Профессор механической и аэрокосмической инженерии, Университет Кларксона Крег Меррет в статье для The Conversation подробно рассказывает о том, почему самолеты летают, какие физические законы это позволяют и какова механика и физика полета. 24 Канал перевел эту статью и публикует ее в адаптированном виде.

Читайте на сайте Первый пациент Neuralink продемонстрировал, как он играет в шахматы благодаря мозговому имплантату

Сила всегда с нами

Существует четыре силы, которые аэрокосмические инженеры учитывают при проектировании самолета:

  • вес,
  • тяга,
  • сопротивление,
  • подъемная сила.

Инженеры используют эти силы, чтобы помочь спроектировать форму самолета, размер крыльев и определить, сколько пассажиров может перевезти самолет.

Например, когда самолет взлетает, сила тяги должна быть больше силы сопротивления, а подъемная сила – больше веса. Если вы посмотрите, как взлетает самолет, то увидите, как крылья меняют форму с помощью закрылков, расположенных на задней части крыльев. Закрылки помогают создать большую подъемную силу, но они также создают большее сопротивление, поэтому для создания большей тяги необходим мощный двигатель.

Когда самолет поднялся достаточно высоко и направляется к месту назначения, подъемная сила должна уравновесить вес, а тяга должна уравновесить сопротивление. Поэтому пилот втягивает закрылки и может настроить двигатель на меньшую мощность.

Сила, с которой каждый сталкивается ежедневно, – это сила притяжения, которая удерживает нас на земле. Когда вас взвешивают в кабинете врача, на самом деле измеряют силу, которую ваше тело прикладывает к весам. Когда ваш вес указан в килограммах, это и есть мера силы.

Когда самолет летит, сила тяжести тянет его вниз. Эта сила и есть вес самолета.

Но его двигатели толкают самолет вперед, потому что они создают силу, которая называется тягой. Двигатели втягивают воздух, который имеет массу, и быстро выталкивают его из задней части – так возникает масса, умноженная на ускорение.

Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие существует равная и противоположная реакция. Когда воздух вырывается из задней части двигателей, возникает сила реакции, которая толкает самолет вперед – это называется тягой.

Когда самолет летит в воздухе, форма самолета выталкивает воздух со своего пути. Опять же, по третьему закону Ньютона, этот воздух отталкивается назад, что приводит к лобовому сопротивлению.

Вы можете почувствовать нечто подобное лобовому сопротивлению во время плавания. Гребите в бассейне, и ваши руки и ноги создают тягу. Перестаньте грести, и вы продолжите двигаться вперед, потому что у вас есть масса, но вы замедлитесь. Причина замедления заключается в том, что вода давит на вас – это и есть сопротивление.

Как действует подъемная сила

Подъемная сила более сложная, чем другие силы веса, тяги и сопротивления. Она создается крыльями самолета, и форма крыла имеет решающее значение; эта форма известна как воздушное крыло. В основном это означает, что верхняя и нижняя части крыла изогнуты, хотя формы изгибов могут отличаться друг от друга.

Когда воздух обтекает крыло, оно создает давление – силу, распределенную на большой площади. В верхней части аэродинамического крыла создается меньшее давление, чем в нижней. Или, если посмотреть на это по-другому, воздух движется быстрее над верхней частью аэродинамического крыла, чем под ним.

Понимание того, почему давление и скорость отличаются в верхней и нижней частях крыла, имеет решающее значение для понимания подъемной силы. Улучшая наше понимание подъемной силы, инженеры могут проектировать более экономные самолеты и дарить пассажирам более комфортные перелеты.

Загадка воздуха

Причина, почему воздух движется с разной скоростью вокруг крыла, остается загадочной, и ученые до сих пор исследуют этот вопрос.

Аэрокосмические инженеры измеряли это давление на крыло как в экспериментах в аэродинамической трубе, так и во время полета. Мы можем создавать модели различных крыльев, чтобы предсказать, будут ли они хорошо летать. Мы также можем изменять подъемную силу, изменяя форму крыла, чтобы создавать самолеты, которые могут летать на большие расстояния или лететь очень быстро.

Хотя мы до сих пор до конца не знаем, почему возникает подъемная сила, аэрокосмические инженеры работают с математическими уравнениями, которые воспроизводят различные скорости в верхней и нижней частях крыла. Эти уравнения описывают процесс, известный как циркуляция.

Смотрите также Илон Маск заявил, что будущие версии космического корабля Starship будут путешествовать к другим звездам

Циркуляция дает аэрокосмическим инженерам возможность моделировать то, что происходит вокруг крыла, даже если мы не до конца понимаем, почему это происходит. Другими словами, благодаря использованию математики и науки мы можем строить безопасные и эффективные самолеты, даже если мы не до конца понимаем процесс, лежащий в основе их работы.

В конце концов, если аэрокосмические инженеры смогут выяснить, почему воздух движется с разной скоростью в зависимости от того, с какой стороны крыла оно находится, мы сможем создавать самолеты, которые используют меньше топлива и меньше загрязняют окружающую среду.