Boeing 747 имеет максимальную взлётную массу около 400 тонн — примерно столько же, сколько 200 легковых автомобилей. Тем не менее физика полёта устроена так, что эта машина уверенно держится в воздухе на высоте 10 километров. Давай разберёмся, как это устроено.
Четыре силы, которые решают всё
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
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.
Как устроено крыло самолёта
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
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.
Закон Бернулли и третий закон Ньютона
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.
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.
От чего зависит подъёмная сила
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
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.
Что происходит при взлёте и посадке
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.
Что будет, если откажут двигатели
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.
Заключение
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.
