За счет чего самолет поднимается вверх. Почему самолеты летают

Чтобы подняться в воздух, самолетам требуется развить колоссальную мощность. Двигатели самолетов создают тягу, толкающую их вперед, в то время как особая форма корпуса и крыльев помогает им подниматься кверху.

Сила тяжести тянет самолеты вниз, как и любые другие тела. Однако самолетам удается удерживаться в воздухе именно благодаря воздействию самого воздуха. Обычно воздух давит на тело со всех сторон, но если он движется, то давит сильнее, чем воздух, который движется быстро.

Крылья самолета имеют особую форму, заставляющую воздух двигаться под ними медленнее, чем над ними. Когда самолет достигает определенной скорости, «медленный» воздух под его крыльями начинает давить на них сильнее, чем тот, что над ним — и самолет поднимается к небу. Возникающая при этом сила называется подъемной.

При выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу — толчок приклада в плечо. Эта сила действует на приклад ружья очень короткое время — около 0,002 сек. Но на станок пулемета эта сила действует почти постоянно, пока пули вылетают из ствола.

Так же и летательный аппарат может получать постоянную подъемную силу, если он беспрерывно отбрасывает воздух вниз. Именно дли этого и нужны самолету крылья. Если крыло двигается горизонтально и при этом поставлено под углом к направлению движения (этот угол называется углом атаки), оно отбрасывает встречный воздух вниз и тем самым создает подъемную силу, направленную вверх.

Крыло, поставленное под углом атаки, отбрасывает при движении воздух вниз и этим создает подъемную силу.

Образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона):

m*(v 2 -v 1)=P*t

• m — масса тела (в нашем случае это масса отбрасываемого воздуха);
• v 2 — v 1 — изменение скорости тела (в нашем случае — вертикальная скорость отбрасываемого воздуха);
• Р — сила, действующая на тело (в нашем случае она приложена к воздуху и направлена вниз),
• t — время.

Следовательно,

P=m/t*(v 2 -v 1)

Так как всякое действие всегда встречает равное по величине и противоположно направленное противодействие (третий закон Ньютона), то подъемная сила Y будет равна силе Р, приложена к крылу самолета и направлена вверх: Y = - Р.

Величина подъемной силы зависит от массы ежесекундно отбрасываемого воздуха m/t, а она в свою очередь зависит от плотности воздуха р, скорости полета v и площади крыла S; вертикальная скорость воздуха v 2 — v 1 зависит от угла атаки крыла и скорости полета. Тогда величину подъемной силы можно выразить формулой:

Y=С y *pv2/2*S

где С y — коэффициент, который зависит от формы крыла и угла атаки.

Итак, подъемную силу можно создавать довольно просто, но для этого обязательно нужно, чтобы крыло в воздухе двигалось. Решается это по-разному: птицы, например, машут крыльями; планеры используют снижение — сопротивление воздуха преодолевает силой тяжести. Самолету же нужен специальный двигатель. Но, может быть, выгоднее повернуть этот двигатель так, чтобы его тяга компенсировала и тяжесть аппарата? В этом нет необходимости, так как подъемная сила крыла во много раз больше сопротивления воздуха. Отношение получаемой подъемной силы к сопротивлению называется аэродинамическим качеством. В настоящее время для дозвуковых самолетов это отношение достигает 25, а для сверхзвуковых — 7.

Развитие авиации во многом зависит от открытий и изобретений в различных областях науки и техники, и в первую очередь от развития науки обтекании тел газом — аэродинамики. Начала этой науки заложены исследования русских ученых Н. Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, С. А. Христиановича, немецких ученых Р. Прандтля, Т. Кармана и др. Кроме того, большую роль в развитии авиации играют: наука о механике полета, материаловедение, изобретения в промышленности, строящей двигатели, и в приборостроении.

Человек всегда мечтал летать в небе. Помните историю об Икаре и его сыне? Это, конечно, всего лишь миф и как было на самом деле мы никогда не узнаем, но жажду парить в небе эта история раскрывает сполна. Первые попытки взлететь в небо были сделаны при помощи огромного который сейчас скорее средство для романтических прогулок в небе, затем появился дирижабль, а вместе с этим позже появляются самолеты и вертолеты. Сейчас уже практически ни для кого не является новостью или чем-то необычным то, что можно слетать за 3 часа самолетом на другой континент. Но как это происходит? Почему самолеты летают и не падают?

