Помнится однажды я делал заметку на канале про невозможность полноценного исчерпывающего и, что самое важное - однозначного, физического описания удержания равновесия велосипедом. Выяснилось, что есть несколько предполагаемых механизмов, описывающих проблему, и до сих пор ни один не признан доминирующим. В итоге не будет большим преувеличением сказать, что физика до сих пор не понимает, почему велосипед не падает. Но это ещё не всё.
В декабре 2003 года, в ознаменование 100-летия первого полета братьев Райт, газета New York Times опубликовала статью под названием «Оставаться в воздухе». Суть статьи заключалась в простом вопросе: что удерживает самолеты в воздухе с точки зрения физики? Оказалось, что и тут всё не настолько прозрачно и полёт самолёта всё ещё не имеет однозначного физического описания.
Сразу забегаю вперёд и отмечаю, что я не называю сразу всё неправильным и уж точно не утверждаю о невозможности правильно посчитать параметры, важные для проектирования и постройки самолёта. Мы акцентируем внимание на совсем другом. Даже спустя более ста лет после полёта братьев Райт, специалисты не пришли к единому мнению, что же в действительности создаёт подъёмную силу.
Тут же отмечу, что статья в New York Times не единственная. Этот вопрос довольно сильно занимает физиков. Вопрос неоднозначности физического описания полётов поднимался в работах:
- Navinder Singh и др. - Clearing certain misconception in the common explanations of the aerodynamic lift (arXiv, 2018)
- 2. Graham Wild - On the Origins and Relevance of the Equal Transit Time Fallacy to Explain Lift (arXiv, 2021)
- Gordon McCabe - Explanation and discovery in aerodynamics (2005)
- Doug McLean - Aerodynamic Lift, Part 2: A Comprehensive Physical Explanation (Physics Teacher, 2018)
- Scientific American, февраль 2020 - «The Enigma of Aerodynamic Lift» (Автор Эд Реджис)
Список можно было бы продолжать и дальше, но везде признаётся одно - почему именно летит самолёт мы точно не знаем.
Современные инженерные расчёты в авиастроении основаны на уравнениях, моделировании потоков, численной механике жидкости. На этом уровне никто не спорит - формулы работают, самолёты летают. Но математика - это не объяснение, как часто говорят учёные.
Когда мы пытаемся описать физику полёта обычному школьнику начинается путаница. Потому что "простое объяснение" зависит от того, какой именно физический принцип вы хотите положить в его основу. Вспоминается тут легендарный принцип Фейнмана - для того, чтобы хорошо разобраться в сложной теории, попробуйте описать это своей кошке.
Теория №1: Бернулли и тайна скорости
Наиболее популярное объяснение - эффект Бернулли. Суть в том, что воздух над крылом движется быстрее, чем под ним, и из-за этого там создаётся область пониженного давления. Эта разность давлений и толкает крыло вверх.
Но есть загвоздка. Теорема не объясняет, почему воздух наверху должен двигаться быстрее, и уж тем более - почему он "успевает" за нижним потоком. На практике это просто не так. Быстрая демонстрация с листом бумаги эффектна, но физически вводит в заблуждение. Да и перевёрнутые полёты самолётов вообще не укладываются в бернуллиевскую картину мира.
Теория №2: Ньютон и третий закон
Вторая точка зрения опирается на третий закон Ньютона: каждое действие вызывает равное противодействие. Крыло толкает воздух вниз - воздух, в свою очередь, толкает крыло вверх. Всё просто и логично.
Но… и этого недостаточно. Такая модель не объясняет область пониженного давления над крылом, которая наблюдается даже у симметричных профилей. Более того, без учёта градиентов давления невозможно точно рассчитать подъёмную силу.
Современные взгляды
Сегодня расчёты подъёмной силы опираются на уравнения Навье - Стокса и методы численного моделирования (CFD). Они учитывают вязкость, турбулентность, реальные условия потока.
Но даже с таким арсеналом у нас нет единого интуитивного объяснения, почему всё работает. Американский инженер Дуг Маклин посвятил этому более 500 страниц своего труда и пришёл к выводу: подъёмная сила - это результат сложных взаимосвязанных процессов:
- поток воздуха отклоняется вниз,
- создаётся область низкого давления,
- увеличивается скорость потока над крылом,
- возникает область высокого давления под крылом.
Каждый из этих эффектов поддерживает остальные, как будто они «вытягивают» друг друга в воздух.
Птицы используют схожие механизмы, хотя и не рассчитывают углы атаки и кривизну профиля. Их крылья эволюционировали так, чтобы оптимально взаимодействовать с воздушной средой. Мы же до сих пор спорим, что важнее - давление или направление потока.
В итоге однозначного ответа на вопрос почему самолёт летает, пока не существует. Даже учёные из MIT и Кембриджа расходятся во мнениях. Одни говорят: «всё дело в давлении», другие - «в скорости», третьи - «в взаимодействии множества факторов одновременно».
Возможно, это и есть главная истина аэродинамики: самолёты не летают по одной причине. Они летают потому, что множество причин сработали сразу вместе. Поэтому и те упрощения, про которые мы постоянно слышим, будут точно неуместными. Мы научились летать вопреки тому, что до конца не понимаем, почему это вообще возможно.
Не забывайте ставить лайки 👍 и подписываться на канал ✔️, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться.