Начнем изучение с самолёта.
1. История создания самолёта
История создания самолетов берет начало задолго до времен наших дней. Идея создания устройства, способного подниматься в воздух и перемещаться без прямых контактов с землей, привлекала умы многих изобретателей и инженеров. Многие из них мечтали о полетах, и многие пытались реализовать свои идеи в жизнь.
Первыми известными попытками создания самолета считаются те, которые предпринимались в Древнем Китае и в Средние века в Европе. Первые самолётоподобные конструкции были рассчитаны на то, чтобы хотя бы на короткое время подняться в воздух. Но это были всего лишь пробные модели, не имеющие ничего общего с тем, что мы сегодня называем самолетом.
Первый по-настоящему успешный самолёт был создан братьями Райт - Орвиллом и Уилбером. Их самолёт с двумя крыльями и двигателем на борту совершил первый контролируемый полет на дальностью более 100 футов в 1903 году в Северной Каролине, США. Это событие было революционным для развития авиации и стало отправной точкой в развитии самолетостроения.
В течение следующих нескольких лет самолеты стали использоваться военными и гражданскими авиакомпаниями. Технологии развивались семимильными шагами, и в 1920-х годах в мире уже существовали различные типы самолетов, как пассажирских, так и военных. В это время появились и первые реактивные самолеты.
С развитием технологий и улучшением беспилотных систем самолеты стали все более сложными и функциональными. Они стали куда более безопасными и удобными для пассажиров. Сегодня самолеты делятся на различные типы: от малогабаритных легких самолетов до крупногабаритных широкофюзеляжных лайнеров. Современные модели самолетов оборудованы самыми современными системами безопасности и управления, и они являются чрезвычайно надежными и эффективными в использовании.
Эволюция самолетов продолжается и сегодня. Ученые и инженеры постоянно работают над созданием новых моделей, которые могли бы обладать еще большей скоростью, маневренностью и энергоэффективностью. Стремление человечества к полетам в воздухе не угасло со времен братьев Райт, и сейчас авиация продолжает развиваться и совершенствоваться.
1.2. Конструкция крыла
По какой причине самолёт взлетает? Чтобы самолёту взлететь ему нужно превзойти свой вес тела и сопротивление воздуха, но как это ему удается? Ключевой поверхностной конструкций самолета являются крылья с верхней выпуклой частью и плоской нижней. Благодаря их особенной форме движение самолета на большой скорости превращает воздушный поток в несущую силу. Нижняя часть профиля самолета оставляет воздушный поток неизменным. При контакте с верхней частью поток воздуха сужается. Крылья состоят из закрылков, предкрылков и элерона.
Конструкция крыльев имеет самое важное значение для самолета. От их способности выдерживать большую нагрузку зависит безопасный перелет человека.
Согласно закону Бернулли из физики – большая скорость воздушного потока приводит к низкому давлению и наоборот. Если применить данное правило к самолету, то получаем что под крылом давление воздуха значительно выше, чем над его поверхностью. За счет чего и взлетает самолет.
1.3. Закон Бернулли (смотреть приложение 1)
Рассмотрим воду текущую по трубе переменного сечения, с уменьшением площади сечения трубы скорость воды в ней возрастает, по второму закону ньютона для увеличения скорости на воду должна действовать какая-то сила, поэтому давление в широкой части трубы должно быть больше, чем в узкой, стало быть при сужении трубы давление в ней будет не возрастать как может показаться на первый взгляд, а падать, этот удивительный парадокс называется эффектом Бернулли по имени его
открывателя швейцарского физика Даниил Бернулли (1700-1778).
Если вода текущая слева в трубу войдет объемом V, то такой же объем выйдет из трубы справа, разность давление на концах трубы совершает при этом работу p1 минус p2 умножить на V, при отсутствии потерь вся эта работа идет на увеличение кинетической энергии воды. Масса - это произведение объема на плотность, объем сокращается и мы можем переписать нашу формулу в следующем виде, величина pV^2 (ро объём квадрат пополам) называется скоростным напором жидкости. Закон Бернулли гласит, что в идеальной жидкости сумма давление и скоростного напора остается постоянной вдоль трубы.
Закон Бернулли так же действует на крылья самолёта, профиль крыла можно разделить на две части, верхнюю и нижнюю. Верхняя часть более выпуклая, а нижняя плоская. У крыла есть закрылки и предкрылки, которые во время взлета открываются, для увелечения площади верхней части крыла. Воздух обтекающий крыло создает подъёмную силу эффектом Бернулли, создается разница давлений, чтобы воздуху пройти большее расстояние верхней части крыла нужна большая скорость, чем воздуху обтекающему в нижней части крыла, в итоге создаётся давление в верхней части слабее, чем в нижней части крыла, подъёмная сила. Она будет уже довольно большой, даже при маленькой скорости самолёта, но не достаточной для преодоления веса судна и сопротивления воздуха. Как же быть? Нужно увеличить скорость самолёта и угол атаки воздушного потока на крылья.
1.4. Угол атаки к крылу самолёта
Соотношение между металлическим крылом и воздушным потоком называют углом атаки. Для отрыва самолета от земли необходим показатель 3-5°. Конструкция крыла представляет собой непропорциональный металлический профиль с выпуклой верхней частью и ровным листом снизу. Прямая нижняя поверхность обеспечивает полноценное движение воздушной массы.
1.5. Сила тяги. Турбовентиляторный двигатель
Начало движения самолета начинается за счет авиационного двигателя. С помощью силы тяги развивается определенная скорость. В результате образуется подъемная сила, которая влияет на крыло, а следом и на весь самолет. В современных самолётах гражданской авиации используются турбовентиляторные двигатели.
