Почему летает самолёт? По воздуху.

Ответ тупой, но тем не менее правдивый, ведь именно воздух держит самолёт. Правда, до того, чтобы этим пользоваться, люди дошли не сразу, хоть и очень хотелось.

Первые упоминания механических птиц попадаются ещё до нашей эры (Архит Тарентский), а Леонардо да Винчи оставил нам вполне рабочие чертежи планеров и даже геликоптера (штука, похожая на вертолет). Постепенно количество знаний и опыта росло, появлялись вполне хорошие планеры, а в 1783 году уже и воздушный шар братьев Монгольфье полетел, но все это было не то. Воздушные шары хоть и имели хороший потенциал, но из них не получалось извлечь достаточно практической пользы, чтобы широкая общественность заинтересовалась ими. А век коммерческого использования дирижаблей завершился довольно скоро катастрофой Гинденбурга в 1937 году.

Но время шло, и уже в 1880 году Можайский запатентовал свой “воздухоплавательный снаряд”, имевший все основные элементы компоновки современного самолёта. Для своего времени это было чудо инженерной мысли, но без содействия внешних факторов взлететь он все ещё не мог. Все изменили знаменитые братья Райт, 17.12.1903 поднявшие в воздух собранный ими самолёт.

Они почти наугад нашли два важнейших конструкторских решения, которые используются до сих пор. Первым решением был принцип управления самолётом в воздухе. Это те самые руль высоты, руль направления и элероны, которые и сейчас в том или ином виде есть на всех самолётах. А вторым решением было крыло. А точнее, его профиль, который впервые не был плоским.

А перед тем, как читать дальше, небольшое предупреждение: никогда, слышите, НИКОГДА не лезьте в аэродинамику без серьезной теоретической подготовки. Уровень происходящего в воздухе математического кошмара экспоненциально зависит от скорости, и даже самолётов времён Первой Мировой хватит, чтобы перегреть мозги неподготовленного, а чем ближе к скорости звука, тем слышнее загадочный шепот, манящий вас заглянуть ещё чуть глубже в эту бездну. Вознесите молитву Богу-Императору и продолжим.

Попробуем провести один из самых известных опытов для детей: взять фен, направить струю воздуха вверх и положить на струю мячик для пинг-понга. Вуаля – мячик летает в струе и при этом держится ближе к центру струи, и даже если его толкнуть, он вернётся в центр. Вы только что посмотрели, как работает закон Бернулли: в движущемся газе или жидкости давление уменьшается с ростом скорости. В центре струи скорость воздуха наибольшая, а давление наименьшее.

А теперь представьте себе форму капли, положенную на бок и выпрямленную снизу. Если не получается, посмотрите на эмблему ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт, колыбель всей русской авиации и просто шикарное место, заслуживающее отдельного рассказа). Именно так выглядит простейший дозвуковой профиль крыла, то есть тот вид, когда вы смотрите на крыло как бы сбоку, в разрезе. Передняя часть закругленная, задняя заострённая, верхняя выпуклая, нижняя плоская.

Когда воздух обтекает крыло, под нижней частью он проходит свободно, почти не меняя скорости. А вот верхнюю выпуклую часть воздуху приходится огибать, он ускоряется и давление в нем падает. Теперь вспоминаем закон Бернулли. Получается, воздух как бы толкает крыло снизу. Осталось разогнаться до той скорости, когда давление воздуха снизу превысит вес самолёта, и можно взлетать. В первом и самом простом приближении (помните предупреждение выше?) так и летает самолёт. По воздуху.

Небольшое дополнение для тех, кого аэродинамика (пока что) не пугает. Закон Бернулли является скорее очень наглядной иллюстрацией реального принципа полета. Разница давлений, создающая подъемную силу крыла, возникает несколько иным образом, но это уже требует погружения в учебники.

Это было самое начало, все намного сложнее. Величина подъемной силы зависит от положения самолёта по отношению к потоку (здравствуйте, углы Эйлера), за скоростью звука и на критических режимах начинается обитель Хаоса, где привычные законы уже не работают, а над моделированием обтекания лопастей вертолета работают целые лаборатории. Аэродинамика необъятна, и вы только что к ней слегка прикоснулись.

Рисунки:
1. Чертежи летательных аппаратов Леонардо да Винчи
2. Конец эпохи дирижаблей (горящий Гиденбург)
3. Модель самолёта Можайского, фото из Демонстрационного центра ЦАГИ
4. Начало эры самолётов (самолёт братьев Райт)
5. Эмблема ЦАГИ
6. Сверху: обтекание профиля крыла. Заштрихованные области показывают слой, где влияет вязкость воздуха
Снизу: распределение давлений по профилю, штриховая линия – идеальный газ, сплошная линия – реальный вязкий воздух. Видно разрежение воздуха над профилем