Объяснение с физической точки зрения довольно простое, но тяжелее это исполнить на практике

Многие годы проводились различные эксперименты по созданию летающей машины, было создано много прототипов. Но чтобы понять, почему самолеты летают, достаточно знать второй закон Ньютона и уметь это воспроизвести на практике. Сейчас уже люди, а точнее инженеры и ученые, стараются создать такую машину, которая бы летала на колоссальных скоростях, превышающих в несколько раз скорость звука. То есть вопрос уже состоит не в том, как летают самолеты, а как сделать так, чтобы они летали быстрее.

Две вещи для того, чтобы самолет взлетел - мощные двигатели и правильная конструкция крыльев

Двигатели создают огромную тягу, которая толкает вперед. Но этого недостаточно, ведь нужно еще и вверх подняться, а при таком раскладе выходит, что пока что мы можем только разогнаться по поверхности до огромной скорости. Следующим важным моментом является форма крыльев и самого корпуса самолета. Именно они создают поднимающую силу. Сделаны крылья так, что под ними воздух становится медленнее, чем над ними, и в итоге выходит, что воздух снизу толкает корпус вверх, а воздух над крылом неспособен сопротивляться этому воздействию при достижении самолетом определенной скорости. Это явление называется в физике подъемной силой, и, чтобы разобраться в этом подробнее, нужно иметь немного познаний в аэродинамике и в прочих сопутствующих законах. Но для понимания того, почему самолеты летают, этих знаний достаточно.

Посадка и взлет - что нужно для этого машине?

Для самолета необходима огромная взлетная полоса, а точнее - длинная взлетная полоса. Это связано с тем, что ему в первую очередь нужно набрать определенную скорость для взлета. Для того чтобы сила подъема начала действовать, необходимо разогнать самолет до такой скорости, что воздух снизу крыльев начнется подымать конструкцию вверх. Вопрос о том, почему низко летают самолеты, касается именно этой части, когда машина идет на взлет или на посадку. Низкий старт дает возможность подняться самолёту очень высоко в небо, и мы это часто видим в ясную погоду - рейсовые самолеты, оставляя за собой белый след, перемещают людей из одной точки в другую намного быстрее, чем это можно сделать при помощи наземного транспорта или морского.

Топливо для самолетов

Также интересует, почему самолеты летают на керосине. Да, в основном так и есть, но дело в том, что некоторые типы техники используют в качестве топлива привычный бензин и даже солярку.

Но в чем преимущество керосина? Таковых несколько.

Первым, наверное, можно назвать его стоимость. Он значительно дешевле, чем бензин. Второй причиной можно назвать его легкость, в сравнении с тем же бензином. Также керосин имеет свойство гореть, если можно так сказать, плавно. В машинах - легковых или грузовых - нам нужна возможность резкого включения и выключения двигателя, когда самолет рассчитан на то, чтобы его запустить и постоянно поддерживать движение турбин на заданной скорости длительное время, если говорить о пассажирских самолетах. Легкомоторная авиация, которая не предназначена для перевозок огромных грузов, а по большей части связана с военной промышленностью, с агрохозяйством и прочее (в такой машине могут разместиться только до двух человек), мала и маневренна, а потому бензин является подходящим для этой области. Его взрывное горение подходит для того типа турбин, которые установлены в легкой авиации.

Вертолет - конкурент или друг самолету?

Интересное изобретение человечества, связанное с перемещением в воздушном пространстве - вертолет. У него есть главное преимущество перед самолетом - вертикальные взлет и посадка. Он не требует огромного пространства для разгона, а почему самолеты летают только с оборудованных для этих целей мест? Правильно, необходима достаточно длинная и гладкая поверхность. Иначе исход посадки где-то в поле может стать чреватым разрушением машины, а того хуже - человеческими жертвами. А посадку вертолета можно совершить на крыше здания, которая приспособлена, на стадионе и т. п. Для самолета эта функция недоступна, хотя конструкторы уже работают над тем, чтобы объединить мощность и с вертикальным взлетом.

Часто, наблюдая за летящим в небе самолётом, мы задаёмся вопросом, как самолёт поднимается в воздух. Как он летит? Ведь самолёт значительно тяжелее воздуха.

Почему поднимается дирижабль

Мы знаем, что аэростаты и дирижабли поднимает в воздух сила Архимеда . Закон Архимеда для газов гласит: «Н а тело, погружённое в газ, действует выталкивающая сила, равная силе тяжести вытесненного этим телом газа» . Эта сила противоположна по направлению силе тяжести. То есть, сила Архимеда направлена вверх.

Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело находится в равновесии. Если же сила Архимеда больше силы тяжести, то тело поднимается в воздухе. Так как баллоны аэростатов и дирижаблей заполняют газом, который легче воздуха, то сила Архимеда выталкивает их вверх. Таким образом, сила Архимеда является подъёмной силой для летательных аппаратов легче воздуха.

Но сила тяжести самолёта значительно превышает силу Архимеда. Следовательно, поднять самолёт в воздух она не может. Так почему же он всё-таки взлетает?

Подъёмная сила крыла самолёта

Возникновение подъёмной силы часто объясняют разностью статических давлений воздушных потоков на верхней и нижней поверхности крыла самолёта.

Рассмотрим упрощённый вариант появления подъёмной силы крыла, которое располагается параллельно потоку воздуха. Конструкция крыла такова, что верхняя часть его профиля имеет выпуклую форму. Воздушный поток, обтекающий крыло, разделяется на два: верхний и нижний. Скорость нижнего потока остаётся практически неизменной. А вот скорость верхнего возрастает за счёт того, что он должен преодолеть больший путь за то же время. По закону Бернулли, чем выше скорость потока, тем ниже давление в нём. Следовательно, давление над крылом становится ниже. Из-за разницы этих давлений возникает подъёмная сила , которая толкает крыло вверх, а вместе с ним поднимается и самолёт. И чем больше эта разница, тем больше и подъёмная сила.

Но в этом случае невозможно объяснить, почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму. Ведь здесь воздушные потоки проходят одинаковое расстояние, и разницы давлений нет.

На практике профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки . А поток воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью такого крыла, скашивается и приобретает движение вниз. Согласно закону сохранения импульса на крыло будет действовать сила, направленная в противоположном направлении, то есть, вверх.

Но эта модель, описывающая возникновение подъёмной силы, не учитывает обтекание верхней поверхности профиля крыла. Поэтому в данном случае величина подъёмной силы занижается.

На самом деле всё намного сложнее. Подъёмная сила крыла самолёта не существует как самостоятельная величина. Это одна из аэродинамических сил.

Набегающий поток воздуха воздействует на крыло с силой, которая называется полной аэродинамической силой . А подъёмная сила - это одна из составляющих этой силы. Вторая составляющая – сила лобового сопротивления. Вектор полной аэродинамической силы – это сумма векторов подъёмной силы и силы лобового сопротивления. Вектор подъёмной силы направлен перпендикулярно вектору скорости набегающего воздушного потока. А вектор силы лобового сопротивления – параллельно.

Полная аэродинамическая сила определяется как интеграл от давления вокруг контура профиля крыла:

Y – подъёмная сила

Р – тяга

dΩ – граница профиля

р – величина давления вокруг контура профиля крыла

n – нормаль к профилю

Теорема Жуковского

Как образуется подъёмная сила крыла, впервые объяснил русский учёный Николай Егорович Жуковский, которого называют отцом русской авиации. В 1904 г. он сформулировал теорему о подъёмной силе тела, которое обтекается плоскопараалельным потоком идеальной жидкости или газа.

Жуковский ввёл понятие циркуляции скорости потока, что позволило учесть скос потока и получить более точное значение подъёмной силы.

Подъемная сила крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла. Направление действия подъемной силы получается поворотом вектора скорости набегающего потока на прямой угол против циркуляции.

Подъёмная сила

Плотность среды

Скорость потока на бесконечности

Циркуляция скорости потока(вектор направлен перпендикулярно плоскости профиля, направление вектора зависит от направления циркуляции),

Длина отрезка крыла (перпендикулярно плоскости профиля).

Величина подъёмной силы зависит от многих факторов: угла атаки, плотности и скорости воздушного потока, геометрии крыла и др.

Теорема Жуковского положена в основу современной теории крыла.

Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигателей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально. Двигатели самолёта создают тягу – силу, направление которой совпадает с направлением движения самолёта и противоположно направлению лобового сопротивления. Тяга толкает самолёт сквозь воздушную среду. При горизонтальном полёте с постоянной скоростью тяга и лобовое сопротивление уравновешены. Если увеличить тягу, самолёт начнёт ускоряться. Но и лобовое сопротивление увеличится тоже. И вскоре они снова уравновесятся. И самолёт будет лететь с постоянной, но большей скоростью.

Если скорость уменьшается, то становится меньше и подъёмная сила, и самолёт начинает снижаться.

