Как называется точка приложения подъемной силы
Купол создает подъемную силу двумя способами. подъемную силу создает сама форма крыла. Воздух движется по верхней кромке крыла быстрее, чем по нижней. Чем больше скорость воздуха, тем меньше его давление. Таким образом, над верхней кромкой образуется область пониженного давления, а под нижней — соответствующая ей область повышенного давления. В результате крыло «подтягивается» вверх — к области пониженного давления.
Отклонение воздуха — второй способ создания подъемной силы. Если отклонить воздух в каком либо направлении, обязательно возникнет сила реакции, направленная в противоположную сторону — этот принцип позволяет нам поворачивать, двигаться по горизонту и вообще совершать любые маневры в свободном падении. Соотношение подъемных сил за счет отклонения воздуха и за счет формы профиля достаточно сложное. Если бы отклонение было основной составляющей подъемной силы, то при вводе правой клеванты (задавлен правый край купола) воздух, отклоненный вниз, встречал бы противодействие и поднимал правую часть купола — купол бы заваливался влево и, соответственно, у нас получался бы левый поворот. На самом деле ввод правой клеванты уменьшает подъемную силу, потому что увеличивает сопротивление потоку с правой стороны. Правая кромка начинает двигаться медленнее, создает меньше подъемной силы — и купол поворачивает вправо.
В парашютном спорте основное применение подъемной силы, возникающей вследствие отклонения потока воздуха, приходится на момент выполнения подушки при приземлении. Когда вы делаете подушку, вы отклоняете воздух вниз, а противодействие заставляет купол двигаться вверх. Однако одновременно с этим увеличивается сопротивление воздуха, что замедляет горизонтальную скорость купола. Пилот под куполом (масса которого больше, чем у купола, а сопротивление — меньше) замедлится не так быстро, и сместится вперед. Это изменит угол атаки купола и резко увеличит силу отклонения воздуха — до тех пор, пока сохраняется горизонтальная составляющая скорости. Мы более подробно рассмотрим это использование силы отклонения воздуха, когда будем говорить об угле атаки, а также в главах о практике пилотирования.
Другая основная сила, которая воздействует на купол — сопротивление воздуха. Эта сила имеет две составляющих — «профильное сопротивление» и «паразитное сопротивление» (сохранена терминология автора — прим. пер.). Первое, упрощенно говоря — результат трения воздуха о поверхность крыла. От этого страдают — в той или иной степени — крылья любой формы и конструкции (можно представить эту силу в форме подъемной силы, только направленной против движения крыла). Паразитное сопротивление — результат завихрений потока различными элементами крыла. Сопла создают турбуленцию. Швы, стропы, соединения строп, медуза, слайдер — даже вы, пилот! — все это добавляет сопротивление, но не создает подъемной силы. Парашюты никогда не были очень эффективными крыльями по сравнению с самолетами именно потому, что сама их конструкция подразумевает большое количество паразитного сопротивления.
Таким образом, и подъемная сила, и сопротивление — результат движения потока воздуха через профиль крыла. Поскольку эти аэродинамические силы вызваны взаимодействием между потоком воздуха и крылом, увеличение скорости потока означает увеличение этих сил. Подъемная сила и сопротивление увеличиваются в геометрической прогрессии к скорости: увеличение скорости вдвое увеличивает подъемную силу в четыре раза. То же касается и сопротивления. Это означает, что скорость имеет критическое значение для поведения купола. Увеличение скорости означает — до определенного момента — увеличение подъемной силы и более острую реакцию на вводы. Это также означает увеличение сопротивления — именно поэтому в конструкции быстрых куполов применяются коллапсируемые медузы и слайдеры и более тонкие стропы.
Обтекание воздушным потоком профиля крыла имеет еще одну интересную черту. Ее можно легко заметить, если посмотреть, как вода в ручье течет через камень. Жидкость стремится огибать объект по самой возможно плавной кривой. Можно (до определенной степени) изменить форму профиля, не нарушив при этом плавности течения потока. Точно также можно слегка изменить направление потока, не нарушая его плавности. Но если слишком быстро изменить либо направление потока, либо форму крыла — мы получим так называемый «срыв потока». Вместо того чтобы плавно огибать профиль, поток разбивается на завихрения и волны. Это очень важно знать пилоту купола — для него это означает, что любой резкий или радикальный маневр критически уменьшает потенциал подъемной силы купола. Самый распространенный и драматичный пример срыва потока в парашютном спорте — вход в режим свала на малой скорости. В следующих главах мы выясним, что этот феномен имеет множество других проявлений — к нему могут привести излишнее усилие на передних концах, резкое прокачивание клевант и радикальные вводы клевантами.
