Під яким кутом летить літак. Чому літаки не можуть злетіти за сильної спеки
Напевно, немає людини, яка дивлячись, як летить літак, не задавалася питанням: «Як вона це робить?»
Люди завжди мріяли літати. Першим повітроплавцем, який спробував злетіти за допомогою крил, можна, напевно, вважати Ікара. Потім протягом тисячоліть у нього було безліч послідовників, але справжній успіх випав на долю братів Райт. Саме вони вважаються винахідниками літака.
Бачачи на землі величезні пасажирські лайнери, двоповерхові Боїнги, наприклад, зовсім неможливо зрозуміти, як ця багатотонна металева махіна піднімається у повітря, настільки це здається неприродним. Мало того, навіть люди, які все життя пропрацювали в суміжних з авіацією галузях і, безумовно, знають теорію повітроплавання, іноді чесно зізнаються, що не розуміють, як літають літаки. Але ми все ж таки спробуємо розібратися.
Літак тримається в повітрі завдяки «підйомній силі», що діє на нього, яка виникає тільки в русі, який забезпечують двигуни, закріплені на крилах або фюзеляжі.
- Реактивні двигуни викидають назад струмінь продуктів згоряння гасу або іншого авіаційного палива, штовхаючи літак уперед.
- Лопаті гвинтового двигуна ніби вгвинчуються в повітря і тягнуть літак за собою.
Підйомна сила
Підйомна сила виникає, коли потік повітря, що набігає, обтікає крило. Завдяки особливій формі перерізу крила, частина потоку над крилом має більшу швидкість, ніж потік під крилом. Це відбувається тому, що верхня поверхня крила опукла, на відміну від плоскої нижньої. У результаті повітря, що обтікає крило зверху, доводиться пройти більший шлях, відповідно з більшою швидкістю. А чим більша швидкість потоку, тим менший тиск у ньому, і навпаки. Чим менша швидкість - тим більший тиск.
У 1838 році, коли ще аеродинаміки, як такої, не існувало, швейцарський фізик Данило Бернуллі описав це явище, сформулювавши закон, названий на його ім'я. Бернуллі, щоправда, описував перебіг потоків рідини, але з виникненням і розвитком авіації, його відкриття виявилося дуже доречним. Тиск під крилом перевищує тиск зверху і виштовхує крило, а з ним і літак вгору.
Інше доданок підйомної сили - так званий «кут атаки». Крило розташовується під гострим кутом до зустрічного потоку повітря, завдяки чому тиск під крилом вищий, ніж зверху.
З якою швидкістю літають літаки
Для виникнення підйомної сили необхідна певна і досить висока швидкість руху. Розрізняють мінімальну швидкість, вона необхідна для відриву від землі, максимальну і крейсерську, на якій літак летить більшу частину маршруту, вона становить близько 80% максимальної. Крейсерська швидкість сучасних пасажирських лайнерів 850-950 км на годину.
Ще є поняття колійної швидкості, що складається зі своєї швидкості літака та швидкості повітряних потоків, які йому доводиться долати. Саме, виходячи із неї, розраховують тривалість рейсу.
Швидкість, необхідна для зльоту, залежить від маси літака, і для сучасних пасажирських суден становить від 180 до 280 км на годину. Приблизно на такій же швидкості проводиться посадка.
Висота
Висота польоту теж вибирається не довільно, а визначається великою кількістю факторів, міркування економії палива та безпеки.
У поверхні землі повітря більш щільне, відповідно, воно чинить великий опір руху, викликаючи підвищену витрату палива. Зі збільшенням висоти повітря стає більш розрядженим, і опір зменшується. Оптимальною висотою для польоту є висота близько 10 000 метрів. Витрата палива при цьому мінімальна.
Ще одним істотним плюсом польотів на високих висотах є відсутність тут птахів, зіткнення з якими не раз призводили до катастроф.
Підніматися вище 12 000-13 000 метрів цивільні літаки не можуть, тому що надто сильне розрядження перешкоджає нормальній роботі двигунів.
