Принято считать, что тяжелые самолеты могут летать благодаря закону Бернулли, но это лишь часть истории.
Я всегда поражаюсь, когда вижу этот гигантский двухэтажный самолет Airbus-380. Я задаю себе вопрос - как на Земле им удается оторвать его от земли? Он весит почти 600 тонн, как небольшой корабль, и все же он летает.
Как он летает? Ответ на этот вопрос довольно сложен, но он связан с известным третьим законом движения Ньютона: "На каждое действие существует противоположная, но равная реакция".
Важно понимать, что воздух имеет вес. Впервые это было обнаружено в 1640 году физиком Эванджелистой Торричелли. Верно, воздух имеет вес, даже если он невидим. На уровне моря кубический метр воздуха весит около 1,25 килограмма.
Это относится и к нашему 600-тонному пассажирскому самолету, летящему со скоростью 900 километров в час на высоте около 18 километров.
Во-первых, самолет движется вперед, потому что он толкает воздух назад от своих четырех реактивных двигателей. Эти силы находятся в равновесии, потому что он движется с постоянной скоростью 900 км/ч.
Во-вторых, самолет находится на высоте 18 километров, потому что он толкает воздух вниз.
Представьте себе маленький самолет, например, одномоторный четырехместный Цессна-172. Он весит чуть больше тонны. Когда он летит со скоростью 220 километров в час, его крылья выталкивают вертикально вниз около пяти тонн воздуха каждую секунду.
Это возвращает нас к третьему закону Ньютона: "На каждое действие существует равная, но противоположная реакция".
Одно из распространенных (но немного неверных) объяснений полета связано с законом Бернулли. Это объяснение утверждает, что воздух разделяется при ударе о переднюю часть крыла, а затем снова встречается в задней части крыла. В нем также говорится, что поскольку крыло имеет плоскую нижнюю поверхность и изогнутую верхнюю поверхность, расстояние, которое должен пройти воздух, немного больше на верхней поверхности. Отсюда следует, что поскольку воздух сверху должен пройти большее расстояние, чтобы снова встретиться с воздухом в задней части крыла, он должен двигаться быстрее. Звучит разумно.
А закон Бернулли говорит нам, что если пакет или обтекаемая линия движущегося воздуха движется быстрее, то давление падает. Поэтому, поскольку на верхней поверхности крыла давление ниже, а под ним - выше, крыло поднимается вверх, увлекая за собой самолет.
В этом объяснении есть несколько проблем.
Во-первых, откуда воздух "знает", что он должен снова встретиться в задней части крыла?
Во-вторых, испытания в аэродинамической трубе показывают, что он не встречается. На самом деле, воздух в верхней части крыла движется гораздо быстрее и первым достигает задней части крыла.
В-третьих, это объяснение полностью игнорирует вязкость (или сопротивление потоку) воздуха. Но вы можете обойти это, применив причудливую физику, называемую условием Кутта-Джоуковского.
И, в-четвертых, если Бернулли - единственное объяснение, то как самолет летит вверх тормашками?
Оказывается, Бернулли - это незначительная часть объяснения полета, но основная часть - это угол атаки.
Представьте, что вы находитесь в бассейне и перемещаете по воде лопатку для настольного тенниса по горизонтали - сначала по краю. Весло движется горизонтально. Теперь наклоните весло немного вверх в передней части. Когда вы двигаете его по воде, весло пытается подняться к поверхности. Да, снова третий закон Ньютона.
Поэтому на больших дальнемагистральных пассажирских самолетах крылья прикреплены к длинному корпусу (или фюзеляжу) под углом примерно 5-10 градусов, наклоненным вверх передней частью. Это означает, что в то время как крылья наклонены вверх, корпус летит прямо по воздуху, как горизонтальный карандаш.
Большим преимуществом горизонтального корпуса является то, что самолет получает максимальную экономию топлива, поскольку сопротивление ветра меньше. И еще одно преимущество - когда бортпроводники толкают тяжелые тележки с едой по проходам, им не приходится толкать их в гору…