Для того чтобы крыло двигалось в воздухе и создавало подъемную силу, необходима некая сила, обеспечивающая это движение. Обычно эта сила называется «тягой». В случае с самолетом все просто — тягу обеспечивает работа двигателя. В случае с парашютом тяговую силу обеспечивает гравитация. На стропы каскада А (передняя кромка) короче, чем стропы каскада Д (задняя кромка) — за счет этого купол наклонен вперед. Воздух отклоняется в направлении задней кромки, придавая крылу горизонтальную скорость. Общая масса (ваш вес плюс вес системы) тянет крыло вниз. Крыло скользит как санки по склону. Насколько крутой этот «склон» — зависит от разницы каскадов строп.
Чем сильнее вес тянет вас вниз, тем больше тяга. Сумма масс, которая воздействует на парашют, называется «загрузкой купола» — важнейший термин для пилотирования парашюта. В Америке загрузка купола определяется по «десантному» («полному») весу — сумме веса парашютиста и его снаряжения — и выражается в фунтах на квадратный фут площади купола (в метрической системе для расчета загрузки нужно свой полный вес в кг разделить на 0,45 и результат разделить на площадь вашего купола — прим. пер.). Может показаться, что загрузка купола всегда постоянна. Для ровного горизонтального полета по прямой это так и есть.
Однако загрузка может измениться радикальным образом — во время выполнения поворота. Для примера представьте, что вы раскручиваете грузик на веревке. Чем быстрее крутится грузик, тем тяжелее он кажется. То же самое происходит с вами, когда вы тянете клеванту. Когда купол начинает поворачивать, тело пилота продолжает двигаться по прямой — пока натяжение строп не остановит его и не задаст ему новое направление. Пока поворот продолжается, центробежная сила будет продолжать «выбрасывать» парашютиста купола. Когда поворот окончен, подвешенная под куполом масса вернется на место. В момент, когда «вылетевшая» масса возвращается обратно под купол, парашют достигает максимальной скорости — как за счет увеличения загрузки, так и за счет перехода увеличившейся вертикальной скорости в горизонтальную.
Чем быстрее поворот, тем больше вес пилота под куполом. Его можно рассматривать как «явный» или «индуцированный» вес, который больше начального веса пилота и снаряжения. Стоит обратить внимание, что некоторые маневры позволяют — хоть и на очень короткое время — уменьшить загрузку. На многих куполах пилот может заложить поворот таким образом, чтобы «выбросить» тело вверх в то время, как купол начнет нырять вниз. В этом случае на момент натяжение на стропы исчезнет — т.е. на это мгновение загрузка будет близка к нулю.
До определенного предела увеличение веса (а значит — увеличение тяги) улучшают летные характеристики парашюта. Еще раз вспомним о примере с санками. Чем больше мы нагружаем санки, тем быстрее они будут катиться вниз — до тех пор, пока под слишком большим весом санки не начнут тонуть в снегу, или вовсе не развалятся. Без эффективной загрузки парашют становится вялым, в то время как увеличение загрузки добавляет скорости. Поскольку подъемная сила увеличивается в квадрате от скорости, крыло, летящее со скоростью 30 миль в час, имеет подъемную силу в четыре раза большую, чем крыло, летящее со скоростью 15 миль в час. Вот почему реактивные самолеты могут иметь такие же небольшие крылья, как маленькая «Сессна», и вот почему люди с определенным опытом могут прыгать на относительно малых куполах с загрузкой 1,4 и выше (некоторые эксперементируют с загрузками 2 и больше!).(сейчас уже загрузка 2 для современных куполов и опытных парашютистов даже не кажется сверхестественным — прим. пер.) Улучшение летных характеристик, связанные с увеличением загрузки, выражаются не только в более высокой горизонтальной скорости, но и в скорости поворотов, мощности подушки и чувствительности купола. Но за все надо платить. Цена высокой загрузки будет рассмотрена позднее, когда от теории полета мы перейдет к парашютной реальности.