Управління літаком
Управління літаком здійснюється шляхом збільшення чи зменшення тяги двигуна. При цьому змінюється швидкість, відповідно підйомна сила та висота польоту. Для тоншого управління процесами зміни висоти і поворотів служать засоби механізації крила і керма, що знаходяться на хвостовому оперенні.
Зліт та посадка
Щоб підйомна сила стала достатньою для відриву літака від землі, він повинен розвинути достатню швидкість. Для цього служать злітно-посадкові смуги. Для важких пасажирських або транспортних літаків потрібні довгі ЗПС завдовжки 3-4 кілометри.
За станом смуг ретельно стежать аеродромні служби, підтримуючи їх у ідеально чистому стані, оскільки сторонні предмети, потрапляючи в двигун, можуть призвести до аварії, а сніг та лід на смузі становлять велику небезпеку при зльоті та посадці.
При розбігу літака настає момент, після якого скасувати зліт вже не можна, тому що швидкість стає настільки великою, що літак не зможе зупинитися в межах смуги. Це так і називається – «швидкість прийняття рішення».
Посадка – дуже відповідальний момент польоту, льотчики поступово скидають швидкість, унаслідок чого зменшується підйомна сила та літак знижується. Перед землею швидкість вже така низька, що на крилах випускаються закрилки, які дещо збільшують підйомну силу і дозволяють м'яко посадити літак.
Таким чином, як би дивно нам це не здавалося, літаки літають, причому у суворій відповідності до законів фізики.
Часто, спостерігаючи за літаком, що летить у небі, ми запитуємо себе, як літак піднімається в повітря. Як він летить? Адже літак значно важчий за повітря.
Чому піднімається дирижабль
Ми знаємо, що аеростати та дирижаблі піднімає у повітря сила Архімеда . Закон Архімеду для газів говорить: « На тіло, занурене в газ, діє виштовхувальна сила, що дорівнює силі тяжкості витісненого цим тілом газу» . Ця сила протилежна за напрямом тяжкості. Тобто, сила Архімеда спрямована нагору.
Якщо сила тяжіння дорівнює силі Архімеда, тіло перебуває у рівновазі. Якщо ж сила Архімеда більша за силу тяжіння, то тіло піднімається в повітрі. Так як балони аеростатів і дирижаблів заповнюють газом, який легший за повітря, то сила Архімеда виштовхує їх вгору. Таким чином, сила Архімеда є підйомною силою для літальних апаратів, легших за повітря.
Але сила важкості літака значно перевищує силу Архімеда. Отже, підняти літак у повітря вона може. То чому ж він таки злітає?
Підйомна сила крила літака
Виникнення підйомної сили часто пояснюють різницею статичних тисків повітряних потоків на верхній та нижній поверхні крила літака.
Розглянемо спрощений варіант появи підйомної сили крила, що розташовується паралельно потоку повітря. Конструкція крила така, що верхня частина профілю має опуклу форму. Повітряний потік, що обтікає крило, поділяється на два: верхній та нижній. Швидкість нижнього потоку залишається майже незмінною. А ось швидкість верхнього зростає за рахунок того, що він має подолати більший шлях за той самий час. За законом Бернуллі, що стоїть швидкість потоку, то нижчий тиск у ньому. Отже, тиск над крилом стає нижчим. Через різницю цих тисків виникає підйомна силаяка штовхає крило вгору, а разом з ним піднімається і літак. І чим більша ця різниця, тим більша і підйомна сила.
Але в цьому випадку неможливо пояснити, чому підйомна сила з'являється, коли профіль крила має увігнуто-опуклу або двоопуклу симетричну форму. Адже тут повітряні потоки проходять однакову відстань, і різниці тисків немає.
Насправді профіль крила літака розташовується під кутом до повітряного потоку. Цей кут називається кутом атаки . А потік повітря, стикаючись із нижньою поверхнею такого крила, скошується і набуває руху вниз. Згідно закону збереження імпульсу на крило діятиме сила, спрямована у протилежному напрямку, тобто вгору.
Але ця модель, що описує виникнення підйомної сили, не враховує обтікання верхньої поверхні профілю крила. Тож у разі величина підйомної сили занижується.
Насправді все набагато складніше. Підйомна сила крила літака немає як самостійна величина. Це одна з аеродинамічних сил.
