Почему самолет держится в воздухе? Аэродинамика «на пальцах» | Техника и Интернет
Шутки шутками, но определенный налет серьезности появляется в подобной ситуации не только у обремененного авиационными знаниями человека. Тем более, что вышеупомянутая сорокатонная «дура» — это, вобщем-то, средний по размерам самолет российских ВВС СУ-24. Ну, а если этот «посерьезневший» человек окажется свидетелем неторопливого, но о-о-очень уверенного взлета самого большого в мире транспортного самолета АН-225 «Мрия» («Мечта» по-украински, кто не знает)?.. Комментировать больше ничего не буду. Добавлю лишь, что взлетный вес этой «птички» — 600 тонн.
Да, впечатления на этой почве могут быть очень глубокими. Но, как бы то ни было, эмоции здесь совершенно ни при чем. Физика. Одна голая физика. Именно подчиняясь законам физики, поднимаются в воздух все летательные аппараты, начиная с легких спортивных самолетов и заканчивая тяжелыми транспортниками и, казалось бы, уж совсем бесформенными вертолетами, непонятно как удерживающимися в воздухе.
Словосочетание «подъемная сила» знакомо практически любому человеку, но удивительно то, что далеко не каждый может сказать, откуда же она все-таки берется, эта самая сила. А между тем объяснить ее происхождение можно просто, буквально «на пальцах», не влезая в математические дебри.
Как известно, главная несущая поверхность самолета — это крыло. Оно практически всегда имеет определенный профиль, у которого нижняя часть плоская, а верхняя выпуклая (по определенному закону). Воздушный поток, проходя под нижней частью профиля, почти не меняет своей структуры и формы. Зато, проходя над верхней частью, он сужается, ведь для него верхняя поверхность профиля — это как вогнутая стенка в трубе, по которой этот самый поток как бы протекает.
Теперь, чтобы через эту «продавленную» трубу прогнать за определенное время тот же обьем воздуха, его нужно двигать быстрее, что и происходит на самом деле. Осталось вспомнить закон Бернулли из любимого школьного курса физики, который гласит, что чем выше скорость потока, тем ниже его давление. Таким образом, давление над профилем (а значит и над всем крылом) ниже давления под ним.
Возникает сила, которая старается «выдавить» крыло, а значит и весь летательный аппарат вверх. Это и есть та самая вышеупомянутая подъемная сила. Как только она становится больше веса — ура! Мы в воздухе! Мы летим! И, кстати, чем выше наша скорость, тем больше подъемная сила. Если же в дальнейшем подъ
емная сила и вес сравняются по величине, то самолет перейдет в горизонтальный полет.
А хорошую скорость нам придаст мощный авиационный двигатель или, точнее, сила тяги, которую он создает.
Используя этот принцип можно, теоретически, заставить взлететь (и успешно летать) предмет любой массы и формы. Главное — точно все рассчитать с точки зрения аэродинамики и других авиационных наук и правильно изготовить этот самый предмет. Упоминая о форме, я имею ввиду, главным образом, вертолет. Аппарат, совсем не похожий внешне на самолет, в воздухе держится по той же причине. Ведь каждая лопасть его главного, говоря авиационным языком, несущего (очень характерное слово, выше уже встречалось) винта — это то же крыло с аэродинамическим профилем.
Двигаясь в воздушном потоке при вращении винта, лопасть создает подъемную силу, которая, кстати, не только поднимает вертолет, но и двигает его вперед.
Для этого ось вращения винта немного наклоняется (создается «перекос» винта), и появляется горизонтальная составляющая подъемной силы, исполняющая роль силы тяги самолетного двигателя. Винт как бы тянет одновременно вверх и вперед. В результате получаем уверенный и очень надежный полет такого, вобщем-то, «странного» аппарата, как вертолет. И, между прочим, достаточно красивый полет. Я неоднократно наблюдал с земли пилотаж боевого вертолета МИ-24 — зрелище просто завораживающее.
Кстати, хочу заметить, что винты самолетов с винтовыми двигателями (турбо или поршневыми) сродни вертолетным и используют тот же принцип (догадались какой?). Только подъемная сила здесь полностью «переквалифицировалась» в силу тяги. Говоря по-вертолетному, «перекос» винта — 90 градусов.
Да, авиация — это очень красиво.
Слова восхищения применимы в разговоре о полете любого достаточно совершенного летательного аппарата. Будь то внешне неторопливый гигант «Мрия», трудяга-штурмовик СУ-25 или юркий спортивный пилотажник. Вся эта красота является результатом подчас многолетней кропотливой работы ученых и авиационных инженеров, аэродинамиков, двигателистов, прочнистов и т. д.
И авиационная наука на самом деле столь же сложна, сколь и интересна. Но в основе ее лежит, вобщем-то, простой физический принцип образования подъемной силы, суть которого, при желании, можно очень легко обьяснить, и который, тем не менее, помогает осуществить вековое стремление человечества к полету…
Теги: физика, сила, воздух, самолет, наука, полет, законы физики, подъемная сила
Почему самолёт летает? | Наука и жизнь
Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.