Продолжаем срывать покровы с тайн гражданской авиации. Сегодня развеем страхи авиапассажиров от взлета современного лайнера.

Написать сейчас опус меня сподвиг один из читателей, который прислал ссылки на пару взлетов из аэропорта Курумоч (Самара), снятого любопытными пассажирами из салона самолета.

В данных видео привлекли комментарии. Что ж, вот они:

Комментарии к нему:

И комментарии

Оба случая объединяет один признак - пилоты "сходу пошли на взлет!"

Кошмар ведь, не правда ли?!!

Давайте разберемся!

И вдруг, разумеется совершенно случайно, самолет взлетает. Становится немного тише, можно перевести дух... Но вдруг самолет начинает падать вниз!

В последний момент пилоты как правило "выравнивают лайнер", после этого еще пару раз "выключаются турбины" в наборе высоты, ну а потом все становится обычно. Стюардессы с каменными лицами разносят соки-воды, для тех, кто плохо молился - кислородную маску. А затем начинается главное, ради чего и летают пассажиры - разносят еду.

Ничего не упустил? Вроде такие отзывы о полетах я читал неоднократно на непрофильных форумах.

Давайте разберемся.

Прямо сразу расставим точки над ё по поводу остановки лайнера на полосе перед взлетом. Как все же должны делать пилоты - останавливаться или нет?

Ответ таков - и так и эдак правильно. Современная методика взлета рекомендует НЕ останавливаеться на полосе, если на то нет веских причин. Под такими причинами могут скрываться:

а) Диспетчер пока еще думает - выпускать Вас или подержать еще маленько
б) Полоса имеет ограниченную длину.

По пункту А, думаю, все понятно.

По пункту Б скажу следующее - если ВПП (полоса) действительно очень короткая, а самолет загружен так, чтобы только-только масса проходила для этой длины - в этом случае имеет смысл сэкономить несколько десятков метров и вывести двигатель на повышенный режим, удерживая самолет на тормозах. Или же ВПП просто ну очень непривычно короткая, пусть даже самолет легкий. В этом случае пилот тоже "на всякий случай" так сделает.

Например, мы используем такой взлет в Шамбери. Там ВПП всего два километра, а впереди горы. Хочется как можно быстрее оторваться от земли и умчатся повыше. И обычно масса там приближена к максимально возможно для условий взлета.

В подавляющем большинстве случаев, если диспетчер нам разрешил взлет одновременно с занятием полосы - мы не будем останавливаться. Мы вырулим на осевую линию (причем, возможно, что уже с ускорением), убедимся в устойчивом прямолинейном движении самолета, и после этого "дадим по газам".

Стоп!

А как же "помолиться"? Ведь выше ж написано про некую "карту контрольных проверок!"

На В737 ее принято зачитывать до получения разрешения на занятие полосы. И уж точно до получения разрешения на взлет. Поэтому, когда я получаю разрешение на взлет одновременно с разрешением занять полосу, я уже готов ко взлету, и я совсем не тороплюсь, как это может показаться пассажиру в салоне. У меня уже все готово.

Очевидные плюсы - увеличение пропускной способности аэропорта. Чем меньше времени каждый отдельно взятый самолет занимает полосу, тем больше взлетно-посадочных операций с нее можно произвести.

Второе - экономия топлива.

Третье - безопасность. Как ни странно это звучит, но это уменьшает риск попадания посторонних объектов (в двигатель) и помпажа (читай, "отказа") двигателя при взлете с сильным попутным ветром.

Вот что пишет мистер Боинг по этому поводу:

Да-да, документы иномарок написаны на английском. Хотите стать пилотом? Учите английский!

И заодно и китайский. Сосед развивается уж больно стремительно.

Почему пилоты так резко задирают нос после взлета? Вот на советской технике это делали плавно, не спеша... Ведь не ровен час, уронят нафиг!

Тут голая аэродинамика и методика выполнения взлета. Иномарки как правило взлетают с очень небольшим углом отклонения механизации крыла (те забавные штуки, которые особенно сильно вылезают из крыла на посадке, и немного на взлете). Это дает много преимуществ:

а) Увеличивается угол набора
б) следствие из пункта А: уменьшается шум на местности,
в) и далее - увеличиваются шансы не влететь в препятствия в случае отказа двигателя

Да, современные лайнеры имеют такие мощные двигатели, что все нормируемые значения градиентов набора достигаются и при пониженной тяге (ее все равно будет достаточно при потере двигателя), но в некоторых ситуациях мистер Боинг настоятельно рекомендует взлетать на максимально возможно тяге. Если самолет легкий - получается просто классный аттракцион "Ракета".