Потік повітря, що набігає, впливає на крило з силою, яка називається повною аеродинамічною силою . А підйомна сила – це одна із складових цієї сили. Друга складова – сила лобового опору. Вектор повної аеродинамічної сили – це сума векторів підйомної сили та сили лобового опору. Вектор підйомної сили спрямований перпендикулярно вектору швидкості повітряного потоку, що набігає. А вектор сили лобового опору – паралельно.
Повна аеродинамічна сила визначається як інтеграл від тиску навколо контуру профілю крила:
Y - підйомна сила
Р - Потяг
dΩ – межа профілю
р – величина тиску навколо контуру профілю крила
n - Нормаль до профілю
Теорема Жуковського
Як утворюється підйомна сила крила, вперше пояснив російський учений Микола Єгорович Жуковський, якого називають батьком російської авіації. У 1904 р. він сформулював теорему про підйомну силу тіла, яке обтікається плоскопараалельним потоком ідеальної рідини або газу.
Жуковський ввів поняття циркуляції швидкості потоку, що дозволило врахувати скіс потоку і більш точного значення підйомної сили.
Підйомна сила крила нескінченного розмаху дорівнює добутку щільності газу (рідини), швидкості газу (рідини), циркуляції швидкості потоку та довжини виділеного відрізка крила. Напрямок дії підйомної сили виходить поворотом вектора швидкості потоку, що набігає, на прямий кут проти циркуляції.
Підйомна сила
Щільність середовища
Швидкість потоку на нескінченності
Циркуляція швидкості потоку (вектор спрямований перпендикулярно площині профілю, напрямок вектора залежить від напрямку циркуляції),
Довжина відрізка крила (перпендикулярно до площини профілю).
Величина підйомної сили залежить від багатьох факторів: кута атаки, щільності та швидкості повітряного потоку, геометрії крила та ін.
Теорема Жуковського покладено основою сучасної теорії крила.
Літак може злетіти тільки в тому випадку, якщо підйомна сила більша за його вагу. Швидкість він розвиває з допомогою двигунів. Зі збільшенням швидкості збільшується і підйомна сила. І літак піднімається нагору.
Якщо підйомна сила і вага літака рівні, він летить горизонтально. Двигуни літака створюють тягу – силу, напрямок якої збігається з напрямком руху літака та протилежним напрямком лобового опору. Тяга штовхає літак крізь повітряне середовище. При горизонтальному польоті з постійною швидкістю тяга та лобовий опір урівноважені. Якщо збільшити потяг, літак почне прискорюватися. Але й лобовий опір також збільшиться. І незабаром вони знову врівноважуються. І літак летітиме з постійною, але більшою швидкістю.
Якщо швидкість зменшується, то стає меншою і підйомна сила, і літак починає знижуватися.
Літак відноситься до літальних апаратів важчих за повітря. Це означає, що з його польоту потрібні певні умови, поєднання точно розрахованих чинників. Політ літака – це результат дії підйомної сили, що виникає під час руху потоків повітря назустріч крилу. Воно повернене під точно розрахованим кутом і має аеродинамічну форму, завдяки якій за певної швидкості починає прагнути вгору, як кажуть льотчики – “стає в повітря”.
Розганяють літак та підтримують його швидкість двигуни. Реактивні штовхають літак вперед за рахунок згоряння гасу та потоку газів, що вириваються із сопла з великою силою. Гвинтові двигуни "тягнуть" літак за собою.
Крило сучасних літаків є статичною конструкцією і саме не може самостійно створювати підйомну силу. Можливість підняти багатотонну машину повітря виникає тільки після поступального руху (розгону) літального апарату за допомогою силової установки. У цьому випадку крило, поставлене під гострим кутом до напрямку повітряного потоку, створює різний тиск: над залізною пластиною воно буде менше, а знизу виробу більше. Саме різниця тиску призводить до виникнення аеродинамічної сили, що сприяє набору висоти.