Н. Е. Жуковский
Фото И. Дмитриева.
Рис. 1. При взаимодействии плоской пластины с потоком воздуха возникают подъёмная сила и сила сопротивления.
Рис. 2. При обтекании потоком воздуха выгнутого крыла давление на его нижней поверхности будет выше, чем на верхней. Разница в давлениях даёт подъёмную силу.
Рис. 3. Отклоняя ручку управления, лётчик изменяет форму руля высоты (1—3) и крыльев (4—6).
Рис. 4. Руль направления отклоняют педалями.
‹
›
Открыть в полном размере
Вы когда-нибудь летали? Не на самолёте, не на вертолёте, не на воздушном шаре, а сами — как птица? Не приходилось? И мне не довелось. Впрочем, насколько я знаю, это не удалось никому.
Почему же человек не смог этого сделать, ведь кажется, нужно лишь скопировать крылья птицы, прикрепить их к рукам и, подражая пернатым, взмыть в поднебесье. Но не тут-то было. Оказалось, что человеку не хватает сил, чтобы поднять себя в воздух на машущих крыльях.
В 1505 году великий Леонардо да Винчи писал: «… когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях». Звучит это сложно, но по сути не просто верно, а гениально. Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт.
Но опять возник вопрос: какой формы должно быть крыло? Первые эксперименты проводили с крыльями плоской формы. Посмотрите на схему (рис. 1). Если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то возникают подъёмная сила и сила сопротивления. Сила сопротивления старается «сдуть» пластину назад, а подъёмная сила — поднять. Угол, под которым воздух дует на крыло, называется углом атаки. Чем больше угол атаки, то есть чем круче к потоку наклонена пластина, тем больше подъёмная сила, но вырастает и сила сопротивления.
Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше — сопротивление будет небольшим, но и подъёмная сила маленькой. Если развернуться круче к потоку — сопротивление окажется так велико, что крыло превратится скорее в парус.
Отношение величины подъёмной силы к величине силы сопротивления называется аэродинамическим качеством. Это один из самых важных критериев, относящихся к летательному аппарату. Оно и понятно, ведь чем выше аэродинамическое качество, тем меньше энергии тратит летательный аппарат на преодоление сопротивления воздуха.
Вернёмся к крылу. Наблюдательные люди очень давно заметили, что у птиц крылья не плоские. Всё в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе собственной конструкции и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Нашлось и довольно простое объяснение этому факту.
Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. (Очень просто склеить модель такого крыла из обычного листа бумаги.) Теперь посмотрим на вторую схему (рис. 2). Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу, не так ли? Но физикам известно, что с увеличением скорости давление в потоке газа падает. Смотрите, что получается: давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним! Разница давлений направлена вверх, вот вам и подъёмная сила. А если добавить угол атаки, то подъёмная сила ещё увеличится.
Одним из первых вогнутые крылья сделал талантливый немецкий инженер Отто Лилиенталь. Он построил 12 моделей планеров и совершил на них около тысячи полётов. 10 августа 1896 года во время полёта в Берлине его планер перевернуло внезапным порывом ветра и отважный пилот-исследователь погиб. Теоретическое обоснование парения птиц, продолженное нашим великим соотечественником Николаем Егоровичем Жуковским, определило всё дальнейшее развитие авиации.
А теперь попробуем разобраться, как подъёмную силу можно изменять и использовать для управления самолётом. У всех современных самолётов крылья сделаны из нескольких элементов. Основная часть крыла неподвижна относительно фюзеляжа, а на задней кромке устанавливают как бы небольшие дополнительные крылышки-закрылки. В полёте они продолжают профиль крыла, а на взлёте, при посадке или при манёврах в воздухе могут отклоняться вниз. При этом подъёмная сила крыла возрастает. Такие же маленькие дополнительные поворотные крылышки есть на вертикальном оперении (это руль направления) и на горизонтальном оперении (это руль высоты). Если такую дополнительную часть отклонить, то форма крыла или оперения меняется, и меняется его подъёмная сила. Посмотрим на третью схему (рис. 3 на с. 83). В общем случае подъёмная сила увеличивается в сторону, противоположную отклонению рулевой поверхности.
Расскажу в самых общих чертах, как управляется самолёт. Чтобы подняться вверх, нужно слегка опустить хвост, тогда возрастёт угол атаки крыла, самолёт начнёт набирать высоту. Для этого пилот должен потянуть штурвал (ручку управления) на себя. Руль высоты на стабилизаторе отклоняется вверх, его подъёмная сила уменьшается и хвост опускается. При этом угол атаки крыла увеличивается и его подъёмная сила возрастает. Чтобы спикировать, пилот наклоняет штурвал вперёд. Руль высоты отклоняется вниз, самолёт задирает хвост и начинает снижение.
Наклонить машину вправо или влево можно при помощи элеронов. Они расположены на концевых частях крыльев. Наклон ручки управления (или поворот штурвала) к правому борту заставляет правый элерон подняться, а левый — опуститься. Соответственно подъёмная сила на левом крыле возрастает, а на правом падает, и самолёт наклоняется вправо. Ну а как наклонить самолёт влево — догадайтесь сами.