Центр массы, центр приложения подъемной силы
Центр приложения подъемной силы — это точка крыла, в которой в нашем воображении может быть сконцентрирована подъемная сила. Центр массы — точка, в которой сконцентрирован вес системы. Очевидно, что в спортивных парашютах центр массы (в виде пилота) находится намного ниже самого крыла. За счет смещения центра массы по отношению к центру приложения подъемной силы можно изменить тангаж (угол планирования — угол между продольной осью парашюта и плоскостью горизонта — прим. пер.) и угол атаки купола.
Многие парашютисты считают, что угол атаки — это угол плоскости купола по отношению к земле. Совсем нет! Угол атаки — это угол между хордой крыла и направлением «вымпельного ветра» (см. ниже — прим. пер.). Самолет может изменять угол атаки при помощи рулей высоты хвостового оперения. Но у парашютиста их нет. Поэтому подушка — единственный способ изменить угол атаки. Когда вы задавливаете клеванты на подушке, вес под куполом (т. е. вы, пилот) «вылетает» вперед — потому что легкий парашют с увеличившимся сопротивлением замедлится быстрее, чем тяжелый пилот с меньшим сопротивлением. В результате угол атаки на время увеличивается и создает больше подъемной силы за счет большего отклонения воздуха.
Надо заметить, что изменение угла атаки происходит за счет изменения скорости «вымпельного ветра» в момент, когда вес под куполом смещается вперед. Вводы клевантами, изменяющие форму купола, конечно также играют роль. Но если вес при этом не смещается вперед, то и угол атаки изменяется незначительно — за счет искривления купола только слегка увеличивается подъемная сила. Заход в режиме глубокого торможения во время прыжков на точность — типичный пример, когда для приземления используется только торможение клевантами без подушки.
При хорошей подушке плавное втягивание клевант заставляет купол лететь все медленее и медленее; пилот под куполом остается в положении, слегка смещенном вперед, поддерживая тем самым больший угол атаки и более значительное отклонение воздуха. Когда горизонтальная скорость купола придет к нулю, пилот вернется назад в нормальное положение. В этот момент не останется горизонтальной скорости, чтобы создать ни одну из составляющих подъемной силы, и начнет увеличиваться скорость вертикальная — до тех пор, пока купол снова не наберет горизонтальную скорость (или пока он не окажется на земле).
Как вы заметили, я употребляю выражение «вымпельный ветер» вместо привычного «относительный ветер» или «относительный поток».«Вымпельный ветер» — термин из парусного спорта. Он обозначает скорость ветра, которую физически ощущает парус во время движения (представляет собой сочетание ветра как такового (истинного ветра) и ветра, «индуцированного» собственным движением паруса — или, в нашем случае, парашюта — прим. пер.). Управляющий парусом часто забывает про вымпельный ветер и использует более привычные, но совершенно бесполезные ориентиры — например, изменения по горизонту. Но для аэродинамического профиля — будь то парус или купол — горизонта не существует, а есть только вымпельный ветер. Для того, чтобы яснее это понять, представьте себе «колокол» у купольщиков. Люди, которые видят эту фигуру впервые, часто удивляются, почему нижний купол остается наполненным. Но вымпельный ветер, который «чувствует» этот купол — как и в полете в нормальном положении. То, что купол повернут верхней кромкой в земле, не означает, что он не будет наполняться или не будет иметь подъемной силы — просто при этом вектор подъемной силы направлен вниз.
Теперь взглянем на угол планирования, который часто путают с углом атаки. Угол планирования — это угол, задаваемый регулировкой переднего и заднего рядов строп (нос выше или нос ниже). Он конструктивно заложен в парашют и зависит от длины строп. Его можно изменить за счет использования передних или задних свободных концов. Ввод передних концов изменяет угол планирования, а не угол атаки. При более остром угле купол будет снижаться быстрее, но вымпельный ветер останется постоянным (хотя на какой-то момент — в начале и по окончании ввода — его скорость измененится). Длина строп большинства куполов расчитаны на такой угол планирования, чтобы купол каждые три метра по горизонтали терял один метр высоты: соотношение горизонтали к вертикали (т. н.«аэродинамическое качество крыла» — прим. пер.) — 3/1. Меньший угол планирования позволит парашюту лететь дальше, но за это придется расплачиваться уменьшением давления в секциях по сравнению с более «остронаклоненными» куполами, и в результате купол будет более подвержен турбулентности. Больший угол увеличивает скорость снижения и наполненность, но теряет в горизонте, а также приводит к потери части мощности подушки.