Підйомна сила літаків складається з наступних факторів:
- Кута атаки
- Несиметричного профілю крила
Нахил металевої пластини (крила) до повітряного потоку прийнято називати кутом атаки. Зазвичай при підйомі літака згадане значення не перевищує 3-5 °, чого достатньо для зльоту більшості моделей літаків. Справа в тому, що конструкція крил з моменту створення першого літального апарату зазнала серйозних змін і сьогодні є несиметричним профільом з більш опуклим верхнім листом металу. Нижній лист виробу характеризується рівною поверхнею практично безперешкодного проходження повітряних потоків.
Цікаво:
Сила тяжіння та гравітація - цікаві факти, опис, фото та відео
Схематично процес утворення підйомної сили виглядає так: верхнім струмкам повітря потрібно пройти більший шлях (через опуклу форму крила), ніж нижнім, при цьому кількість повітря за пластиною має залишитися однаковим. В результаті верхні струмки рухатимуться швидше, створюючи відповідно до рівняння Бернуллі область зниженого тиску. Безпосередня відмінність у тиску над і під крилом разом із роботою двигунів допомагає літаку набрати необхідну висоту. Слід пам'ятати, що значення кута атаки не повинно перевищувати критичної позначки, інакше підйомна сила впаде.
Крила та двигунів недостатньо для керованого, безпечного та комфортного польоту. Літаком потрібно керувати, при цьому точність управління найбільше потрібна під час посадки. Льотчики називають посадку керованим падінням - швидкість літака знижується так, що він починає втрачати висоту. За певної швидкості це падіння може бути дуже плавним, що призводить до м'якого торкання колесами шасі смуги.
Управління літаком зовсім не схоже на керування автомобілем. Штурвал пілота призначений для відхилення вгору та вниз та створення крену. "На себе" - це набір висоти. "Від себе" - це зниження, пікірування. Для того, щоб повернути, змінити курс, потрібно натиснути на одну з педалей та штурвалом нахилити літак у бік повороту… До речі, мовою пілотів це називається “розворот” або “віраж”.
Для розвороту та стабілізації польоту у хвості літака розташований вертикальний кіль. А невеликі "крила", що знаходяться під ним і над ним, - це горизонтальні стабілізатори, які не дозволяють величезній машині безконтрольно підніматися і опускатися. На стабілізаторах керування є рухомі площини – керма висоти.
Цікаво:
Чому зірки не падають? Опис, фото та відео
Для керування двигунами між кріслами пілотів знаходяться важелі – при зльоті вони переводяться повністю вперед, на максимальну тягу, це злітний режим, необхідний набору злітної швидкості. При посадці важелі відводять повністю у режим мінімальної тяги.
Багато пасажирів цікаво дивляться, як перед посадкою задня частина величезного крила раптом опускається вниз. Це закрилки, "механізація" крила, яка виконує кілька завдань. При зниженні повністю випущена механізація гальмує літак, ніж дати йому занадто розігнатися. При посадці коли швидкість дуже невелика, закрилки створюють додаткову підйомну силу для плавної втрати висоти. При зльоті вони допомагають основному крилу утримувати машину повітря.
Чого не треба боятися у польоті?
Є кілька моментів польоту, здатних налякати пасажира – це турбулентність, проходження через хмари та добре видимі коливання консолей крила. Але це абсолютно не небезпечно - конструкція літака розрахована на величезні навантаження, набагато більше тих, що виникають при "болтанці". До тремтіння консолей слід ставитися спокійно - це допустима гнучкість конструкції, а політ у хмарах забезпечується приладами.
Чому літають птахи?
Крило птиці влаштоване так, що створює силу, що протидіє силі тяжіння. Адже пташине крило не плоске, як дошка, а вигнуте . Це означає, що струмінь повітря, що огинає крило, повинен пройти по верхній стороні більш довгий шлях, ніж увігнутою нижньою. Щоб обидва повітряні потоки досягли краю крила одночасно, повітряний потік над крилом повинен рухатися швидше, ніж під крилом. Тому швидкість перебігу повітря над крилом збільшується, а тиск зменшується.
Різниця тисків під крилом і над ним створює підйомну силу, спрямовану вгору та протидіє силі тяжіння.
Для когось актуально зараз, для когось після – купити дешевий авіаквитоконлайн. Це можна тут! (Тисніть на картинку!)