Рулём направления управляют с помощью педалей (рис. 4). Толкаете вперёд левую педаль — самолёт поворачивает налево, толкаете правую — направо. Но делает это машина «лениво». А вот чтобы самолёт быстро развернулся, нужно сделать несколько движений. Предположим, вы собираетесь повернуть влево. Для этого нужно накренить машину влево (повернуть штурвал или наклонить ручку управления) и в то же время нажать на левую педаль и взять штурвал на себя.
Вот, собственно, и всё. Вы можете спросить, почему же лётчиков учат летать несколько лет? Да потому, что просто всё только на бумаге. Вот вы дали самолёту крен, взяли ручку на себя, а самолёт вдруг начал съезжать вбок, как на скользкой горке. Почему? Что делать? Или в горизонтальном полёте вы решили подняться повыше, взяли штурвал на себя, а самолёт вдруг, вместо того чтобы забираться на высоту, клюнул носом и по спирали полетел вниз, как говорят, вошёл в «штопор».
Пилоту в полёте нужно следить за работой двигателей, за направлением и высотой, за погодой и пассажирами, за собственным курсом и курсами других самолётов и множеством других важных параметров. Пилот должен знать теорию полёта, расположение и порядок работы органов управления, должен быть внимательным и смелым, здоровым, а самое главное — любить летать.
Никто не может объяснить, почему самолеты остаются в воздухе
В декабре 2003 года, в ознаменование 100-летия первого полета братьев Райт, New York Times опубликовал статью под названием «Оставаясь в воздухе; Что удерживает их там?» Суть статьи заключалась в простом вопросе: что удерживает самолеты в воздухе? Чтобы ответить на него, Times обратились к Джону Д. Андерсону-младшему, куратору отдела аэродинамики в Национальном музее авиации и космонавтики и автору нескольких учебников в этой области.
Однако Андерсон сказал, что на самом деле нет единого мнения о том, что создает аэродинамическую силу, известную как подъемная сила. «На этот вопрос нет простого однострочного ответа», — сказал он Times . Люди дают разные ответы на этот вопрос, некоторые с «религиозным рвением». Спустя более 15 лет после этого заявления все еще существуют разные версии того, что создает подъемную силу, и у каждой есть свой значительный ряд ревностных защитников. На данном этапе истории полета эта ситуация вызывает некоторое недоумение. Ведь естественные процессы эволюции, действуя бездумно, наобум и без всякого понимания физики, эоны назад решили механическую проблему аэродинамической подъемной силы для парящих птиц. Почему ученым должно быть так сложно объяснить, что удерживает птиц и авиалайнеры в воздухе?
Путаницу усугубляет тот факт, что описания подъемной силы существуют на двух отдельных уровнях абстракции: техническом и нетехническом. Они скорее дополняют друг друга, чем противоречат друг другу, но различаются по своим целям. Одна существует как строго математическая теория, область, в которой среда анализа состоит из уравнений, символов, компьютерных симуляций и чисел. Серьезных разногласий относительно того, что представляют собой соответствующие уравнения или их решения, практически нет. Цель технической математической теории состоит в том, чтобы делать точные прогнозы и прогнозировать результаты, полезные для авиационных инженеров, занимающихся сложным делом проектирования самолетов.
Но сами по себе уравнения не являются объяснениями, равно как и их решения. Существует второй, нетехнический уровень анализа, который предназначен для того, чтобы дать нам физическое, основанное на здравом смысле объяснение подъемной силы. Цель нетехнического подхода состоит в том, чтобы дать нам интуитивное понимание реальных сил и факторов, которые действуют, удерживая самолет в воздухе. Этот подход существует не на уровне чисел и уравнений, а на уровне понятий и принципов, знакомых и понятных неспециалистам.
Противоречия лежат на втором, нетехническом уровне. Для объяснения подъемной силы обычно предлагаются две разные теории, и сторонники обеих сторон аргументируют свою точку зрения в статьях, книгах и в Интернете. Проблема в том, что каждая из этих двух нетехнических теорий верна сама по себе. Но ни один из них не дает полного объяснения подъемной силы, которое обеспечивает полный учет всех основных сил, факторов и физических условий, управляющих аэродинамической подъемной силой, без каких-либо нерешенных, необъяснимых или неизвестных вопросов. Существует ли вообще такая теория?
Две конкурирующие теории
Безусловно, наиболее популярным объяснением подъемной силы является теорема Бернулли, принцип, сформулированный швейцарским математиком Даниэлем Бернулли в его трактате 1738 года Hydrodynamica . Бернулли происходил из семьи математиков. Его отец, Иоганн, внес свой вклад в исчисление, а его дядя Якоб ввел термин «интеграл». Многие работы Даниэля Бернулли были связаны с потоком жидкости: воздух — это жидкость, и теорема, связанная с его именем, обычно выражается в терминах гидродинамики. Проще говоря, закон Бернулли гласит, что давление жидкости уменьшается по мере увеличения ее скорости, и наоборот.
