток вниз, и это приводит к лифт.

Теперь мы можем видеть, что крылья - это устройства, предназначенные для выталкивания воздуха вниз, легко понять, почему самолеты с плоскими или симметричными крыльями (или перевернутые каскадеры) все еще могут безопасно летать. Пока крылья создают нисходящий поток воздуха, самолет будет испытывать равную и противоположную силу - подъемную силу - которая будет удерживать его в воздухе.Другими словами, перевернутый пилот создает определенный угол атаки, который создает достаточно низкое давление над крылом, чтобы держать самолет в воздухе.

Сколько лифта вы можете сделать?

Обычно воздух, проходящий через верх и низ крыла, очень близко повторяет изгиб поверхностей крыла - так же, как вы могли бы следовать ему, если бы вы обводили его контур пером. Но с увеличением угла атаки плавный воздушный поток за крылом начинает разрушаться и становится более турбулентным, что снижает подъемную силу.Под определенным углом (как правило, около 15 °, хотя он и меняется), воздух больше не плавно обтекает крыло. Есть большое увеличение сопротивления, большое снижение подъемной силы, и говорят, что у самолета заглох. Это немного запутанный термин, потому что двигатели продолжают работать, а самолет продолжает летать; киоск просто означает потерю подъема.