Почему самолеты летают. Почему самолёты не могут взлететь при сильной жаре
Люди всегда стремились летать. Более 100 лет назад, братьям Райт удалось осуществить эту мечту. Полет на первых самолетах был действительно опасным мероприятием, однако с течением времени безопасность полетов в мире существенно улучшалась из года в год.
На сегодняшний день из 48 000 000 коммерческих рейсов в год во всем мире, происшествиями заканчиваются около 28 (!). Только 5–10 авиакатастроф в год оканчиваются человеческими жертвами.
И это из 48 000 000 рейсов! Такие потрясающие показатели стали возможными благодаря неустанной работе сотен тысяч людей и организаций: конструкторов воздушных судов, производителей самолетов, летчиков-испытателей, производителей электронных систем навигации, диспетчеров, разработчиков летных тренажеров и многих других. Сегодня авиация является одним из самых безопасных процессов жизнедеятельности, хоть и не абсолютно безопасным.
Для повышения уровня вашего спокойствия на борту мне представляется необходимым донести до вас принцип полета самолета. Действительно, понимая, что самолет летает в полном соответствии с законами природы, а не вопреки им, многим становится гораздо спокойнее. Людям, испытывающим страх перед полетом, свойственно следующее мышление: «Я не понимаю, как эта махина летает. Мне не кажется надежным и безопасным “болтаться” на высоте 10 000 метров, когда под тобой пустота, и зависеть от малейшего каприза двигателя». На самом же деле самолет летает не вопреки, а благодаря законам природы и в полной гармонии с ними.
Понаблюдайте за птицами: даже не совершая взмахов крыльями, они могут парить в воздухе достаточно продолжительное время, а не падают камнем вниз, верно? Тогда почему, по вашему мнению, самолет якобы зависит от «каприза» двигателя? Почему, согласно распространенному заблуждению аэрофобов, самолет неминуемо должен упасть, случись, не дай бог, что с двигателем или с какой-либо другой системой?
Принцип, благодаря которому самолет держится в воздухе таков: при прохождении самолета через поток воздуха на скорости, давление под самолетом всегда будет выше, чем давление над ним. То есть, под самолетом образуется «подушка» из воздуха, точнее газа под высоким давлением. Чем выше скорость, – тем больше разница в давлении, тем «толще» наша «подушка».
Во время полета на самолет действуют 4 основные силы, уравновешивающие друг друга. Это тяга, сопротивление, вес и подъемная сила. Чем больше вес, тем большая подъемная сила необходима самолету.
Подъемная сила образуется согласно теореме Берноулли. Не имея желания вводить читателей в глубины физики и аэродинамики, можно упростить теорему Берноулли и представить ее в следующем виде:
L = подъемная сила (или «толщина подушки»)12 – плотность воздухаS – площадь аэродинамической поверхности
подъемная сила образуется, если есть плотность воздуха, аэродинамическая поверхность (например, крыло) и скорость. Чем больше скорости и чем больше площадь крыла, тем больше подъемной силы. Вот почему у больших, тяжелых самолетов делают большие крылья и им нужна большая скорость для взлета.
Для лучшего понимания этого закона попробуйте при езде на машине выставить в открытое окно руку, ладонью вниз и под углом примерно 45 градусов вверх. Что произойдет? Верно, поток воздуха будет поднимать вашу руку вверх, точно так же, как он поднимает самолет, так как давление под рукой будет выше, чем давление над рукой. Обязательно проведите этот эксперимент и в течении нескольких минут, почувствуйте «упругость» воздуха. Ваша рука – «миникрыло», или, выражаясь более научно – аэродинамическая поверхность.
Такими аэродинамическими поверхностями являются большинство частей самолета: это и крылья, и фюзеляж, и рули высоты и даже… выпущенные шасси.
Таким образом,пока у самолета есть крылья и скорость – он может «парить» в воздухе точно так же, как птица.
Одно из самых распространенных заблуждений людей, испытывающих страх перед полетом, состоит в том, что если двигатель выйдет из строя – то самолет камнем упадет вниз! Понимая основной принцип полета, вы теперь знаете, что этого не произойдет. Во-первых, у самолета есть еще как минимум один двигатель, используя который, самолет может долететь до пункта назначения и вернуться обратно. Во-вторых, даже при отказе двух двигателей сразу (что случается во всей огромной системе под названием «мировая авиация» крайне редко, в среднем один раз в 7–8 лет) самолет имеет достаточно высоты и скорости, чтобы планировать около 40–45 минут с круизной высоты. За это время воздушное судно вполне может достичь ближайшего аэродрома и совершить посадку. Даже если редчайший отказ всех двигателей случится вдалеке от аэропортов, самолет с большой долей вероятности сможет спланировать и приводниться, сесть на поле или на другой ровный участок.
Самолет просто физически не может упасть вниз с круизной высоты.
