Вступление
Здравствуй, мой дорогой читатель, это вторая часть, посвященная вопросу а как же все таки летает самолет, как поднимается в воздух и не падает? И как и обещал, эта часть надеюсь для большинства будет более понятна и интересна, чем первая, так как закончится именно долгожданным взлётом самолета, благодаря лишь законам аэродинамики и нашим с Вами занятиям. Эту часть мы посвятим профилю крыла и силам действующим на самолет и отдельно подробно рассмотрим ту самую подъемную силу, познакомимся с полярой. Не буду больше задерживать нас, вперед!
Профиль крыла
Крыло самолета является его основной несущей поверхностью и было создано именно для того, чтобы создавать аэродинамическую подъемную силу. Если мы мысленно разрежем крыло по линии направления потока в котором оно движется, то получим профиль крыла (простыми словами вид на крыло сбоку).
Основными характеристиками крыла являются:
- Хорда профиля - отрезок соединяющий самые удаленные друг от друга точки (на рисунке обозначен b)
- Толщина профиля - наибольший отрезок перпендикулярный хорде, который можно поместить между верхним и нижним обводом профиля (на рисунке обозначен c)
- Средняя линия профиля - если взять середины отрезков перпендикулярных хорде в каждой точке хорды и соединить их одной линией, то получится средняя линия профиля (на рисунке обозначена l). (простыми словами просто разрезать профиль крыла рооовно по середине). Не сложно догадаться, что если средняя линия и хорда совпали, то такой профиль считается симметричным (то есть его верхняя и нижняя часть одинаковы).
- Кривизна профиля - наибольший отрезок перпендикулярный хорде, который можно поместить между средней линией и хордой. Другими словами, максимальный отрезок отклонения хорды от средней линии, то есть максимальное "искривление" профиля от симметричного (на рисунке обозначен f).
- Угол атаки (ЭТО СУПЕР ВАЖНО) - угол, между хордой профиля и вектором скорости набегающего потока. Это основной термин в авиации и уверен не обойдется ни одной статьи в дальнейшем где бы я не упомянул этот угол (на рисунке обозначен α("альфа")). Для простоты понимания, запомните что с этим углом поток как бы "атакует" профиль крыла (а за основу профиля мы принимаем хорду). С этим нужно подробно разобраться, поэтому давайте посмотрим на рисунок, увеличивая угол атаки, мы словно даем большему количеству воздуха забраться под крыло, а значит этот воздух сильнее будет толкать крыло вверх (подъемная сила увеличится), но точно также не надо забывать,что увеличивая этот угол, профиль крыла встает как бы все более вертикально, а значит это непременно приведет к повышению лобового сопротивления, то есть самолет начнет замедляться.
Силы, действующие на самолет
Итак, рассмотрим силы, действующие на самолет в горизонтальном полете (см. рисунок):
- Тяга (обозначается P) - это сила, создаваемая силовой установкой (будь то винт, который отбрасывает воздух назад тем самым тянет самолет вперед, или же газотурбинные двигатели) и заставляющая самолет вперед.
- Лобовое сопротивление (обозначается X) - это сила, тормозящая самолет, она сопротивляется движению и направлена всегда, в противоположную от направления движения, сторону.
- Вес (обозначается G) - это сила, которая действует на все тела на Земле, сила притяжения. Она всегда направлена к центру Земли, тут все просто.
- Подъемная сила (обозначается Y) - это сила создаваемая крылом, за счет несимметричности обтекания профиля потоком. Она направлена всегда перпендикулярно вектору скорости движения самолета.
В горизонтальном полете эти 4 силы уравновешивают друг друга (P=X; Y=G), иначе самолет изменял бы свою траекторию полета в сторону, преобладающей силы.
Подъемная сила
Итак как мы уже определили выше, именно благодаря этой силе самолет взлетает, но как на крыле появляется сила? Как она ни с того ни с чего тянет самолет вверх? Чтобы всё это понять, начнем с формулы подъемной силы:
Зависимости
Рассмотрим каждый элемент отдельно, начиная с конца:
- S - площадь крыла, тут все просто чем больше площадь крыла - тем больше подъемная сила.
- V - скорость движения самолета относительно потока воздуха, получается чем быстрее летим, тем выше можем подняться.
- ρ - плотность воздуха, чем плотнее воздух тем, больше подъемная сила (однако как я уже говорил в предыдущей статье, мы с Вами будем делать допущение, что плотность воздуха постоянна, пренебрегая сжатием)
- Cy - коэффициент подъемной силы, это величина которую оттачивают в специальных аэродинамических трубах, где подбирают оптимальную форму профиля крыла, направляя на них сильный поток воздуха имитируя тем самым полет воздушного судна. Чем больше коэффициент (чем "идеальнее" крыло) - тем больше подъемная сила.
Откуда возникает?