Изгиб (кривизна профиля)
Когда вы втягиваете клеванты, вы изменяете не только угол атаки, но и саму форму крыла. Изгиб определяется величиной искривления крыла по его верхней кромке. Сильно выгнутые крылья имеют больше подъемной силы на низких скоростях — но одновременно они создают большое профильное сопротивление. Если вы втяните клеванты и оставите их внизу, такое изменение изгиба начнет влиять на летные характеристики парашюта. Скорость снижения снизится — равно как и горизонтальная скорость. Современные купола обычно берут большую часть энергии для подушки от изменения угла атаки — поэтому лучшая подушка будет получаться из режима полного планирования с отпущенными клевантами. Во время подушки высокая скорость снижения трансформируется в подъемную силу. Но в ситуации, когда вам нужно замедлить скорость снижения на продолжительное время, увеличение изгиба крыла за счет клевант является очень эффективным.
Найдите и понаблюдайте за камнями на дне быстрого ручье. Вода плавно течет поверх гладких округлых камней — турбулентность возникает, только когда поток уже перетечет через камень. Плавная вода — это как разряженный воздух над верхней кромкой, который создает подъемную силу куполу. Бурная вода за камнем — это профильное сопротивление: след, который ваш купол оставляет в воздухе. Видно, как плоская, грубая передняя сторона камня создает паразитное сопротивление. А теперь взглянем на острый неровный камень. Он разрезает течение, вода бурлит — никакого плавного потока. Нет плавного потока — нет подъемной силы. Нет подъемной силы — нет контроля.
Высуньте ладонь в окно машины во время движения. Поставьте ее ребром к потоку ветра, найдите нейтральное положение. Теперь повертите ладонью, меняя ее угол — больше, меньше… Это — отклонение воздуха.
Как эти абстрактные понятия о потоке и профиле применить в реальной прыжковой практике? Мы скоро увидим. Но сначала давайте посмотрим на разные конструкции парашютов на нашей дропзоне — чтобы понять, почему они сделаны именно так, и чего мы можем от них ожидать.
Подъёмная сила — одна из составляющих полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком.
Опытным путем Бернулли установил, что статическое давление в потоке жидкости или газа обратнопропорционально скорости потока в данной точке, что означает то, что в тех точках, где скорость потока выше давление – ниже. На практике легче понять это выражение на примере: когда у входа на эскалатор на станции метро образуется большое столпотворение людей, то возникает давка (перед эскалатором), а когда вы входите на эскалатор и начинаете подниматься, то на ступени стоит максимум 2 человека и скорость вашего движения выше, а т. н. «столпотворение» (давление) ниже.
Так «действует» и жидкость в трубе переменного поперечного сечения. А теперь, мысленно можно представить себе, что данную трубу «развернули» и разложили на 2 поверхности, как крыло самолета. Одна из них (верхняя) имеет большую кривизну (выпуклость), а нижняя имеет меньшую выпуклость ( практически ровная). Так получаем, согласно уравнению неразрывности струи потока жидкости (или газа) уже понятное физическое явление – разность давлений на верхней и нижней части крыла. Получаем, что на нижней поверхности скорость потока ниже и статическое давление выше, а на верхней части статическое давление ниже (т.к. скорость потока выше, ввиду геометрической разности длин). Это простое объяснение для крыла классического профиля и бесконечно большого размаха.
Расчет подъемной силы крыла. Теорема Жуковского о подъемной силе.
В жизни такое крыло сделать нереально. Поэтому применим математические свойства к решению данной задачи: конечный размах, нормальный вектор к профилю, граница профиля, величину давления, тогда получим следующее выражение:
Подъёмная сила крыла самолета
У людей, начинающих свое знакомство с авиацией или уже продолжающих его может назреть вопрос, раз все всё знали, были выдающиеся открытии и умы, но самолет смог взлететь только в 1903 году, в чем же дело? А дело вот в чем: вполне можно было бы сделать первый полет и раньше, но долгое время ученые были запутаны, как высчитать подъемную силу и какое должно быть крыло самолета, его длина?