Теорема Бернулли пытается объяснить подъемную силу как следствие искривления верхней поверхности аэродинамического профиля — так называется крыло самолета. Идея заключается в том, что из-за этой кривизны воздух, движущийся по верхней части крыла, движется быстрее, чем воздух, движущийся по нижней поверхности крыла, которая является плоской. Теорема Бернулли гласит, что увеличение скорости на верхней части крыла связано с наличием там области более низкого давления, то есть подъемной силы.
Горы эмпирических данных по линиям тока (линиям частиц дыма) в аэродинамических испытаниях, лабораторных экспериментах с соплами и трубками Вентури и т. д. предоставляют неопровержимые доказательства того, что, как сказано, принцип Бернулли верен и верен. Тем не менее есть несколько причин, по которым теорема Бернулли сама по себе не представляет собой полное объяснение лифта. Хотя опыт показывает, что воздух движется быстрее по искривленной поверхности, одна только теорема Бернулли не объясняет, почему это так. Другими словами, теорема не говорит, как возникла более высокая скорость над крылом.
Предоставлено: L-Dopa Существует множество неверных объяснений более высокой скорости. Согласно наиболее распространенной — теории «равного времени прохождения» — порции воздуха, разделяющиеся на передней кромке крыла, должны одновременно соединиться на задней кромке. Поскольку верхняя посылка проходит дальше, чем нижняя, за заданное время, она должна двигаться быстрее. Заблуждение здесь состоит в том, что нет физической причины, по которой две посылки должны достичь задней кромки одновременно. И действительно, это не так: эмпирический факт состоит в том, что воздух наверху движется намного быстрее, чем могла бы объяснить теория равного времени прохождения.
Есть и пресловутая «демонстрация» принципа Бернулли, повторяющаяся во многих популярных аккаунтах, видео на YouTube и даже в некоторых учебниках. Он заключается в том, чтобы держать лист бумаги горизонтально у рта и дуть на его изогнутую верхнюю часть. Страница поднимается вверх, якобы иллюстрируя эффект Бернулли. Противоположный результат должен получиться, когда вы дуете на нижнюю часть листа: скорость движущегося под ним воздуха должна тянуть страницу вниз. Вместо этого, как это ни парадоксально, страница поднимается.
Подъем изогнутой бумаги при подаче потока на одну сторону «не потому, что воздух движется с разными скоростями с двух сторон», — говорит Хольгер Бабинский, профессор аэродинамики Кембриджского университета, в своей статье « Как работают крылья?» Чтобы продемонстрировать это, подуйте на прямой лист бумаги — например, на лист, который держится так, что он свисает вертикально — и убедитесь, что бумага не двигается ни в ту, ни в другую сторону, потому что «давление с обеих сторон бумаги является одинаково, несмотря на очевидную разницу в скорости».
Второй недостаток теоремы Бернулли заключается в том, что она не говорит, как и почему более высокая скорость на вершине крыла приводит к более низкому, а не к более высокому давлению. Было бы естественно думать, что когда кривизна крыла вытесняет воздух вверх, этот воздух сжимается, что приводит к повышенному давлению на крыло. Такое «узкое место» обычно замедляет процессы в обычной жизни, а не ускоряет их. На шоссе, когда две или более полос движения сливаются в одну, задействованные автомобили не едут быстрее; вместо этого происходит массовое замедление движения и, возможно, даже пробка. Молекулы воздуха, обтекающие крыло, не ведут себя так, но теорема Бернулли не объясняет почему.
Третья проблема дает самый решающий аргумент против того, чтобы рассматривать теорему Бернулли как полное объяснение подъемной силы: самолет с искривленной верхней поверхностью может летать перевернутым. В перевернутом полете изогнутая поверхность крыла становится нижней поверхностью и, согласно теореме Бернулли, создает пониженное давление ниже крыла. Это более низкое давление, добавленное к силе тяжести, должно в целом тянуть самолет вниз, а не удерживать его. Более того, самолеты с симметричными аэродинамическими профилями, с одинаковой кривизной сверху и снизу или даже с плоскими верхней и нижней поверхностями, также способны летать перевернутыми, если профиль встречает встречный ветер под соответствующим углом атаки. Это означает, что одной теоремы Бернулли недостаточно для объяснения этих фактов.
Другая теория подъемной силы основана на третьем законе движения Ньютона, принципе действия и противодействия. Теория утверждает, что крыло удерживает самолет, толкая воздух вниз. Воздух имеет массу, и из третьего закона Ньютона следует, что толчок крыла вниз приводит к равному и противоположному толчку вверх, то есть к подъемной силе. Ньютоновское объяснение применимо к крыльям любой формы, изогнутым или плоским, симметричным или нет. Это справедливо для самолетов, летящих перевернутым или правым боком вверх. Действующие силы также знакомы из обычного опыта — например, когда вы высовываете руку из движущегося автомобиля и наклоняете ее вверх, воздух отклоняется вниз, и ваша рука поднимается. По этим причинам третий закон Ньютона является более универсальным и исчерпывающим объяснением подъемной силы, чем теорема Бернулли.
