Почему летают птицы. Почему летает самолет

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

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. 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
Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигате

лей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх. Каждый из вас делал, наверное, бумажные самолетики и с силой запускал их. Современный самолет, даже весом в десятки тонн, его крыло должно иметь достаточную площадь. На подъемную силу крыла влияет множество параметров, таких как профиль, площадь, форма крыла в плане, угол атаки, скорость и плотность воздушного потока. Каждый самолет имеет свою минимальную скорость, при которой он может взлетать и лететь, не падая. Так, минимальная скорость современных пассажирских самолетов находится в пределах от 180 до 250 км/ч. Для того чтобы подъемная сила смогла поднять в воздух Именно если такой самолетик с силой бросить вверх, он может далеко полететь, а если пустить слегка — упадет сразу же на землю. Значит, чтобы бумажный самолетик удерживался в воздухе, он должен постоянно двигаться вперед. Большие самолеты двигаются вперед за счет мощных двигателей, вращающих пропеллер. Быстро вращающийся пропеллер выбрасывает за себя огромные массы воздуха, обеспечивая поступательное движение самолета.

Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально.

При создании самолета крылу уделяется огромное внимание, потому что именно от него будет зависеть безопасность выполнения полетов. Глядя в иллюминатор, пассажир замечает, что оно гнется и вот-вот сломается. Не бойтесь, оно выдерживает просто колоссальные нагрузки.
Если откажет двигатель самолета - ничего страшного, самолет долетит на втором. Если отказали оба двигателя

История знает случаи, что и в таких обстоятельствах садились на посадку. Шасси? Ничего не мешает самолету сесть на брюхо, при соблюдении определенных мер пожарной безопасности он даже не загорится. Но самолет никогда не сможет лететь без крыла.

Почему самолеты летают так высоко?

Потому что именно оно создает подъемную силу. Высота полета современных реактивных самолетов находится в пределах от 5000 до 10000 метров над уровнем моря. Это объясняется очень просто: на такой высоте плотность воздуха намного меньше, а, следовательно, меньше и сопротивление воздуха. Самолеты летают на больших высотах, потому что при полете на высоте 10 километров самолет расходует на 80% меньше горючего, чем при полете на высоте в один километр. Однако почему же тогда они не летают еще выше, в верхних слоях атмосферы, где плотность воздуха еще меньше? Дело в том, что для создания необходимой тяги двигателем самолета необходим определенный минимальный запас воздуха. Поэтому у каждого самолета имеется наибольший безопасный предел высоты полета, называемый также «практический потолок». К примеру, практический потолок самолета Ту-154 составляет около 12100 метров.

Почему самолету нужно сжечь все топливо перед посадкой?

Резюмируя, можно сказать, что самолет дожигает топливо для того, чтобы нагрузка на шасси при посадке не превосходила максимальную, в противном случае шасси просто не выдержит.
При проектировании самолета (как гражданского, так и военного, кстати) и в частности его шасси всегда есть такой параметр, как максимальная посадочная масса. Совершенно очевидно, что это максимальная масса, которую выдержит шасси при посадке. Когда самолет готовят к выполнению задания в него заливают столько топлива, что бы долететь до запланированного места посадки + навигационный запас топлива. Когда все штатно, топливо не сливают. Если экипаж принял решение сажать машину, а ее масса превышает максимальную посадочную, то от топлива избавляются. Особенно часто такие ситуации происходят в случае серьезного отказа сразу после взлета. Так же следует заметить, что не все самолеты просто «дожигают» топливо, чтобы «сбросить вес», некоторые оборудованы системой аварийного слива топлива.

Многие боятся упасть вниз с высоты 10 км. Это невозможно из-за сильного давления под крыльями самолета. Он держится на воздухе не хуже, чем машина на шоссе. Его можно поставить на хвост, повернуть вокруг своей оси на 100 градусов, направить вниз — и если отпустить штурвал, то самолет просто будет покачиваться в воздухе, как лодка на волнах.

Чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать силу тяжести за счет подъемной и противостоять силе сопротивления воздуха тягой

Невозможный, согласно математическим расчетам Ньюкома, полет современных лайнеров можно объяснить простым опытом. Для него понадобятся 2 одинаковые банки, пара похожих мух и весы. На одну чашу ставят емкость с насекомым, которое неподвижно сидит на дне. На другой оказывается банка с постоянно летающей мухой.

По логике, первая чаша должна перевесить фактически пустую вторую емкость. Но на деле обе части мерила окажутся в балансе. Летающая муха поднимается в воздух за счет направленного вниз потока импульса, добавляя банке несколько граммов и уравновешивая силу тяжести.

В случае с самолетом принцип в общих чертах похож, только организовано все гораздо сложнее. Летят аппараты благодаря подъемной силе (ПС), возникающей при взаимодействии потоков воздуха и крыла с аэродинамической формой. Последние располагаются под углом. Острием они рассекают поток на направленный вниз и «набегающий», из-за чего под крылом образуется область высокого давления, а над ним - низкого. Разница в итоге и порождает подъемную силу.

Но чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать не только силу тяжести за счет подъемной, но и противостоять силе сопротивления воздуха тягой. В отличие от насекомых, судно не способно набрать нужные скорость и высоту с помощью взмахов крылышками. «Стать на воздух» самолет сможет на определенной скорости, набрать которую помогают двигатели.

Наглядное объяснение того, как и почему летают самолеты. Какую роль в передвижении по воздуху играют крыло, двигатель и другие части конструкции.