А теперь постараемся понять суть возникновения подъемной силы. Все мы знаем, что область воздуха с высоким давлением всегда стремится уровняться с областью низкого давления (подобно тому как мы надуваем воздушный шар, тем самым увеличивая давление воздуха внутри него, а затем отпускаем и воздух вылетает из шара стремясь наружу в зону более низкого по сравнению с областью внутри шара давлением). Так вот подъемная сила возникает за счет того, что воздух с зоны повышенного давления, которая образуется под крылом, стремится перетечь в область низкого давления, которая в свою очередь возникает на верхней поверхности крыла. Осталось лишь понять, откуда эти области там появляются. Дело в том, что воздух набегая на крыло встречает на пути своего рода препятствие в виде крыла и начинает собираться там, в то время как в верхней части поток наоборот не смог дойти, так как "застрял" снизу. Для простоты понимания представим себе давку в метро в час пик. Все люди расположены очень близко друг к другу (в этой модели они будут играть у нас роли молекул воздуха). Однако постепенно народ движется вперед (поток набегает на крыло). И вот в один момент кто-то падает (аналогично поток воздуха встречает препятствие в виде крыла на своем пути), получается люди идущие за этим человеком останавливаются вовсе и люди идущие сзади прижимаются друг к другу (подобно этому давление под крылом возрастает), ведь у них нет возможности обойти упавшего в виду большого количества людей по бокам. А что же происходит перед упавшим человеком? Людей там вовсе не будет, появится свободное пространство (подобно этому сверху крыла будет разряжение давление, или другими словами пониженное давление). Ну а дальше мы с Вами помним, воздух всегда стремится из зоны повышенного давления (снизу) - в зону пониженного (сверху). Это движение воздуха и называется подъемной силой.
Как нам увеличить подъемную силу?
Снова вспоминаем формулу. На мгновение займем роль проектировщика и займемся конструированием самолета. Есть несколько путей:
- Увеличить площадь крыла S - идея неплохая, однако нужно помнить, что при увеличении площади крыла будет увеличиваться и лобовое сопротивление (представьте что вы раскрыли зонт направили его вперед перед собой и побежали, тяжеловато неправда ли?).
- Увеличить скорость полета V (усилить двигатели) - отличная идея, нам безусловно пригодится это, именно так и поступают в наши дни. Вспомним взлет, самолет сначала разгоняется по полосе и лишь после того как скорость станет достаточной, чтобы подъемная сила Y переборола силу тяжести G (вспоминаем рисунок выше), так сразу самолет оторвется от земли. Еще одним примером будет вот что, представим мы летим в горизонтальном полете (без набора высоты и снижения), что произойдет если мы выведем режим двигателей на максимальный (увеличим скорость полета)? Правильно, самолет пойдет в набор высоты так как величина подъемной силы станет больше силы тяжести.
- Ну и последний увеличить коэффициент подъемной силы Cy, но как спросите Вы меня? А дело в том, что этот коэффициент зависит от угла атаки. И вот по какой зависимости, этот график называется поляра крыла (зависимость Cy и Сx от различных углов атаки):
Жёлтые точки на графике есть ничто иное как углы атаки, итак изучим этот график подробно. Вверх на графике у нас откладывается значение коэффициента подъемной силы Cy, увеличивая его мы увеличиваем подъемную силу, отлично. Вправо по горизонтальной оси откладывается коэффициент лобового сопротивления Cx, увеличивая его мы увеличиваем сопротивление, это негативно сказывается на самолете. Начнем движение с точки расположенной на горизонтальной оси Cx (ее значение угла атаки не подписано, но мы видим что она идет ДО точки с углом атаки = 0, значит делаем вывод что там угол атаки отрицателен, то есть хорда крыла опущена ниже набегающего потока). В этой точке как мы видим, подъемная сила равно 0, а значит ничего не тянет самолет вверх, значит сила тяжести не уравновешена и самолет под ее действием будет снижаться. Выглядит это так, как показано на рисунке:
Следующая точка, в которой угол атаки равен 0, и коэффициент подъемной силы уже положителен, значит подъемная сила хоть и маленькая но создается на крыле.
Далее мы движемся вверх по графику и увеличиваем угол атаки по значениям 2, 4, 6, 8, 10 и тд. При этом как мы видим коэффициент подъемной силы Cy растет, а значит и растет сама подъемная сила Y, но растет к сожалению и коэффициент лобового сопротивления Cx, а значит растет и само лобовое сопротивление X. Поэтому наш третий способ увеличения подъемной силы при помощи увеличения угла атаки оправдан, но мы должны помнить, что самолет при этом замедляется (из за роста лобового сопротивления):
Заключение
По традиции хочу поблагодарить Вас за прочтение данной статьи, это правда очень много значит для меня. Ваша заинтересованность дает мне огромный заряд эмоций и стимул стараться и двигаться в том же направлении. Уверяю Вас дальше будет только интереснее и познавательнее. Приходите в небо, летайте на прекрасных самолетах, это всё ещё того стоит.