Но, взятый сам по себе, принцип действия и противодействия также не может объяснить более низкое давление в верхней части крыла, которое существует в этой области независимо от того, изогнут ли аэродинамический профиль. Только когда самолет приземляется и останавливается, область более низкого давления в верхней части крыла исчезает, возвращается к атмосферному давлению и становится одинаковой как вверху, так и внизу. Но пока самолет летит, эта область более низкого давления является неизбежным элементом аэродинамической подъемной силы, и ее необходимо объяснить.
Историческое понимание
Ни Бернулли, ни Ньютон сознательно не пытались объяснить, что держит самолет, конечно, потому что они жили задолго до фактического развития механического полета. Их соответствующие законы и теории были просто переработаны после того, как братья Райт летали, что сделало для ученых серьезной и неотложной задачей понять аэродинамическую подъемную силу.
Большинство этих теоретических отчетов пришло из Европы. В первые годы 20-го века несколько британских ученых разработали технические и математические описания подъемной силы, в которых воздух рассматривался как идеальная жидкость, что означает, что он несжимаем и имеет нулевую вязкость. Это были нереалистичные предположения, но, возможно, понятные для ученых, столкнувшихся с новым феноменом управляемого механического полета. Эти допущения также сделали лежащую в основе математику более простой и прямолинейной, чем она могла бы быть в противном случае, но за эту простоту пришлось заплатить: какими бы успешными ни были расчеты аэродинамических профилей, движущихся в идеальных газах, с эмпирической точки зрения они оставались ошибочными.
В Германии одним из ученых, занимавшихся проблемой подъемной силы, был не кто иной, как Альберт Эйнштейн. В 1916 году Эйнштейн опубликовал в журнале Die Naturwissenschaften небольшую статью под названием «Элементарная теория волн на воде и полета», в которой пытался объяснить, чем объясняется несущая способность крыльев летательных аппаратов и парящих птиц. «Эти вопросы окружены неясностью», — писал Эйнштейн. «Действительно, должен признаться, что я никогда не встречал на них простого ответа даже в специальной литературе».
Затем Эйнштейн приступил к объяснению, в котором предполагалась несжимаемая жидкость без трения, то есть идеальная жидкость. Не называя Бернулли по имени, он дал описание, которое согласуется с принципом Бернулли, заявив, что давление жидкости больше там, где ее скорость меньше, и наоборот. Чтобы воспользоваться этой разницей давлений, Эйнштейн предложил аэродинамический профиль с выпуклостью наверху, чтобы такая форма увеличивала скорость воздушного потока над выпуклостью и, таким образом, также снижала там давление.
Эйнштейн, вероятно, думал, что его анализ идеальной жидкости в равной степени применим к реальным потокам жидкости. В 1917 году на основе своей теории Эйнштейн сконструировал аэродинамический профиль, который позже стал известен как крыло «кошачья спина» из-за его сходства с горбатой спиной растянувшейся кошки. Он представил проект производителю самолетов LVG (Luftverkehrsgesellschaft) в Берлине, который построил на его основе новый летательный аппарат. Летчик-испытатель сообщил, что аппарат ковылял в воздухе, как «беременная утка». Гораздо позже, в 19В 54 года сам Эйнштейн назвал свой экскурс в аэронавтику «юношеской глупостью». Человек, который дал нам радикально новые теории, проникающие как в самые маленькие, так и в самые большие компоненты Вселенной, тем не менее не смог внести положительный вклад в понимание подъемной силы или разработать практическую конструкцию аэродинамического профиля.
На пути к полной теории подъемной силы
Современные научные подходы к конструированию самолетов относятся к сфере вычислительной гидродинамики (CFD) и так называемых уравнений Навье-Стокса, которые полностью учитывают фактическую вязкость реального воздуха. Решения этих уравнений и результаты моделирования CFD дают прогнозы распределения давления, модели воздушного потока и количественные результаты, которые являются основой для современных высокотехнологичных конструкций самолетов. Тем не менее, они сами по себе не дают физического, качественного объяснения подъемной силы.
Однако в последние годы ведущий специалист по аэродинамике Дуг Маклин попытался выйти за рамки простого математического формализма и разобраться с физическими причинно-следственными связями, которые объясняют подъемную силу во всех ее проявлениях в реальной жизни. Маклин, проработавший большую часть своей профессиональной карьеры инженером в Boeing Commercial Airplanes, где он специализировался на разработке кода CFD, опубликовал свои новые идеи в тексте 2012 года Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics 9.0004 .
Учитывая, что книга состоит из более чем 500 страниц довольно плотного технического анализа, удивительно видеть, что она включает раздел (7.3.3), озаглавленный «Основное объяснение подъемной силы аэродинамического профиля, доступное для нетехнической аудитории». ” Создание этих 16 страниц было непростым для Маклина, мастера предмета; действительно, «вероятно, это была самая трудная часть книги для написания», — говорит автор. «Он претерпел больше изменений, чем я могу сосчитать. Я никогда не был полностью доволен этим».