Да, это создает некий дискомфорт для пассажиров (кому нравится лететь с задраными ногами) - но это абсолютно безопасно и будет длиться не очень долго.

"Почти упали после взлета"

Выше я написал, что самолет после взлета вдруг "начинает падать вниз!" Вот это особо хорошо чувствовалось на Ту-154, который натужно взлетал с довольно большим углом положения закрылков, и далее постепенно убирал их в нулевое положение. При уборке закрылков самолет теряет часть прироста подъемной силы (если убрать чересчур быстро, то можно и высоту потерять на самом деле - это правда, но для этого надо быть совсем уж неумелым пилотом, причем оба пилота должны быть неумехами), поэтому в салоне кажется, что самолет начал падать.

На самом деле он может в это время продолжать набор высоты. Просто угол становится более пологим и в этот переходный момент времени человеку кажется, что он летит вниз. Так уже устроен человек.

"Пару раз выключались турбины"

О, это наиболее частое происшествие в рассказах пассажиров! Конкурировать с этим могут только "пилот лишь с пятой попытки попали на аэродром". Наиболее характерно это было для Ту-154 и Ту-134, то есть, на самолетах с двигателями, расположенными далеко в хвосте - их в салоне почти не слышно, если они только не работают на повышенном режиме.

В шуме как раз-таки и загвоздка. Все примитивно до безобразия. В наборе высоты двигатели работают на очень высоком режиме. Чем выше режим работы двигателей - тем громче его слышно. Но иногда нам, пилотам, приходится выполнять команды диспетчера и прекращать набор высоты - например для того, чтобы разминуться (на безопасном удалении, конечно же) с другим самолетом. Мы плавно переводим самолет в горизонтальный полет, а чтобы не превратиться в сверхзвуковой лайнер (ведь двигатели, работающие на режиме набора создают очень большую тягу), приходится прибирать режим. В салоне становится значительно тише.

Вроде бы все.

Спасибо за внимание!



Большинство из нас все-таки иногда задают вопрос себе как может удержаться в воздухе самолет весом до 600 тонн и более.

Из школьных учебников понятно, что они поднимаются, подчиняясь законам физики, и поднимаются все летательные конструкции, начиная с легких спортивных самолетиков и заканчивая тяжелыми транспортниками или бесформенными вертолетами. Происходит это за счет силы тяги двигателя и подъемной силы.

Практически каждый знает словосочетание «подъемная сила», но не все могут объяснить, как это происходит. А на самом деле объяснить данное действо можно, не влезая в математические формулы и аксиомы.

Крыло летального аппарата – это главная несущая поверхность самолета. Почти всегда имея определенный профиль, у которого верхняя часть выпуклая, а нижняя плоская. Когда воздушный поток проходит под нижней частью профиля самолета, изменения структуры и формы его практически не происходит. Воздушный поток, проходя над верхней частью профиля, сужается, так как для потока воздуха верхняя плоскость профиля - это как вогнутая стенка в трубе, в ней он как бы протекает.

Чтобы прогнать за определенное время тот же объем воздуха через данную «продавленную» трубу, двигать его нужно быстрее. По закону Бернулли, который проходится в школьной программе физике, чем выше скорость потока, тем ниже его давление. Из этого следует, что давление над всем крылом, а значит и над профилем ниже давления под ним.

Образуется сила, которая хочет выдавить крыло, а, следовательно, и весь самолет. Это и называется подъемной силой. Если же она становится больше веса летательного аппарата, он взлетает. Чем больше скорость, тем больше подъемная сила. Если же вес самолета и значение подъемной силы сравнялись, то летательный аппарат перейдет в горизонтальное положение. Не плохую скорость придает его авиационный двигатель, т.е. силу тяги, которую он создает.

Используя вышеизложенные принципы можно, по теории, заставить взлететь любой предмет с любой массой и формой. Не стандартной формы, т.е. отличается от самолетов, является вертолет. Он разительно отличается от самолета, но в воздух его поднимает по той же причине. У вертолета крыло с а аэродинамическим профилем, является лопасть его главного несущего винта.

Лопасть создает подъемную силу, двигаясь в воздушном потоке при вращении винта, которая поднимает его и двигает вертолет вперед. Этого происходит при изменении наклона вращения винта, в результате чего появляется горизонтальная составляющая подъемной силы, которая исполняет роль силы тяги самолетного двигателя.