Согласно классической физике и согласно законам Ньютона подъемная сила была пропорциональна углу атаки во второй степени, что приводило к выводу о том, что невозможно сделать крыло малого размаха с хорошими несущими характеристиками. Мы можем представить себе обычную параболу, у=х 2 и получаем, что, например, для подъемной силы равной 2 нужно достичь угла атаки в 4, а для хорошего полета необходимо подъемная сила и в 4, 5, 6… сложно иногда даже будет подсчитать угол атаки, а если он еще и окажется в критической зоне…
Эта путаница продолжалась вплоть до конца 19 века, аж только после многих экспериментов Бернулли и многих других ученых было установлено, что эта зависимость – прямолинейная (!), а уже базируясь на таких выводах можно было строить крыло малого размаха с удовлетворительной подъемной силой. Первыми это сделали братья Райт.
Силовое воздействие воздушного потока на крыло проявляется не только в виде давления, но также в виде трения воздуха в пограничном слое. От общего воздействия разности давлений воздуха под и над крылом, перед крылом и за ним, а также трения в пограничном слое образуется равнодействующая этих сил- полная аэродинамическая сила крыла
Формула для определения силы крыла имеет вид:
,
где - скоростной напор;
CR - коэффициент полной аэродинамической силы крыла. Это безразмерный коэффициент, зависящий от угла атаки, формы профиля крыла, формы крыла в плане, состояния поверхности крыла.
Разложение силы R на составляющие. При аэродинамических исследованиях удобнее пользоваться не силой R, а её составляющими по осям координат xayaza. Ось xa направлена в сторону движения набегающего потока, а оси ya и za - перпендикулярно скорости потока.
Составляющая полной аэродинамической силы, действующая перпендикулярно скорости набегающего потока, направленная вдоль оси ya, называется подъёмной силой крыла Y (Рисунок3.14).
Составляющая полной аэродинамической силы, действующая вдоль оси xa, и совпадающая с направлением набегающего потока, называется силой лобового сопротивления X (Рисунок3.14).
Направление этих сил не зависит от положения крыла в потоке. Это позволяет измерять их на аэродинамических весах при продувках модели в аэродинамической трубе.
Рисунок 3.14 Полная аэродинамическая сила и точка ее приложения
R - полная аэродинамическая сила; Y - подъемная сила; X - сила лобового сопротивления; - угол атаки;q - угол качества
Силы Y и X рассчитываются по формулам, аналогичным формуле определения силы R:
R= CR ;У = Cy · q · S; X = Cx · q · S.
где: CR - коэффициент полной аэродинамической силы;
Cy - коэффициент подъемной силы;
СХ – коэффициент лобового сопротивления;
q – скоростной напор .
Коэффициенты CR , СУ и СХ - это безразмерные величины. Они определяются опытным путем при помощи продувки модели крыла в аэродинамической трубе и зависят от угла атаки и формы тела.
Из Рисунок3.14 следует, что аэродинамические силы R, У и X связаны между собой следующим соотношением :
R 2 = У 2 + Х 2 .
После подстановки в данное уравнение выражений для R, У и Х можно убедиться в том, что в таком же соотношении будут находиться между собой коэффициенты этих сил:
СR 2 =Cy 2 +Cx 2 .
Поэтому аэродинамическими характеристиками тела принято считать не силы, а коэффициенты этих сил, т.к. по величине аэродинамических коэффициентов можно судить о величине аэродинамических сил крыла и летательного аппарата.
Центр давления. Центром давления крыла называется точка приложения вектора полной аэродинамической силы. Условно центр давления считают расположенным в точке пересечения вектора с хордой профиля крыла, см. Рисунок3.14.
При изменении угла атаки крыла изменяется распределение давления по профилю крыла, поэтому центр давления перемещается по хорде. Закон перемещения центра давления зависит от формы профиля крыла.
Увеличение угла атаки несимметричного профиля сопровождается перемещением центра давления к ребру атаки.
Центр давления симметричных профилей практически не перемещается.
У S-образных профилей центр давления перемещается назад, к ребру обтекания. Вследствие этого S-образные профили самоустойчивы и применяются для бесхвостых самолетов и самолетов типа “летающее крыло”.
Закон перемещения центра давления по хорде является очень важной характеристикой, влияющей на устойчивость и управляемость самолета.