Турбовентиляторный двигатель создает тягу за счёт энергии высокоскоростной реактивной струи. Для получения этой струи, поступающий воздух проходит через компрессор, камеру сгорания и ступени турбины. Вращения вентилятора так же создаёт дополнительную тягу. Таким образом турбовентиляторные двигатели обеспечивают достаточно высокую силу тяги, чтобы двигать самолёт вперед.
Наконец, когда подъёмная сила превосходит гравитационную силу, самолёт взлетает. Для взлета пассажирского лайнера необходимо развить скорость свыше 180 км/час. Чем легче летающее средство, тем меньшая скорость нужна для взлета, к примеру, для взлета пассажирского самолета Ту 154М необходимо развить скорость 210 км/ч, для тяжелого самолета Boeing 737 – 220 км/ч. От скорости взлета зависит безопасность и надежность полета.
Перейдем к изучению вертолёта.
Подъёмная сила Вертолёта
2.1. История создания Вертолёта
История создания вертолета началась задолго до того, как стали появляться летающие аппараты. Открытие закона аэродинамики дало возможность людям мечтать о вертолетах, способных взлетать и приземляться вертикально.
Кристофер Кокерелл, к примеру, считается одним из пионеров вертолетостроения. В 1913 году он создал машину с вращающимся винтом в вертикальной плоскости. Он увидел в нем потенциал, но, к сожалению, его идея так и не была реализована в жизнь.
Спустя несколько лет русский инженер Петр Нестеров также занялся разработкой вертолета. Он создал аппарат, который способен был взмывать в воздух и даже имел возможность перейти на какой-то определенный уровень в воздушном пространстве.
Однако, после первых успехов инженер Тониетти запустил вертолет в публичные испытания. Ему удалось организовать успешный запуск и приземление вертолета. Это стало началом новой эры для аэронавтики и вертолетостроения.
С тех пор вертолеты стали все более совершенными и широко используются в военных, гражданских и других областях.
2.2. Аэродинамическая поверхность лопасти
Вертолёты - огромные летательные аппараты. Которые могут взлетать и садится без взлетно-посадочной полосы, зависать в воздухе, могут разворачиваться в любом направлении на 360 градусов.
Взлёт вертолёта возможен благодаря принципу аэродинамической поверхности, когда лопасти вращаются, двигаются относительно воздуха их аэродинамическая поверхность создаёт подъёмную силу и поднимает вертолёт, используя закон Бернулли. Профиль лопастей вертолёта схож с профилем крыльев самолёта.
2.3. Угол атаки лопастей
Подъёмная сила вертолёта зависит от винтов, от их аэродинамического профиля и их угла атаки, чем больше угол атаки, тем сильнее подъёмная сила. При вращении винта, в одной точке у лопастей один и тот же угол атаки, со временем повторяющийся, тем самым, в этой точки у лопастей будет больший угол атаки, а значит и подъёмная сила, в то время, как у других лопастей будет подъёмная сила слабее, так создаётся движение, в каком-либо направлении. Угол атаки винта управляется через автомат перекоса. При движении вертолёта происходит эффект гироскопической прецессии.
2.4. Хвостовой винт (Фенестрон)
Вертолёт без хвостового винта, будет крутится вокруг вала ротора, в противоположную сторону вращения основного винта. Функция хвостового винта состоит в том, чтобы предотвратить такое вращение вертолёта путём создания противодействующей силы на хвосте.
2.5. Сила тяги и вращение лопастей вертолёта. Турбовальный двигатель
Двигатель вращающий лопасти. Состоит из компрессора, камеры сгорания им турбины.
Компрессор втягивает и нагнетает воздух, в этой сжатом нагретом воздухе происходит сгорания топлива, нагретые выхлопные газы выходят из камеры сгорания, проходят через несколько ступеней турбины и заставляют их вращаться. В двигатели установлены 2 турбины. Одна вращает компрессор, а другая свободная. Двигатель создает силу тяги, но главной функцией является вращение вала ротора.
Заключение
Разницы с физической точки зрения для взлёта нет, так как самолёт и вертолёт используют один и тот же закон Бернулли, создавая подъёмную силу за счёт аэродинамического профиля крыла, лопасти.
Разница между подъемной силой самолета и вертолета
Самолет - 1
Вертолет - 2
Принцип работы
1)Подъемная сила создается за счет различия давления воздуха над и под крылом, что обеспечивает подъем и удержание в воздухе.
2)Подъемная сила создается за счет вращения лопастей вертолета, что обеспечивает подъем и удержание в воздухе.
Управление
1)Управление подъемной силой осуществляется изменением угла атаки крыла и скорости полета.
2)Управление подъемной силой осуществляется изменением угла наклона лопастей и скорости вращения вертолета.
Эффективность
1)Самолеты обладают более высокой скоростью полета и эффективностью в длинных перелетах.
2)Вертолеты обладают возможностью вертикального взлета и посадки, а также маневренностью в условиях ограниченного пространства.
Возможность стоять на месте
1)Самолеты не могут стоять на месте в воздухе и должны быть в движении для обеспечения подъема.
2)Вертолеты могут стоять на месте в воздухе благодаря возможности вертикального взлета и посадки.
Тип двигателей
1)Самолеты могут быть силовыми как с турбореактивными, так и с винтовыми двигателями.
2)Вертолеты обладают в основном винтовыми двигателями.
Назначение
1)Самолеты используются для дальних перелетов и транспортировки грузов и пассажиров.
2)Вертолеты применяются в узких условиях и для выполнения задач, требующих вертикального взлета и посадки.