Зайшовши на сайт, задайте напрямок, дату вильоту (прильоту), задайте кількість квитків і вам комп'ютер автоматично видасть таблицю з рейсами на дане число та на найближчі рейси, варіанти, їх вартість.
Бронювати квиток потрібно, при можливості, якомога раніше і викуповувати швидше, поки діє броня. Інакше, дешеві квитки "плинуть". Всі подробиці, дізнатися популярні напрямкиз України, замовити авіа та залізничні квитки з будь-якої точки в будь-яку точку можна, зайшовши за вказаною картинкою – на сайті за адресою http://711.ua/cheap-flights/.
Літаки - дуже складні пристрої, що іноді лякають своєю складністю обивателів, людей, не знайомих з аеродинамікою.
Маса сучасних повітряних лайнерів може досягати 400 тонн, але вони спокійно тримаються у повітрі, швидко переміщуються та можуть перетинати величезні відстані.
Чому літак літає?
Бо в нього, як і птах, є крило!
Якщо двигун відмовить - нічого страшного, літак долетить на другому. Якщо відмовили обидва двигуни – історія знає випадки, що й за таких обставин сідали на посадку. Шасі? Нічого не заважає літаку сісти на черево, за дотримання певних заходів пожежної безпеки він навіть не загориться. Але літак ніколи не зможе летіти без крила. Тому що саме воно створює підйомну силу.
Літаки безперервно "наїжджають" на повітря своїми крилами, встановленими під невеликим кутом до вектора швидкості повітряного потоку. Цей кут в аеродинаміці називається "кут атаки". "Кут атаки" - це кут нахилу крила до невидимого та абстрактного "вектора швидкості потоку". (Див. рис 1)
Наука говорить, що літак літає тому, що на нижній поверхні крила створюється зона підвищеного тиску, завдяки чому на крилі виникає аеродинамічна сила, спрямована перпендикулярно до крила вгору.Для зручності розуміння процесу польоту цю силу розкладають за правилами векторної алгебри на дві складові: силу аеродинамічного опору Х
(Вона спрямована вздовж повітряного потоку) та підйомну силу Y (перпендикулярну вектору швидкості повітря). (Див. рис 2)
При створенні літака крилу приділяють велику увагу, тому що саме від нього залежатиме безпека виконання польотів. Дивлячись в ілюмінатор, пасажир зауважує, що воно гнеться і ось-ось зламається. Не бійтеся, воно просто витримує колосальні навантаження.
У польоті та на землі у літака крило "чисте", воно має мінімальний опір повітрю та достатню підйомну силу, щоб утримати літак на висоті, що летить на величезній швидкості.
Але коли настає час зльоту або посадки, літаку потрібно летіти якомога повільніше, щоб з одного боку не зникла підйомна сила, а з другого колеса витримали торкання землі. Для цього площа крила збільшується: випускаються закрилки(площини в задній частині) та передкрилки(У передній частині крила).
Якщо потрібно ще зменшити швидкість, то у верхній частині крила випускаються спойлери,які відіграють роль повітряного гальма та зменшують підйомну силу.
Літак стає схожий на ощетинілого звіра, що повільно наближається до землі.
Всі разом: закрилки, передкрилки та спойлери- називається механізацією крила. Механізацію випускають льотчики вручну з кабіни перед зльотом чи посадкою.
На цей процес задіяна, як правило, гідравлічна система (рідше електрична). Механізм виглядає дуже цікаво, і є водночас дуже надійним.
На крилі є кермо (по-авіаційному елерони), подібні до корабельних (не дарма літак називається повітряним судном), які відхиляються, нахиляючи літак у потрібну сторону. Зазвичай вони відхиляються синхронно на лівій та правій стороні.
Також на крилі є аеронавігаційні вогні , які призначені для того, щоб з боку (з землі або іншого літака) завжди було видно, в яку сторону летить літак. Справа в тому, що ліворуч завжди горить червоний, а праворуч – зелений. Іноді поруч із ними ставлять білі "мигалки", які дуже добре видно вночі.
Більшість характеристик літака безпосередньо залежить від крила, його аеродинамічної якості та інших параметрів. Усередині крила розташовані баки з паливом (від розмірів крила дуже сильно залежить максимальний обсяг палива, що заправляється), на передній кромці ставляться електричні обігрівачі, щоб у дощ там не наростав лід, у кореневій частині кріпляться шасі.