Из множества предоставляемых вариантов тем, я выбрала именно изучение физических явлений, связанных с полетом самолета, потому что такой популярный и распространенный способ передвижения на сегодняшний день является интересным объектом изучения. Самолёт — воздушное судно, предназначенное для полётов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного относительно других частей аппарата крыла, создающего подъёмную силу. Физика играет огромную роль в процессе работы самолета. Тысячи самолетов летают каждый день. Тысячи людей доверяют жизни самолетам. Как же физика связана с этим? Именно этот вопрос натолкнул меня на изучения данной темы.
Актуальность это работы обусловлена изучением историей открытия физических явления в полете самолета, совершенствования их использования, а также возможностью развития моих исследовательских способностей, расширения кругозора и базы математических и физических знаний, развития логического мышления, тренировки интеллекта.
Объектом исследования является школьный материал физики 7-9 класс.
Предметом исследования являются физические явления в полете самолета.
Гипотезой исследования стало предположение: изученные физические явления лежат в основе полета самолета.
Цель исследования: проследить историю открытия физики, связанной с самолетом, как эти открытия повлияли на развитие общества. Исследовать некоторые физические явления, происходящие при полете самолета, установить между ними связь.
Практическая значимость работы определяется возможностью подробного изучения, саморазвития, анализа открытий.
I глава. Научное описание и объяснение явлений
1. Подъемная сила
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. 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. А почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму?
Профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. 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.
На самом деле всё намного сложнее. 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.
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.
2. Сила тяжести
Сила тяжести остается всегда одинаковой, на земле ли самолет или в воздухе, и поэтому приятно знать, что эта постоянная сила всегда с нами. Полет возможен только тогда, когда есть поступательная скорость. Поступательная скорость получается за счет энергии от сгорания горючего.
Если мы отрываемся от земли и поднимаемся на некоторую высоту, мы уже имеем некоторый запас энергии (вес самолета), способный придать самолету поступательную скорость, когда мотор перестанет ее развивать. В случае остановки мотора на некоторой высоте над землей вес продолжает тянуть самолет вперед; самолет не падает, а начинает планировать, скользя вниз, будучи все время управляем.
Чем выше самолет находится в воздухе, тем большее расстояние он может пролететь без мотора. Постоянно действующая сила тяжести становится чем- то вроде постоянной охраны обеспечивая самолет невидимой энергией, необходимой для движения вперед.
3. Электризация
На задней кромке крыла хорошо видны 10 электростатических разрядников.
Статическое электричество для летательных аппаратов представляет серьёзную проблему, но успешно решаемую.
Из-за трения о воздух на самолете в полёте набирается заряд 200 – 300 мкКл, поднимающий потенциал до 200 – 300 киловольт.
Когда шасси самолета приближаются к посадочной полосе, происходит электрический разряд на землю длиной около метра, чаще всего по поверхности резины колес. Его хорошо видно в темноте.
Накапливающееся в полёте статическое электричество значительно ухудшает работу радиосвязного оборудования, приводит к сбоям в работе цифровой аппаратуры. После посадки летательного аппарата статический заряд вполне способен убить человека.
Для предотвращения негативного влияния статического электричества на летательных аппаратах установлены следующие средства защиты:
- Перемычки металлизации, соединяющие отдельные элементы конструкции самолета между собой и массой самолета.
- Разрядники, способствующие стеканию накопленного самолетом заряда статического электричества в атмосферу.
На самолётах электростатические разрядники установлены группами на конце крыла, а также других выступающих частях конструкции планера.
Тело разрядника длиной 10–15 см представляет объемный резистор сопротивлением в 10–100 МОм.
II глава. История открытия, интересные факты о рассматриваемых явлениях
1. Подъемная сила
Подъемная, она же Архимедова, сила. Легенда гласит, что царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено. А в развитии аэродинамики у нас в стране выдающуюся роль сыграл профессор Николай Егорович Жуковский (1847—1921) —«отец русской авиации». Заслуга Жуковского состоит в том, что он первый объяснил образование подъемной силы крыла и сформулировал теорему для вычисления этой силы. Теорема Жуковского: Подъёмная сила сегмента крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла. Направление действия подъёмной силы получается поворотом вектора скорости набегающего потока на прямой угол против циркуляции. До Жуковского возникновение подъёмной силы объяснялось ударной теорией Ньютона, описывающей ударяющиеся об обтекаемое тело не связанные друг с другом частицы воздуха. Данная теория даёт заниженное значение подъёмной силы крыла. Жуковский впервые представил открытый им осенью 1904 года механизм образования подъёмной силы крыла на заседании Математического общества 15 ноября 1905 года.