Сложное объяснение подъемной силы Маклина начинается с основного предположения всей обычной аэродинамики: воздух вокруг крыла действует как «непрерывный материал, который деформируется, повторяя контуры аэродинамического профиля». Эта деформация существует в виде глубокой полосы потока жидкости как над, так и под крылом. «Аэродинамический профиль влияет на давление на большой площади в так называемом поле давления », — пишет Маклин. «При создании подъемной силы над аэродинамическим профилем всегда образуется диффузное облако низкого давления, а внизу обычно образуется диффузное облако высокого давления. Там, где эти облака касаются аэродинамического профиля, они создают разность давлений, которая создает подъемную силу на аэродинамическом профиле».
Испытание водяного канала в NASA Ames Fluid Mechanics Labuses с флуоресцентным красителем для визуализации поля потока над крылом самолета. Линии тока, движущиеся слева направо и изгибающиеся при встрече с крылом, помогают проиллюстрировать физику подъемной силы. Фото: Ян АлленКрыло толкает воздух вниз, в результате чего воздушный поток поворачивается вниз. Воздух над крылом ускоряется в соответствии с принципом Бернулли. Кроме того, под крылом имеется область повышенного давления, а над ним — область пониженного давления. Это означает, что в объяснении подъемной силы Маклина есть четыре необходимых компонента: направление потока воздуха вниз, увеличение скорости потока воздуха, область низкого давления и область высокого давления.
Но именно взаимосвязь между этими четырьмя элементами является наиболее новым и отличительным аспектом рассказа Маклина. «Они поддерживают друг друга во взаимной причинно-следственной связи, и ни один из них не мог бы существовать без других», — пишет он. «Разность давлений воздействует на аэродинамический профиль подъемной силой, в то время как поворот потока вниз и изменения скорости потока поддерживают разницу давлений». Именно эта взаимосвязь составляет пятый элемент объяснения Маклина: взаимность между остальными четырьмя. Как будто эти четыре компонента вместе возникают и поддерживают себя одновременными актами взаимного творения и причинности.
Кажется, в этом синергии есть намек на магию. Процесс, который описывает Маклин, кажется похожим на четырех активных агентов, которые тянут друг друга за шнурки, чтобы коллективно удержаться в воздухе. Или, как он признает, это случай «круговой причинно-следственной связи». Каким образом каждый элемент взаимодействия может поддерживать и усиливать все остальные? И что вызывает это взаимное, взаимное, динамическое взаимодействие? Ответ Маклина: второй закон движения Ньютона.
Второй закон Ньютона гласит, что ускорение тела или порции жидкости пропорционально приложенной к нему силе. «Второй закон Ньютона говорит нам, что когда разность давлений оказывает результирующую силу на жидкую массу, это должно вызывать изменение скорости или направления (или того и другого) движения этой частицы», — объясняет Маклин. Но, наоборот, разница давлений зависит и существует из-за ускорения посылки.
Разве мы здесь ничего не получаем? Маклин говорит нет: если бы крыло находилось в покое, не существовало бы ни одной части этого кластера взаимоусиливающих действий. Но тот факт, что крыло движется по воздуху, причем каждая частица влияет на все остальные, приводит к возникновению этих взаимозависимых элементов и поддерживает их на протяжении всего полета.
Включение взаимности подъемной силы
Вскоре после публикации Понимание аэродинамики Маклин понял, что он не полностью учел все элементы аэродинамической подъемной силы, потому что он не объяснил убедительно, что вызывает давление на крыло изменение от окружающего. Так, в ноябре 2018 года Маклин опубликовал статью из двух частей в Учитель физики , в котором он предложил «всестороннее физическое объяснение» аэродинамической подъемной силы.
Хотя статья в значительной степени повторяет более раннюю аргументацию Маклина, она также пытается добавить лучшее объяснение того, почему поле давления неоднородно, и принять физическую форму, которую оно имеет. В частности, его новый аргумент вводит взаимное взаимодействие на уровне поля потока, так что неоднородное поле давления является результатом приложенной силы, направленной вниз силы, действующей на воздух со стороны аэродинамического профиля.
Является ли раздел 7.3.3 Маклина и его последующая статья успешными в обеспечении полного и правильного описания подъемной силы, остается открытым для интерпретации и обсуждения. Есть причины, по которым трудно дать ясное, простое и удовлетворительное описание аэродинамической подъемной силы. Во-первых, потоки жидкости более сложны и трудны для понимания, чем движения твердых тел, особенно потоки жидкости, которые расходятся на передней кромке крыла и подвергаются воздействию различных физических сил сверху и снизу. Некоторые споры о подъемной силе связаны не с самими фактами, а скорее с тем, как эти факты следует интерпретировать, что может включать вопросы, которые невозможно решить экспериментальным путем.
Тем не менее, на данный момент есть лишь несколько нерешенных вопросов, требующих объяснения. Подъемная сила, как вы помните, является результатом разности давлений между верхней и нижней частями аэродинамического профиля. У нас уже есть приемлемое объяснение того, что происходит в нижней части аэродинамического профиля: встречный воздух давит на крыло как вертикально (создавая подъемную силу), так и горизонтально (создавая сопротивление). Толчок вверх существует в виде более высокого давления под крылом, и это более высокое давление является результатом простого ньютоновского действия и противодействия.
