Как самолет держится в воздухе?

Почему самолёты летают, а не падают?

Наверняка каждый из нас задумывался: почему такая многотонная махина из металла так легко и грациозно поднимается в воздух? Сегодня мы разберемся в этом вопросе.

Самолеты очень разные: одни из них весят чуть больше тонны, взлетная масса других – 600 тонн (АН-225 “Мрия”). Однако есть вещи, которые объединяют их, например, законы физики.

Абсолютно все летательные аппараты подчиняются законам физики – самолёты, вертолеты, планеры, монопланы, парапланы и т.д. Словосочетание “подъемная сила” известно каждому, однако не все могут дать вменяемый ответ на вопрос “что такое подъемная сила?”. Давайте разберемся в этом вопросе.

Думаю, ни для кого не секрет, что самолет летает с помощью крыльев. Они спроектированы так, что почти всегда нижняя часть крыла плоская, а верхняя – выпуклая. Такое техническое решение позволяет создать ту самую “подъемную силу”: поток воздуха, походящий под крылом, не меняет свою структуру, однако в этот момент, поток воздуха, проходя над крылом, сужается, увеличивая скорость.
Чему нас учили на уроках физике в школе? Например, закону Бернулли, который гласит, что чем выше скорость потока, тем ниже давление. Благодаря этому давление над крылом ниже, чем давление под крылом.

При всем этом возникает сила, которая как бы “выдавливает” крыло, тем самым поднимая его вверх. В момент, когда подъемная сила становится больше веса, происходит взлет. А что будет при сравнивании подъемной силы и веса? Правильно – горизонтальный полет, скорость которого обеспечивается за счет тяги двигателя.

Грубо говоря, руководствуясь данными законами, в воздух можно поднять объект любой формы, лишь бы была подъемная сила.

Почему летают вертолеты?

Если с самолётами все понятно, то как быть с вертолетами, ведь у них нет крыльев?
В данном случае, роль крыла берут на себя несущие лопасти винта, поскольку они также обладают аэродинамическим профилем. Винт, вращаясь на высоких скоростях, создает подъемную силу, которая способна не только поднять вверх, но и двигать вертолет в горизонтальной плоскости. Для этого, конструкторами предусмотрено наклонение винта, заставляющее вертолет лететь вперед/назад.

Кстати, принцип работы вертолетов схож с принципом работы самолетов с винтовыми двигателями. Однако в последних нет возможность наклонять винт – он постоянно находится под прямым углом (если сравнивать с вертолетом). Подъемная сила здесь обеспечивается за счет крыльев, а сила тяги – за счет винтов.

Надеемся, что теперь вы знаете почему самолеты летают, а не падают 🙂

Как и почему летают самолеты?

Самолет относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха. Это означает, что для его полета нужны определенные условия, сочетание точно рассчитанных факторов. Полет самолета – это результат действия подъемной силы, которая возникает при движении потоков воздуха навстречу крылу. Оно повернуто под точно рассчитанным углом и имеет аэродинамическую форму, благодаря которой при определенной скорости начинает стремиться вверх, как говорят летчики – “становится на воздух”.

Разгоняют самолет и поддерживают его скорость двигатели. Реактивные толкают самолет вперед за счет сгорания керосина и потока газов, вырывающихся из сопла с большой силой. Винтовые двигатели “тянут” самолет за собой.

Как возникает подъемная сила?

Крыло современных самолетов является статичной конструкцией и само по себе не может самостоятельно создавать подъемную силу. Возможность поднять многотонную машину в воздух возникает только после поступательного движения (разгона) летательного аппарата с помощью силовой установки. В этом случае крыло, поставленное под острым углом к направлению воздушного потока, создает различное давление: над железной пластиной оно будет меньше, а снизу изделия – больше. Именно разность давлений приводит к возникновению аэродинамической силы, способствующей набору высоты.

Подъемная сила самолетов состоит из следующих факторов:

1. Угла атаки
2. Несимметричного профиля крыла

Наклон металлической пластины (крыла) к воздушному потоку принято называть углом атаки. Обычно при подъеме самолета упомянутое значение не превышает 3-5°, чего достаточно для взлета большинства моделей самолетов. Дело в том, что конструкция крыльев с момента создания первого летательного аппарата претерпела серьезные изменения и сегодня представляет собой несимметричный профиль с более выпуклым верхним листом металла. Нижний лист изделия характеризуется ровной поверхностью для практически беспрепятственного прохождения воздушных потоков.

Схематично процесс образования подъемной силы выглядит так: верхним струйкам воздуха нужно пройти больший путь (из-за выпуклой формы крыла), чем нижним, при этом количество воздуха за пластиной должно остаться одинаковым. В результате верхние струйки будут двигаться быстрее, создавая согласно уравнению Бернулли область пониженного давления. Непосредственно различие в давлении над и под крылом вкупе с работой двигателей помогает самолету набрать требуемую высоту. Следует помнить, что значение угла атаки не должно превышать критической отметки, иначе подъемная сила упадет.

Как управляют самолетом?

Крыла и двигателей недостаточно для управляемого, безопасного и комфортного полета. Самолетом нужно управлять, при этом точность управления более всего нужна во время посадки. Летчики называют посадку управляемым падением – скорость самолета снижается так, что он начинает терять высоту. При определенной скорости это падение может быть очень плавным, приводящим к мягкому касанию колесами шасси полосы.

Управление самолетом совершенно не похоже на управление автомобилем. Штурвал пилота предназначен для отклонения вверх и вниз и создания крена. “На себя” – это набор высоты. “От себя” – это снижение, пикирование. Для того, чтобы повернуть, изменить курс, нужно нажать на одну из педалей и штурвалом наклонить самолет в сторону поворота… Кстати, на языке пилотов это называется “разворот” или “вираж”.

Для разворота и стабилизации полета в хвосте самолета расположен вертикальный киль. А находящиеся под ним и над ним небольшие “крылья” – это горизонтальные стабилизаторы, которые не позволяют огромной машине бесконтрольно подниматься и опускаться. На стабилизаторах для управления имеются подвижные плоскости – рули высоты.

Как и почему взлетает самолет?

Взлетающий самолёт способен подняться в воздух только при достижении определенной скорости. Она отличается от максимальной и крейсерской. Существуют модели летательных аппаратов, которые могут набирать разгон всего за несколько секунд.

Если говорить о пассажирских авиалайнерах, то ситуация немного иная. По нескольку самолетов в день взлетает в среднестатистическом небольшом аэропорту. Обычно это разные модели, с разными техническими характеристиками. Речь пойдет о типичных авиалайнерах для перевозки пассажиров и грузов, а не об экспериментальной авиации.

Почему самолет поднимается в воздух — суть принципа

Понятно, что самолету для взлета нужно приобрести скорость. Подъемная сила зависит от следующих основных факторов:

• формы крыльев летательного аппарата;
• мощности двигателя;
• угла атаки крыла;
• скорости набегающего потока;
• плотности воздуха (может меняться от температуры).

Классическое крыло снизу плоское, прямое, а сверху слегка выпуклое и объёмное. Это создает разницу давлений, из-за чего лайнер и поднимается в воздух. Чтобы взлететь, машине необходимо компенсировать силу тяжести за счёт подъемной, противопоставив ее сопротивлению воздуха. Достичь этого можно также благодаря увеличению скорости набегающего потока, т.е. разгону самолета.

Набегающий поток обтекает крыло сверху и снизу. Воздуху приходится преодолевать большее расстояние над крылом, чем под ним. Таким образом молекулы воздуха под крылом располагаются плотнее. Из-за этого образуется разница давлений и появляется подъемная сила. Чем сильнее набегающий поток – тем больше подъемная сила. Крыло расположено к фюзеляжу под углом, что так же облегчает взлет.

Виды взлета

Классификация в зависимости от взлета самолета:

1. Классический набор скорости. Разгон подразумевает движение по взлетной полосе и постепенный набор скорости.
2. С тормозов. Метод чаще всего применяется при недостаточной протяженности взлетной полосы. Самолет стоит на тормозах, пока работают двигатели, и выходит на необходимый режим тяги.
3. Вертикальный взлет. Возможно осуществить только при наличии у судна специальных двигателей. Речь идет не о пассажирских самолетах, а о некоторых моделях военной авиации.
4. С помощью дополнительных средств. Здесь подразумеваются взлетные трамплины и катапульты. Не используются в гражданской авиации. Трамплины и катапульты компенсируют недостаточную протяженность взлетной полосы, так как благодаря ему судно набирает тягу в считанные секунды.

Логично, что в любом аэропорту есть взлетная полоса, при помощи которой самолёт разгоняется и взлетает. Второй метод практикуется реже, а последние два — в гражданской авиации не используют. Вертикальный взлет и разгон при помощи трамплина или катапульты — это то, что актуально исключительно для военной авиации.

Скорость взлета и другие параметры

Максимальная взлетная масса либо максимальный взлетный вес — это масса самолета, при которой он способен взлететь с соблюдением всех правил безопасности. Требования безопасности подразумевают много различных факторов. Например, взлётно-посадочная полоса должна достигать определенной длины. В худшем случае самолет не успеет набрать необходимую скорость, что приведет к аварии.

Важно учесть, что в приземном слое воздуха давление выше из-за так называемого экранного эффекта — резкого увеличения подъемной силы крыльев вблизи поверхности. Соответственно, с удаленностью от земли она начинает падать. Вследствие этого должен быть обеспечен необходимый запас подъемной силы, с учётом ускорения самолета при взлёте.