2. Сила тяжести
Исаак Ньютон гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон в это самое время работал над законами движения , он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите. Все считали, что есть земная гравитация, действующая на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, действующая на совершенных небесах. Ньютон же сделал следующее – он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого исторического момента искусственное и ложное разделение Земли и остальной Вселенной прекратило свое существование.
3. Электризация
Электризация – это явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела; вэлектризациивсегдаучаствуютдватела. Приэтом электризуются оба тела. Электризация происходит при соприкосновении. Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624-547 гг. до нашей эры, открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы — пушинки, соломинки и т.п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю, от названия которого и произошло слово «электричество». Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гильберта (1540-1603). Он был одним из первых ученых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он показал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества и что притягивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло.
Вывод
Изучая физические явления, у меня возникло желание более подробно изучить их применение. Удивительным фактом и маленьким открытием становится то, что окружающие явления подчиняются и объясняются общими законами и закономерностями в физике.
У меня дома есть классный рыжий кот. Он «в меру упитан», как и положено уютному домашнему коту и, хотя при этом носится, как электровеник, обладает не совсем кошачьим свойством: побаивается высоты. Летающим котом по этой причине ему увы не быть, но в воздух иногда подняться видимо хочется, хотя бы для того, чтобы запрыгнуть на сервант. Однако избыточный вес этому, к сожалению, не способствует, потому приходится иногда помогать бедному животному, 🙂 то есть поднимать его руками и сажать туда, куда так рвется его душа.
Аэродинамическая подъемная сила
Воздух, обтекая крыло самолета, разделяется на два потока: над крылом и под ним. Нижний поток протекает себе как ни в чем не бывало, а верхний сужается. Ведь профиль крыла выпуклый сверху! И теперь для того, чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время, как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее, ведь сам поток стал уже. Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот. Этот закон очень просто иллюстрируется. Если взять не слишком узкий горизонтальный шланг (рукав) из тонкой прозрачной резины и влить в него воды под небольшим давлением. Что вы увидите? Да ничего особенного, вода просто быстро выльется через другой конец. А вот если на этом другом конце окажется наполовину закрытый кран, то вы сразу увидите, что вода выливается, но медленно и стенки рукава раздулись, то есть скорость потока уменьшилась и давление возросло.
Конденсация водяного пара над верхней поверхностью крыла в результате резкого падения давления
У резко маневрирующего самолета (обычно это бывает на аэрошоу) над верхней поверхностью крыла возникает что-то вроде струй белой пелены. Это из-за быстрого падения давления конденсируется водяной пар, находящийся в воздухе.
Кстати, не могу удержаться, чтобы не вспомнить еще один простейший, но очень точно иллюстрирующий теорию этого вопроса, школьный опыт. Если взять небольшой узкий лист бумаги за его короткую сторону и, поднеся его ко рту, подуть над листком горизонтально, то провисший было листок сразу резво поднимется. В этом виновата все та же подъемная сила. Мы дуем над листком – поток ускоряется, значит давление в нем падает, а под листком оно осталось прежним. Оно и поднимает листок в горизонтальное положение. Процесс, принципиально похожий на работу профиля.
Ну, вот, вроде бы и все? Можно лететь? Несмотря на вполне логичное приведенное выше объяснение (на мой взгляд :-)), я бы сказал, что вряд ли :-). Надо понимать, что описанный случай носит все-таки частный характер. Ведь профиль может быть и симметричным, тогда не будет такого распределения давления и разрежения над и под ним.
На самом-то деле, конечно, полная теория этого вопроса значительно сложнее и одним законом Бернулли, объясненным на пальцах, здесь не обойдешься. Это уже область физики и аэродинамики, ведь и сама подъемная сила в нашем рассмотренном случае случае – это аэродинамическая сила. В скором будущем мы немного коснемся этой области с ее терминами и понятиями, но более глубокое изучение требует, так сказать, общения с фундаментальными науками.
Постскриптум через год.
Читайте также: