Почему самолёт летает: физика подъёмной силы простыми словами

Полёт — результат взаимодействия сразу четырёх сил. На любой самолёт в воздухе действуют подъёмная сила, вес, тяга и сопротивление. Именно соотношение этих четырёх величин определяет, набирает ли машина высоту, летит горизонтально или идёт на снижение.

Подъёмная сила против веса

Подъёмная сила направлена перпендикулярно набегающему потоку воздуха, обтекающему крыло. В горизонтальном крейсерском полёте направление потока совпадает с направлением движения самолёта, поэтому подъём в этом случае можно упрощённо считать направленным строго вверх относительно траектории. Но при наборе высоты или снижении, когда нос самолёта наклонён, эти направления уже не совпадают — и здесь важно различать вектор движения и вектор набегающего потока.

Вес действует в противоположном направлении: гравитация тянет машину к земле. В горизонтальном крейсерском полёте подъёмная сила и вес уравновешены.

Чтобы самолёт оторвался от земли, подъёмная сила должна превысить вес. Именно поэтому воздушное судно разгоняется по взлётной полосе: скорость влияет на величину подъёма. Чем выше скорость полёта, тем интенсивнее воздушный поток взаимодействует с крылом, а подъёмная сила возрастает.

Тяга против сопротивления

Тяга — это сила, которую создают реактивные двигатели, разгоняя самолёт вперёд. Ей противостоит сопротивление воздуха: среда буквально тормозит машину. В прямолинейном горизонтальном полёте тяга равна сопротивлению — скорость остаётся постоянной. Как только пилот увеличивает тягу, самолёт ускоряется, скорость набегающего воздушного потока увеличивается и подъёмная сила растёт.

Сопротивление воздуха зависит от формы фюзеляжа, угла атаки крыльев и скорости полёта. Именно поэтому современные лайнеры имеют вытянутый обтекаемый корпус: инженеры сводят лобовое сопротивление к минимуму, чтобы двигателям требовалось меньше топлива для поддержания нужной скорости.

Крыло — главный элемент аэродинамики. Его особая форма называется аэрофойл, или профиль крыла: у классических пассажирских самолётов верхняя поверхность обычно более выпуклая, а нижняя — относительно плоская или слегка выпуклая. Такая геометрия способствует тому, что воздушный поток над крылом движется быстрее, чем под ним, что влияет на давление с обеих сторон.

Профиль крыла и скорость воздуха

Когда воздух встречает крыло, он огибает его сверху и снизу. Над более выпуклой поверхностью профиль крыла создаёт такие условия, при которых поток ускоряется. Согласно принципу Бернулли, рост скорости потока сопровождается падением давления — над крылом давление оказывается ниже, чем под ним. Эта разность давлений создаёт силу, толкающую крыло вверх. При этом обе поверхности — верхняя и нижняя — участвуют в отклонении воздушного потока и вносят вклад в суммарный подъём.

Профиль крыла задаёт условия для работы аэродинамики, но реальный подъём определяется совокупностью факторов: скоростью, плотностью воздуха и углом, под которым крыло встречает поток.

Угол атаки: как наклон меняет подъём

Угол атаки — это угол между плоскостью крыла и направлением набегающего воздушного потока. Чем больше этот угол, тем сильнее крыло отклоняет воздух вниз и тем выше подъёмная сила. Именно поэтому при взлёте нос самолёта задирается вверх: пилот увеличивает угол атаки, чтобы получить дополнительный подъём на относительно небольшой скорости.

У угла атаки есть предел. Если наклонить крыло слишком круто, воздушный поток начинает отрываться от поверхности крыла, из-за чего подъёмная сила резко уменьшается. Это явление называют срывом потока. Системы управления современных самолётов автоматически предупреждают об опасном угле атаки, а пилоты проходят специальную подготовку, чтобы не допускать такого режима.

Применительно к крылу закон Бернулли работает так: воздух над выпуклой поверхностью движется быстрее — давление там ниже. Под крылом поток медленнее — давление выше. Разность давлений создаёт силу, направленную вверх. Причём потоки сверху и снизу движутся с разной скоростью и достигают задней кромки в разное время.

Более точное и универсальное объяснение строится на третьем законе Ньютона. Крыло отклоняет воздушный поток вниз — это действие. Реакция на него направлена вверх и действует на само крыло. Чем больше воздуха отклоняется и чем быстрее это происходит, тем сильнее подъёмная сила.

Симметричные крылья — у которых верхняя и нижняя поверхности одинаковы — тоже создают подъём при правильном угле атаки. Самолёты для высшего пилотажа специально оснащаются симметричными профилями крыла: это позволяет им одинаково эффективно лететь как в нормальном, так и в перевёрнутом положении. При этом даже стандартное несимметричное крыло способно генерировать подъём в перевёрнутом полёте, хотя и требует для этого значительно большего угла атаки.

Подъёмная сила меняется вместе с условиями полёта, и пилот управляет ею постоянно.

Скорость и подъёмная сила

При росте скорости воздушного потока разность давлений увеличивается и крыло получает больший подъём. Именно поэтому самолёт разгоняется перед взлётом: нужно набрать скорость, достаточную для того, чтобы подъёмная сила превысила массу машины.

Обратная ситуация возникает при посадке. Скорость снижается, а вместе с ней уменьшается и подъём. Чтобы компенсировать это, пилот увеличивает угол атаки и выпускает закрылки — подвижные секции на задней кромке крыла. Закрылки увеличивают площадь и кривизну крыла, что позволяет сохранять достаточный коэффициент подъёмной силы даже на малой скорости.

Плотность воздуха на большой высоте

Чем плотнее воздух, тем больше молекул обтекает крыло за единицу времени и тем сильнее подъём. На высоте 10–12 километров, где обычно крейсируют пассажирские лайнеры, воздух значительно разрежен по сравнению с уровнем моря.

Чтобы поддерживать необходимую подъёмную силу в разрежённой атмосфере, самолёт должен лететь быстрее, чем у земли. Это одна из причин, по которым крейсерская скорость большинства современных широкофюзеляжных лайнеров на большой высоте обычно составляет порядка 850–900 километров в час, хотя точное значение зависит от конкретной модели самолёта и условий полёта.

При взлёте все четыре силы работают в динамике. Реактивный двигатель создаёт тягу, самолёт разгоняется, сопротивление воздуха растёт, но тяга остаётся достаточной для дальнейшего разгона. Когда скорость достигает нужного значения, подъёмная сила превышает вес — и машина отрывается от земли.

При посадке процесс обратный: скорость снижается, коэффициент подъёмной силы поддерживается за счёт закрылков и угла атаки, пока шасси не коснётся полосы. На каждом этапе пилот управляет балансом тех же четырёх сил — просто в разных пропорциях.

Тяга двигателя удерживает баланс с сопротивлением воздуха. Если тяга исчезает, самолёт начинает терять скорость и постепенно снижаться. Однако подъёмная сила сохраняется до тех пор, пока есть скорость, — а значит, воздушное судно способно планировать.

Аэродинамическое качество (соотношение пройденного горизонтального расстояния к потере высоты) у большинства современных пассажирских лайнеров ориентировочно составляет 15:1–20:1 в зависимости от модели и конфигурации — этого обычно достаточно, чтобы пилоты могли выполнить планирующий заход к подходящему аэродрому или месту вынужденной посадки. Планёры, у которых двигателя нет вовсе, летают именно на этих принципах аэродинамики — каждый полёт.

Полёт самолёта — наглядный пример работы законов физики. Подъёмная сила — результат взаимодействия формы крыла, скорости воздушного потока и угла атаки. Запусти бумажный самолётик: он работает по тем же принципам аэродинамики, что и стотонный лайнер — те же четыре силы, тот же баланс между подъёмом и весом.