Однако в верхней части крыла все обстоит иначе. Там существует область более низкого давления, которая также является частью аэродинамической подъемной силы. Но если ни принцип Бернулли, ни третий закон Ньютона не объясняют этого, то что? Из линий тока мы знаем, что воздух над крылом плотно прилегает к нисходящей кривизне аэродинамического профиля. Но почему порции воздуха, движущиеся по верхней поверхности крыла, должны следовать его нисходящей кривизне? Почему они не могут отделиться от него и лететь обратно?
Марк Дрела, профессор гидродинамики в Массачусетском технологическом институте и автор книги «Аэродинамика летательного аппарата », предлагает ответ: «Если бы частицы на мгновение отлетели по касательной к верхней поверхности аэродинамического профиля, то буквально образовался бы вакуум. под ними», — объясняет он. «Этот вакуум будет засасывать посылки до тех пор, пока они в основном не заполнят вакуум, то есть пока они снова не начнут двигаться по касательной к аэродинамическому профилю. Это физический механизм, который заставляет посылки двигаться по форме аэродинамического профиля. Небольшой частичный вакуум остается, чтобы посылки оставались на криволинейном пути».
Это оттягивание или опускание этих воздушных пакетов от соседних вышестоящих пакетов создает область более низкого давления на крыле. Но этому действию сопутствует еще один эффект: более высокая скорость воздушного потока над крылом. «Пониженное давление над подъемным крылом также «притягивает» воздушные массы горизонтально, когда они приближаются вверх по течению, поэтому к тому времени, когда они достигают над крылом, они имеют более высокую скорость», — говорит Дрела. «Поэтому увеличение скорости над подъемным крылом можно рассматривать как побочный эффект снижения давления там».
Но, как всегда, когда дело доходит до объяснения подъемной силы на нетехническом уровне, у другого эксперта будет другой ответ. Специалист по аэродинамике из Кембриджа Бабинский говорит: «Мне неприятно не соглашаться с моим уважаемым коллегой Марком Дрела, но если объяснением было создание вакуума, то трудно объяснить, почему иногда поток тем не менее отделяется от поверхности. Но во всем остальном он прав. Проблема в том, что нет быстрого и простого объяснения».
Сам Дрела признает, что его объяснение в некотором смысле неудовлетворительно. «Одна очевидная проблема заключается в том, что нет общепризнанного объяснения», — говорит он. Так, где это оставляет нас? По сути, именно с того, с чего мы начали: с Джона Д. Андерсона, который заявил: «На этот вопрос нет простого однострочного ответа».
Эта статья была первоначально опубликована под названием «Загадка аэродинамической подъемной силы» в журнале Scientific American 322, 2, 44-51 (февраль 2020 г.)
doi:10.1038/scientificamerican0220-44
Посмотреть этот выпускЕще для изучения
Как работают крылья? Хольгер Бабинский в Физическое образование , Vol. 38, № 6, стр. 497–503; Ноябрь 2003 г.
Загадка аэродинамического профиля: конкурирующие теории аэродинамики, 1909–1930. Дэвид Блур. Издательство Чикагского университета, 2011.
.Понимание аэродинамики: аргументы из реальной физики. Дуг Маклин. Уайли, 2012.
Вам никогда не понять лифт. Питер Гаррисон в Flying ; 4 июня 2012 г.
Аэродинамика летательных аппаратов. Марк Дрела. Массачусетский технологический институт, 2014.
.Из нашего архива
Происхождение первого самолета с двигателем. Ф.Е.К. Кулик; Июль 1979 г.
Scientificamerican.com/magazine/sa
Как самолеты остаются в воздухе?
Как самолет держится в воздухе? Обдумывали ли вы этот вопрос во время полета или нет, он остается увлекательной и сложной темой. Вот беглый взгляд на физику, связанную с полетом самолета, а также проблеск неправильного представления, окружающего этот предмет.
Во-первых, представьте себе самолет — коммерческий авиалайнер, такой как транспортный самолет «Боинг» или «Эйрбас», — совершающий устойчивый полет по небу. Этот полет включает в себя тонкий баланс противоборствующих сил. «Крылья создают подъемную силу, а подъемная сила противодействует весу самолета», — говорит Хольгер Бабинский, профессор аэродинамики Кембриджского университета.
«Эта подъемная сила должна быть равна или больше веса самолета — это то, что удерживает его в воздухе», — говорит Уильям Кроссли, глава Школы аэронавтики и астронавтики в Пердью. Университет.
Тем временем двигатели самолета создают тягу, необходимую для противодействия сопротивлению, которое он испытывает из-за трения окружающего его воздуха. «Когда вы летите вперед, у вас должна быть достаточная тяга, по крайней мере, равная сопротивлению — оно может быть выше сопротивления, если вы ускоряетесь; она может быть меньше лобового сопротивления, если вы замедляетесь, но в устойчивом горизонтальном полете тяга равна лобовому сопротивлению», — отмечает Кроссли.