Самолет в воздухе сравним с мухой в банке со сгущенным молоком – сгущенка плотно держит муху, не давая ей упасть на дно.
Точно так же разница в давлении надежно держит самолет в воздухе. Единственный вариант заставить самолет неуправляемо падать – это ввести его в так называемый штопор, а для этого нужно приложить не меньше усилий, чем для прыжка с Останкинской башни. Случайно самолет в штопоре оказаться не может. И как доказательство, факт – за последние 30 лет такое произошло лишь однажды.
Забегая вперед, скажу, что большинство самолетов, приступая к снижению с эшелона перед посадкой, используют режим двигателей именуемый «малый газ», не создающий тяги. То есть, практически каждый самолет перед посадкой планирует около получаса, не используя тяги двигателей. Тот шум, которые пассажиры слышат в салоне самолета, есть не что иное, как холостой режим их работы, сравнимый с работой двигателя автомобиля на нейтральной передаче.
Запомните – полет столь же естественен для самолета, как для человека – земное притяжение. Полет происходит в полной гармонии с законами природы и благодаря им. То, что вам КАЖЕТСЯ неестественным и ненадежным – вам только КАЖЕТСЯ. А согласитесь, между тем, что кажется, и тем, как обстоят дела на самом деле, – зачастую расстояние велико.
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.
Самолеты, особенно вблизи, впечатляют своими габаритами и массой. Остается при этом не понятным, как такой громоздкий и тяжелый объект поднимается в небесную высь. Притом, ответить на это могут даже не все взрослые, а вопросы детей частенько способны поставить в тупик.
Для разъяснения подобного вопроса надо обратиться к физике. Крыло самолета, который взлетает, создает силу, толкающую его вверх, то есть, в небо. Она носит название подъемной силы самолета. В местах, где высокая скорость потока воздуха, давление будет ниже, соответственно, легче перемещаться и оставаться в воздухе, не поддаваясь силе тяжести.
Что держит самолет на воздухе?
Вообще законы нашей атмосферы изучает наука аэродинамика, она и объясняет такое поведение железных птиц. Основой для разработки процесса взлета самолета стала теорема российского ученого Жуковского, которую тот сформулировал в начале прошлого столетия. Крылья современного самолета настолько объемны, что подъемная сила поднимает в воздух десятки тонн веса аппарата.
К тому же, хорошим помощником в данном вопросе является скорость, у современных летательных аппаратов она находится в пределе от 180 и до 250 километров в час. К тому же, самолеты летают достаточно высоко, это значит, что там давление атмосферы не так сильно и ощутимо, а, значит, легче балансировать. Воздух более разреженный, следовательно, меньше его сопротивление. Любопытно, что на больших высотах самолеты тратят меньше топлива, которое, кстати говоря, стоит не дешево. Именно потому они летают так высоко. Правда, летай они прямо над крышами домов, нам было бы не особенно удобно и очень шумно. Пассажирский самолет может пролетать на высоте двенадцати километров над поверхностью земли.
Наиболее подробный ответ почему нужно отключать электронные устройства и почему собственно летает самолет! Это нужно посмотреть!
А знаете ли вы?
- Почему на компьютере не показывают фильмы онлайн? Давайте разберемся и рассмотрим основные причины: Первая. Возможно, у Вас на […]
- Жираф считается самым высоким животным в мире, его рост достигает 5,5 метров. В основном за счет длинной шеи. Не смотря на то, что в […]
- Многие согласятся с тем, что женщины в положении становятся особенно суеверными, они больше других подвержены всяческим поверьям и […]
- Кто с уверенностью скажет, что не знает о том, что мужчины смотрят порнофильмы, самым наглым образом соврет. Конечно же, смотрят, просто […]
- Редко можно встретить человека, который бы не находил розовый куст красивым. Но, при этом, общеизвестно. Что такие растения довольно нежны […]
- Воробей является довольно распространенной в мире птицей небольшого размера и пестрого окраса. Но ее особенность заключается в том, что […]
- Смех и слезы, а точнее, плач, являют собой две прямо противоположные эмоции. О них известно то, что обе они являются врожденными, а не […]
Высота полета – один из важнейших авиационных параметров. От нее зависят, в частности, скорость и расход топлива. Иногда от выбора высоты зависит и безопасность полета. Так, например, пилотам приходится менять высоту при резком изменении метеоусловий, из-за густого тумана, плотной облачности, обширного грозового фронта или турбулентной зоны.
Какой должна быть высота полета
В отличие от скорости самолета (когда чем быстрее, тем лучше), высота полета должна быть оптимальной. Причем у каждого типа самолетов она своя. Никому в голову не придет сравнивать высоты, на которых летают, к примеру, спортивные, пассажирские или многоцелевые боевые самолеты. И все же и здесь есть свои рекордсмены. 
