Як літають літаки: аерокосмічний інженер пояснює фізику польоту

Професор механічної та аерокосмічної інженерії, Університет Кларксона Крег Меррет у статті для The Conversation детально розповідає про те, чому літаки літають, які фізичні закони це дозволяють і якою є механіка та фізика польоту. 24 Канал переклав цю статтю та публікує її в адаптованому вигляді.

Сила завжди з нами

Існує чотири сили, які аерокосмічні інженери враховують при проєктуванні літака:

• вага,
• тяга,
• опір,
• підйомна сила.

Інженери використовують ці сили, щоб допомогти спроєктувати форму літака, розмір крил і визначити, скільки пасажирів може перевезти літак.

Наприклад, коли літак злітає, сила тяги повинна бути більшою за силу опору, а підйомна сила – більшою за вагу. Якщо ви подивитеся, як злітає літак, то побачите, як крила змінюють форму за допомогою закрилків, розташованих на задній частині крил. Закрилки допомагають створити більшу підйомну силу, але вони також створюють більший опір, тому для створення більшої тяги необхідний потужний двигун.

Коли літак піднявся достатньо високо і прямує до місця призначення, підйомна сила повинна врівноважити вагу, а тяга повинна врівноважити опір. Тому пілот втягує закрилки і може налаштувати двигун на меншу потужність.

Сила, з якою кожен стикається щодня, – це сила тяжіння, яка утримує нас на землі. Коли вас зважують у кабінеті лікаря, насправді вимірюють силу, яку ваше тіло прикладає до ваг. Коли ваша вага вказана у кілограмах, це і є міра сили.

Коли літак летить, сила тяжіння тягне його вниз. Ця сила і є вагою літака.

Але його двигуни штовхають літак вперед, тому що вони створюють силу, яка називається тягою. Двигуни втягують повітря, яке має масу, і швидко виштовхують його з задньої частини – так виникає маса, помножена на прискорення.

Згідно з третім законом Ньютона, на кожну дію існує рівна і протилежна реакція. Коли повітря виривається з задньої частини двигунів, виникає сила реакції, яка штовхає літак вперед – це називається тягою.

Коли літак летить у повітрі, форма літака виштовхує повітря зі свого шляху. Знову ж таки, за третім законом Ньютона, це повітря відштовхується назад, що призводить до лобового опору.

Ви можете відчути щось подібне до лобового опору під час плавання. Гребіть у басейні, і ваші руки та ноги створюють тягу. Перестаньте гребти, і ви продовжите рухатися вперед, тому що у вас є маса, але ви сповільнитеся. Причина уповільнення полягає в тому, що вода тисне на вас – це і є опір.

Як діє підйомна сила

Підйомна сила складніша, ніж інші сили ваги, тяги і опору. Вона створюється крилами літака, і форма крила має вирішальне значення; ця форма відома як повітряне крило. В основному це означає, що верхня і нижня частини крила вигнуті, хоча форми вигинів можуть відрізнятися одна від одної.

Коли повітря обтікає крило, воно створює тиск – силу, розподілену на великій площі. У верхній частині аеродинамічного крила створюється менший тиск, ніж у нижній. Або, якщо подивитися на це по-іншому, повітря рухається швидше над верхньою частиною аеродинамічного крила, ніж під ним.

Розуміння того, чому тиск і швидкість відрізняються у верхній і нижній частинах крила, має вирішальне значення для розуміння підйомної сили. Покращуючи наше розуміння підйомної сили, інженери можуть проектувати більш економні літаки і дарувати пасажирам більш комфортні перельоти.

Загадка повітря

Причина, чому повітря рухається з різною швидкістю навколо крила, залишається загадковою, і вчені досі досліджують це питання.

Аерокосмічні інженери вимірювали цей тиск на крило як в експериментах в аеродинамічній трубі, так і під час польоту. Ми можемо створювати моделі різних крил, щоб передбачити, чи будуть вони добре літати. Ми також можемо змінювати підйомну силу, змінюючи форму крила, щоб створювати літаки, які можуть літати на великі відстані або летіти дуже швидко.

Хоча ми досі до кінця не знаємо, чому виникає підйомна сила, аерокосмічні інженери працюють з математичними рівняннями, які відтворюють різні швидкості у верхній і нижній частинах крила. Ці рівняння описують процес, відомий як циркуляція.

Циркуляція дає аерокосмічним інженерам можливість моделювати те, що відбувається навколо крила, навіть якщо ми не до кінця розуміємо, чому це відбувається. Іншими словами, завдяки використанню математики та науки ми можемо будувати безпечні та ефективні літаки, навіть якщо ми не до кінця розуміємо процес, що лежить в основі їхньої роботи.

Зрештою, якщо аерокосмічні інженери зможуть з'ясувати, чому повітря рухається з різною швидкістю залежно від того, з якого боку крила воно знаходиться, ми зможемо створювати літаки, які використовують менше палива і менше забруднюють навколишнє середовище.