Швидкість літака досягається за допомогою силової установки або турбіни. За рахунок силової установки, що створює силу тяги, літак здатний долати опір повітря.
Літаки літають за законами фізики
В основі аеродинаміки як науки закладено т. еорема Миколи Єгоровича Жуковського,видатного російського вченого, засновника аеродинаміки, яка була сформульована ще 1904 року. Через рік у листопаді 1905 року Жуковський виклав свою теорію створення підйомної сили крила літального апарату на засіданні Математичного товариства.
Чому літаки літають так високо?
Висота польоту сучасних реактивних літаків знаходиться в межах від 5000 до 10000 метрів над рівнем моря. Це пояснюється дуже просто: на такій висоті щільність повітря набагато менша, а, отже, менша і опір повітря. Літаки літають на висотах, бо при польоті на висоті 10 кілометрів літак витрачає на 80% менше пального, ніж при польоті на висоті в один кілометр.
Однак чому ж тоді вони не літають ще вищими, у верхніх шарах атмосфери, де щільність повітря ще менша?
Справа в тому, що для створення необхідної тяги двигуном літака необхідний певний мінімальний запас повітря. Тому у кожного літака є найбільша безпечна межа висоти польоту, звана також «практична стеля». Наприклад, практична стеля літака Ту-154 становить близько 12 100 метрів.
Досить дивно спостерігати, як багатотонна машина легко піднімається із злітної смуги аеродрому та плавно набирає висоту. Здавалося б, підняти таку важку конструкцію у повітря завдання нездійсненне. Але як бачимо, це не так. Чому літак не падає і за рахунок чого летить?
Відповідь це питання лежить у тих фізичних законах, які дозволяють підняти у повітря літальні апарати. Вони вірні не лише щодо планерів та легких спортивних літаків, а й щодо багатотонних транспортних лайнерів, які здатні нести додаткове корисне навантаження. І взагалі вже фантастичним, здається політ вертольота, який може не тільки рухатися прямою лінією, а й зависати на одному місці.
Політ літальних апаратів став можливим завдяки сукупному використанню двох сил - підйомної і сили тяги двигунів. І якщо з силою тяги все більш-менш зрозуміло, то з підйомною силою все трохи складніше. Незважаючи на те, що з цим виразом ми добре знайомі, пояснити його може не кожен.
І так, якою є природа появи підйомної сили?
Давайте уважно подивимося на крило літака, завдяки якому він може триматися в повітрі. Знизу воно абсолютно плоске, а зверху має сферичну форму, з опуклістю назовні. Під час руху літака повітряні потоки спокійно проходять під нижньою частиною крила, не зазнаючи якихось змін. Але щоб пройти над верхньою поверхнею крил повітряний потік повинен стиснутися. В результаті ми отримуємо ефект продавленої труби, крізь яку має пройти повітря.
Щоб обігнути сферичну поверхню крила, повітря знадобиться більше часу, ніж при його проходженні під нижньою, плоскою поверхнею. Тому над крилом він рухається швидше, що, у свою чергу, призводить до виникнення різниці тисків. Під крилом воно значно більше, ніж над крилом, через що і виникає підйомна сила. В даному випадку діє закон Бернуллі, з яким кожен з нас знайомий зі шкільною лавкою. Найголовніше в тому, що різниця тисків буде тим більшою, чим вища швидкість руху об'єкта. Ось і виходить, що підйомна сила може виникати лише під час руху літака. Вона тисне на крило, змушуючи його підніматися.
У міру розгону літака по злітній смузі збільшується і різниця тисків, що призводить до виникнення підйомної сили. З набором швидкості вона поступово зростає, порівнюється з масою літака і як її перевищить, він злітає. Після набору висоти пілоти зменшують швидкість, підйомна сила порівнюється з вагою літака, що змушує його летіти в горизонтальній площині.
Щоб літак рухався вперед, його оснащують потужними двигунами, які женуть повітряний потік у напрямку крил. З їхньою допомогою можна регулювати інтенсивність повітряного потоку, отже, і силу тяги.