Скорость взлета и движения на эшелоне

Скорость (V) передвижения у лайнеров непостоянна - на подъеме необходима одна, а в полете другая.

1. Взлет фактически начинается с момента движения судна по полосе. Аппарат разгоняется, набирает необходимый для отрыва от полотна темп и только тогда, благодаря увеличению подъемной силы, взмывает вверх. Необходимая для отрыва V прописана в руководстве к каждой модели и общих инструкциях. Моторы в этот момент работают на полную, дают огромную нагрузку на машину, отчего процесс считается одним из самых сложных и опасных.
2. Чтобы зафиксироваться в пространстве и занять выделенный эшелон, необходимо достичь уже другой скорости. Полет в горизонтальной плоскости возможен только в том случае, если ПС компенсирует притяжение Земли.

Показатели скорости, с которой летательный аппарат способен подняться в воздух и задержаться там на определенное время, назвать трудно. Зависят они от характеристик конкретной машины и окружающих условий. У небольшого одномоторного V логично будет ниже, чем у гигантского пассажирского судна - чем крупнее аппарат, тем быстрее ему приходится двигаться.

Для «Боинга» 747-300 это примерно 250 километров в час, если плотность воздуха составит 1,2 килограмма на кубический метр. У Cessna 172 - примерно 100. Як-40 отрывается от полотна на 180 км/ч, Ту154М - на 210. Для Ил 96 показатель в среднем достигает 250, а у Airbus A380 - 268.

Из независимых от модели аппарата условий при определении числа опираются на:

• направление и силу ветра - встречный помогает, подталкивая нос вверх
• наличие осадков и влажность воздуха - могут осложнять или способствовать разгону
• человеческий фактор - после оценки всех параметров решение принимает пилот

Скорость, характерную для эшелона, в технических характеристиках обозначают как «крейсерская» - это 80% от максимальных возможностей машины

Скорость на самом эшелоне также зависит непосредственно от модели судна. В технических характеристиках ее обозначают как «крейсерская» - это 80% от максимальных возможностей машины. Первый пассажирский «Илья Муромец» разгонялся всего до 105 километров в час. Сейчас же число среднем в 7 раз больше.

Если летите на Airbus A220, показатель находится на уровне 870 км/ч. А310 передвигается обычно со скоростью 860 километров в час, А320 - 840, А330 - 871, А340-500 - 881, А350 - 903, а гигант А380 - 900. У «Боингов» примерно так же. Boeing 717 летает на крейсерской в 810 километров в час. Массовый 737 - на 817-852 в зависимости от поколения, дальнемагистральный 747 - 950, 757 - на 850 км/ч, первый трансатлантический 767 - 851, Triple Seven - 905, а реактивный пассажирский 787 - 902. По слухам, компания занимается разработкой лайнера для гражданской авиации, который будет доставлять людей из одной точки в другую на V=5000. Но пока в топ самых быстрых в мире входят исключительно военные:

• американский сверхзвуковой F-4 Phantom II пусть и уступил место более современным, но все еще входит в десятку с показателем в 2370 километров в час
• одномоторный истребитель Convair F-106 Delta Dart с 2450 км/ч
• боевой МиГ-31 - 2993
• экспериментальный Е-152, чья конструкция легла в основу МиГ-25 - 3030
• прототип XB-70 Valkyrie - 3 308
• исследовательский Bell X-2 Starbuster - 3 370
• МиГ-25 способен достичь 3492, но остановиться на этой отметке и не повредить двигатель невозможно
• SR-71 Blackbird - 3540
• мировой лидер X-15 с ракетным двигателем - 7 274

Возможно, и гражданские суда когда-нибудь смогут достигнуть этих показателей. Но точно не ближайшее время, пока главным фактором в вопросе остается безопасность пассажиров.

4 детали авиалайнера, от которых зависят летные качества

Летающие машины отличаются от обычных очень сложными конструкциями, предусматривающими каждую мелочь. И кроме очевидных деталей, на возможности и характеристики передвижения влияют и другие части - всего собрали 4 основных.

1. Крыло. Если при отказе двигателя можно долететь до ближайшего аэродрома на втором, а при неполадках сразу в двух - приземлиться с опытом пилота, без крыла от пункта отправления не отдалишься. Не будет его - не будет необходимой подъемной силы. В единственном числе о крыле говорят не случайно. Вопреки распространенному мнению, оно у самолета одно. Этим понятием обозначают всю плоскость, расходящуюся в обе стороны от борта.

Поскольку это главная деталь, отвечающая за нахождение в воздухе, ее конструкции уделяется очень много внимания. Форму строят по точным расчетам, выверяют и испытывают. Кроме того, крыло способно выдерживать огромные нагрузки, чтобы не ставить под угрозу главное - безопасность людей.

2. Закрылки и предкрылки. Большее количество времени крыло самолета имеет обтекаемую форму, но на взлете и посадке на нем появляются дополнительные поверхности. Выпускаются закрылки и предкрылки для того, чтобы увеличить площадь и справиться с действующими на аппарат силами во время серьезных нагрузок в начале и конце пути. При приземлении тормозят лайнер, не позволяют ему упасть слишком быстро, а на подъеме помогают удержаться в воздухе.

3. Спойлеры. Появляются на верхней части крыла в моменты, когда требуется уменьшить ПС. Играют роль своеобразного тормоза. Эта и детали из предыдущего пункта представляют собой механизацию, которой пилоты управляют вручную.

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

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

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?

На какой высоте летают истребители

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.

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.