Первый рекорд высоты полета равнялся… трем метрам. Именно на такую высоту впервые поднялся самолет Wright Flyer братьев Уилбура и Орвилла Райт 17 декабря 1903 года. Спустя 74 года, 31 августа 1977 года советский летчик-испытатель Александр Федотов на истребителе МиГ-25 установил мировой рекорд высоты — 37650 метров. До настоящего времени она остается максимальной высотой полета истребителя.
На какой высоте летают пассажирские самолеты
Самолеты гражданских воздушных линий по праву составляют самую большую группу современной авиации. По данным на 2015 год в мире насчитывалось 21,6 тыс. многоместных летающих аппаратов, из которых треть – 7,4 тыс. – это крупные широкофюзеляжные пассажирские лайнеры.При определении оптимальной высоты полета (эшелона) диспетчер или командир экипажа руководствуются следующим. Как известно, чем больше высота, тем более разряжен воздух и тем легче лететь самолету – поэтому есть смысл подняться выше. Однако крыльям самолета нужна опора, а на предельно большой высоте (например, в стратосфере) ее явно недостаточно, и машина начнет «заваливаться», а двигатели глохнуть.
Вывод напрашивается сам собой: командир (а сегодня и бортовой компьютер) выбирает «золотую середину» – идеальное соотношение силы трения и подъемной силы. В результате, у каждого типа пассажирских лайнеров (с учетом метеоусловий, технических характеристик, продолжительности и направления полета) своя оптимальная высота.
Почему самолеты летают на высоте 10000 метров?
В целом, высота полета гражданских самолетов варьируется в пределах от 10 до 12 тыс. метров при полете на запад и от 9 до 11 тыс. метров – на восток. 12 тыс. метров – это максимальная высота для пассажирских самолетов, выше которой двигатели начинают «задыхаться» от нехватки кислорода. Из-за этого высота 10000 метров считается наиболее оптимальной. 
На какой высоте летают истребители
Высотные критерии истребителей несколько иные, что объясняется их предназначением: в зависимости от поставленной задачи вести боевые действия приходится на различных высотах. Техническая оснащенность современных истребителей позволяет им действовать в диапазоне от нескольких десятков метров до десятков километров.
Однако запредельные высоты у истребителей нынче «не в моде». И этому есть свое объяснение. Современные средства ПВО и ракеты истребителей класса «воздух-воздух» способны уничтожать цели на любых высотах. Поэтому главная проблема для истребителя – раньше обнаружить и уничтожить противника, а самому остаться незамеченным. Оптимальная высота полета истребителя 5-го поколения (практический потолок) – 20000 метров.
У некоторых исследователей появлялись безумные идеи – они хотели полететь, но почему же результат оказался таким плачевным? Давно проводились попытки приделать к себе крылья, и, махая ими, взлететь в небо как пернатые. Оказалось, что силы человека недостаточно для поднятия себя на машущих крыльях.
Первыми народными умельцами были естествоиспытатели из Китая. Сведения о них записаны в «Цань-хань-шу» в первом веке нашей эры. Дальше история пестрит случаями подобного рода, которые происходили и в Европе, и в Азии, и в России.
Первое научное обоснование процессу полета дал Леонардо да Винчи в 1505 году. Он заметил, что птицам не обязательно махать , они могут держаться на неподвижном воздухе. Из этого ученый сделал вывод, что полет возможен, когда крылья движутся относительно воздуха, т.е. когда машут крыльями при отсутствии ветра или когда при неподвижных крыльях.
Почему же самолет летит?
Удерживать в воздухе помогает подъемная сила, которая действует только на больших скоростях. Особая контракция крыла позволяет создавать подъемную силу. Воздух, который движется над и под крылом, претерпевает изменения. Над крылом он разреженный, а под крылом – . Создаются два воздушных потока, направленные вертикально. Нижний приподнимает крылья, т.е. самолет, а верхний подталкивает вверх. Таким образом, получается, что на больших скоростях воздух под летательным аппаратом становится твердым.
Так реализуется вертикальное движение, но что заставляет самолет двигаться горизонтально? – Двигатели! Пропеллеры как бы просверливают путь в воздушном пространстве, преодолевая сопротивление воздуха.
Таким образом, подъемная сила преодолевает силу притяжения, а тяговая – силу торможения, и самолет летит.
Физические явления, лежащие в основе управления полетом
В все держится на равновесии подъемной силы и силы земного притяжения. Самолет летит прямо. Увеличение скорости полета увеличит подъемную силу, самолет станет подниматься. Чтобы нивелировать этот эффект, пилот обязан опустить нос самолета.
Уменьшение скорости окажет прямо противоположный эффект, и пилоту потребуется поднять нос самолета. Если этого не сделать, произойдет крушение. В связи с указанными выше особенностями существует риск разбиться, когда самолет теряет высоту. Если это происходит близко к поверхности земли, риск почти 100%. Если это происходит высоко над землей, пилот успеет увеличить скорость и набрать высоту.