Взлетная скорость в среднем равна 180–270 км/ час. Конкретная цифра зависит от модели самолёта, его массы, формы и размера крыльев. Влияют и внешние факторы: погодные условия, протяженность и состояние взлётно-посадочной полосы. Наличие осадков создает большее сопротивление воздуха, к тому же они часто сопровождаются сильным ветром. Средняя скорость взлёта для типичного гражданского авиалайнера около 250 км/час.

Скорость взлета типовых самолетов

Типовые пассажирские самолёты, которые взлетают со средней скоростью, бывают разными. Их показатели варьируются, например:

• Airbus A380 – 269 км/ч;
• Ту 154М – 210 км/ч;
• Ил 96 – 250 км/ч;
• Як 40 – 180 км/ч;
• Boeing 747 – 270 км/ч.

Указанная в примере скорость не всегда соответствует показателям на практике. Иногда ее недостаточно, например, в случае выпадения сильных осадков, попутного ветра. А вот в случае встречного ветра и низких температур (чем ниже температура, тем выше плотность воздуха) достаточно меньшей скорости.

Современные сверхманевренные самолёты разгоняются за считанные секунды. Это стало возможным за счет усовершенствованного двигателя и продуманной конструкции корпуса. Но военная техника хоть и обладает таким же принципом действия, работает иначе. У истребителей другой вес, конструкция крыльев, длинна и величина фюзеляжа.

Важно понимать разницу между максимальной и крейсерской скоростью летательных аппаратов. Если с первой все ясно, то определение второй вызывает массу вопросов. Крейсерская скорость — та, что выгодна для судна в полёте при минимальном расходе топлива.

В среднем она составляет около 60–80% от максимальной. Говоря другими словами, в авиации – это скорость горизонтального полёта, при которой самолет совершает рейсы по маршрутам. При взлете разгон меньше, взлетая, аппарат подходит к необходимому для него максимуму. На предельной либо максимальной скорости самолет летит крайне редко.

Как происходит взлет

Разгон самолёта при взлете зависит и от других его характеристик. На работу летательного аппарата влияет наличие:

1. Закрылков и предкрылков. От крыла зависит то, сможет ли судно подняться в воздух. У большинства самолетов крыло одно (хоть и распространено мнение, что их два), проходящее через всю машину. Существуют предкрылки и закрылки, которые отчетливо видны при взлете. Они помогают судну удержаться в воздухе, особенно на этапе взлета.
2. Спойлеры. Так называются элементы, которыми пилот управляет вручную. Они также прикреплены к крылу, и являются своеобразным тормозом. Ими оснащаются не все воздушные судна, а только те, где подъемная сила образуется на неподвижном крыле. Речь идет как раз о крупных самолетах вроде пассажирских либо грузовых. Спойлеры используются для того, чтобы правильно приземлиться, а также для коррекции траектории взлета самолета.
3. Двигатель. Взлет происходит благодаря двигателям. Одни тянут судно за собой, а другие выталкивают вперед. Движение по воздуху возможно даже в случае частичного отказа одного из двигателей либо полной его поломки. Есть примеры, когда самолет смог преодолеть большое расстояние и приземлится только на одном, так как второй полностью вышел из строя.

Завершением взлета считается момент, когда воздушное судно выходит на высоту перехода. Этот момент означает переход от полета по реальной высоте относительно уровня ВПП или уровня моря к полету по условной высоте (эшелону).

В экстренных случаях пилот способен взлетать, увеличивая подъемную силу искусственно. Манёвр сам по себе крайне опасный и чреват потерей управления, поэтому он применяется только в неординарных ситуациях, когда другого выхода просто нет.

Что касается посадки, то она происходит аналогично. Торможение происходит за счет закрылков, из-за чего воздушное судно начинает двигаться медленнее, но с увеличенной подъемной силой и постепенно садится на землю.

Длина разбега при взлете – от 100 метров. Минимальной протяженностью взлетно-посадочной полосы считается 300 метров. Если сделать ее меньше, то велика вероятность аварии. Поэтому в целях безопасности линию разгона делают больше, чем необходимо. В крупных аэропортах она еще длиннее и может достигать нескольких километров.

Какую скорость развивает самолет при взлете? Как правило, от 200 до 800 км/час. Точнее вычислить невозможно, так как показатели меняются ежесекундно, отклоняясь от заданных параметров. Конкретный ответ возможен с учетом модели летательного аппарата, погодных условий в момент начала полёта и некоторых других факторов, описанных выше.

Источники:

http://zen.yandex.ru/media/id/5ac3899adb0cd9cb1a08936c/5af3ed2e77d0e68768698be8
http://kipmu.ru/kak-letayut-samolety/
http://samoletos.ru/poleznoe/vzlet-samoleta