Понять, как именно крылья самолета создают подъемную силу, немного сложнее. «СМИ, как правило, всегда ищут быстрое и простое объяснение, — размышляет Бабинский. «Я думаю, что это втянуло нас в горячую воду». Одно популярное объяснение, которое неверно, звучит так: воздух, движущийся над изогнутой вершиной крыла, должен преодолевать большее расстояние, чем воздух, движущийся под ним, и из-за этого он ускоряется, пытаясь не отставать от воздуха на крыле. дно — как будто две частицы воздуха, одна над крылом, а другая под ним, должны оставаться магически связанными. У НАСА даже есть веб-страница, посвященная этой идее, на которой она названа «неверной теорией».
Так как же правильно думать об этом?
Протяни руку помощи
Один из очень простых способов начать думать на эту тему — представить, что вы едете на пассажирском сиденье автомобиля. Вытяните руку в сторону, навстречу входящему ветру, ладонью вниз, большим пальцем вперед, а кисть практически параллельна земле. (Если вы делаете это в реальной жизни, пожалуйста, будьте осторожны.) Теперь поднимите руку немного вверх спереди, чтобы ветер дул на нижнюю сторону вашей руки; этот процесс наклона руки вверх приближается к важной концепции крыльев, называемой их углом атаки.
«Вы отчетливо чувствуете подъемную силу, — говорит Бабинский. В этом простом сценарии воздух ударяется о нижнюю часть вашей руки, отклоняется вниз, и в ньютоновском смысле (см. третий закон) ваша рука толкается вверх.
Следуйте кривой
Но крыло, конечно, не имеет форму вашей руки, и есть дополнительные факторы, которые следует учитывать. Два ключевых момента, которые следует учитывать при работе с крыльями, заключаются в том, что передняя часть крыльев, также известная как передняя кромка, изогнута, и в целом они также принимают форму, называемую аэродинамическим профилем, когда вы смотрите на них в поперечном сечении.
[См. также: Как пилоты садят свои самолеты при сильном боковом ветре]
Изогнутая передняя кромка крыла важна, потому что воздушный поток имеет тенденцию «следовать за изогнутой поверхностью», — говорит Бабинский. Он говорит, что любит демонстрировать эту концепцию, направляя фен на закругленный край ведра. Воздушный поток прикрепится к изогнутой поверхности ведра и сделает поворот, и может даже погасить свечу с другой стороны, которая заблокирована ведром. Вот очаровательное старое видео, демонстрирующее ту же идею. «Как только поток прикрепляется к изогнутой поверхности, ему нравится оставаться привязанным — [хотя] он не будет оставаться прикрепленным навсегда», — отмечает он.
С крылом — представьте, что оно слегка наклонено вверх, как ваша рука из окна автомобиля — происходит следующее: воздух сталкивается с закругленной передней кромкой. «На верхней поверхности воздух будет присоединяться, изгибаться и фактически очень хорошо следовать этому падению, этому углу атаки», — говорит он.
Сохраняйте низкое давление
В конечном итоге происходит то, что воздух, движущийся над верхней частью крыла, прикрепляется к изогнутой поверхности и поворачивается или несколько течет вниз: образуется область низкого давления, и воздух также движется быстрее . Тем временем воздух ударяет по нижней части крыла, как будто ветер бьет по вашей руке, когда она высовывается из окна автомобиля, создавая зону высокого давления. Вуаля: над крылом находится область низкого давления, а снизу — более высокого давления. «Разница между этими двумя давлениями дает нам подъемную силу», — говорит Бабинский.
В этом видео хорошо показан общий процесс:
Бабинский отмечает, что в этой области с более низким давлением над крылом выполняется больше работы, чем в области с более высоким давлением под крылом. Вы можете думать о крыле как о отклонении воздушного потока вниз как сверху, так и снизу. На нижней поверхности крыла отклонение потока «на самом деле меньше, чем отклонение потока на верхней поверхности», отмечает он. «Для большинства аэродинамических профилей очень, очень грубое эмпирическое правило заключается в том, что две трети подъемной силы создаются там [на верхней поверхности], иногда даже больше», — говорит Бабински.
Можешь в последний раз собрать все вместе?
Конечно! Так считает Глория Ямаути, аэрокосмический инженер из Исследовательского центра Эймса НАСА. «Итак, у нас есть самолет, летящий по воздуху; воздух приближается к крылу; его поворачивает крыло на передней кромке», — говорит она. (Под «повернутым» она имеет в виду, что он меняет направление, подобно тому, как автомобиль, несущийся по дороге, заставляет воздух менять свое направление, чтобы объехать его.) «Скорость воздуха изменяется, когда он проходит над поверхностью крыла, над и под.»
«Скорость над верхней частью крыла, как правило, больше, чем скорость под крылом, — продолжает она, — и это означает, что давление над крылом ниже, чем давление под крылом, и эта разница в давление создает восходящую подъемную силу».