Двести тонн, которые не падают
Ты стоишь у окна аэропорта. По полосе разгоняется самолёт: длиной с девятиэтажный дом, весом в двести с лишним тонн — это как сорок слонов. Он поднимает нос и уходит вверх.
Под ним нет ничего, кроме воздуха. Воздух ты не видишь и почти не чувствуешь. Как на нём может держаться такая махина?
Сейчас будет честный ответ. Но сначала придётся разобрать одно очень популярное объяснение, которое до сих пор печатают в учебниках и рассказывают в мультиках. Оно, к сожалению, неверное.
История, которая не работает
Звучит она так. Крыло сверху выпуклое, а снизу плоское. Поток воздуха у передней кромки разделяется надвое, и обе половинки «должны встретиться» у задней кромки одновременно. Но сверху путь длиннее, значит, верхняя половинка вынуждена лететь быстрее. А быстрый поток давит слабее — вот крыло и подсасывает вверх.
Красиво. И неправда.
Проблема в самой середине рассуждения: никто и ничто не заставляет две струйки воздуха встретиться одновременно. Это просто выдумка, у неё нет никакой причины. Когда физики измерили, что происходит на самом деле, оказалось, что верхняя струйка добирается до задней кромки намного раньше нижней и вовсе её не ждёт.
Есть и другие нестыковки, которые легко заметить самому:
- Пилотажные самолёты прекрасно летят вверх ногами. Выпуклая сторона крыла оказывается снизу — по той истории они должны камнем падать вниз.
- У бумажного самолётика и у крыла воздушного змея крыло плоское, никакой выпуклости нет. Они летают.
- Лист фанеры, наклонённый к ветру, тоже даёт подъёмную силу.
Значит, дело не в выпуклости. Тогда в чём?
Настоящий ответ: отшвырнуть воздух вниз
Возьми шланг с водой и подставь под струю ладонь под небольшим наклоном. Струя после ладони уйдёт вбок — а ладонь ощутимо дёрнет в противоположную сторону.
Крыло делает ровно то же самое с воздухом.
Посмотри на картинку внимательно. Слева воздух подходит к крылу ровным горизонтальным потоком. Справа, позади крыла, он уходит вниз. Крыло взяло огромную массу воздуха и отбросило её вниз.
Дальше работает закон, который открыл Ньютон и который ты чувствуешь каждый день: если ты толкаешь что-то в одну сторону, оно толкает тебя в другую с точно такой же силой. Это третий закон Ньютона.
Оттолкнись от бортика в бассейне — бортик оттолкнёт тебя. Прыгни с лодки на берег — лодка уедет назад. Крыло толкает воздух вниз — воздух толкает крыло вверх. Эта сила и называется подъёмной.
Считать можно и в другую сторону: над крылом давление и правда падает, а под ним растёт, и если сложить всё давление по поверхности крыла, получится та же самая подъёмная сила. Это не другое объяснение, а тот же процесс с другой стороны: поток поворачивает вниз именно потому, что давление распределилось неравномерно. Неверна была только выдумка про «одинаковое время» — а не сама идея, что скорость и давление связаны.
Угол атаки — главная ручка управления
Насколько сильно крыло отклоняет поток, зависит в первую очередь от того, под каким углом оно этот поток встречает. Этот угол так и называется — угол атаки.
Ты наверняка уже ставил такой опыт, сам того не зная: высовывал ладонь из окна едущей машины. Держишь ладонь плашмя — ничего не происходит. Чуть поворачиваешь передний край вверх — ладонь резко рвётся вверх. Поворачиваешь вниз — её вдавливает вниз.
Ладонь совершенно плоская. Никакой выпуклой верхней поверхности. Работает только угол.
Именно поэтому самолёт при взлёте задирает нос, а посадка выглядит так, будто он садится «на хвост»: на маленькой скорости нужен большой угол атаки, иначе воздуха отклонится слишком мало.
Тогда зачем крылу выпуклая верхняя поверхность? Затем, что такая форма позволяет потоку поворачивать плавно, без завихрений, и даёт больше подъёмной силы на меньшем угле атаки. Выпуклость — не причина полёта, а улучшение. Как протектор на шине: колесо катится и без него, но с ним лучше.
Срыв потока
У угла атаки есть предел. Примерно до 15 градусов (у разных крыльев по-разному) поток послушно огибает крыло сверху и уходит вниз. Если наклонить круче, воздух перестаёт успевать поворачивать и отрывается от верхней поверхности, превращаясь в беспорядочные вихри.
Подъёмная сила при этом резко падает, а сопротивление подскакивает. Лётчики называют это срывом потока, а такой режим полёта — сваливанием. Это опасная ситуация, и пилотов специально учат из неё выходить: нужно опустить нос, уменьшить угол атаки и дать потоку снова прилипнуть к крылу.
Что ещё держит машину в воздухе
Подъёмная сила — не единственная сила в полёте. Всего их четыре, и они тянут в разные стороны:
- вес тянет вниз;
- подъёмная сила толкает вверх;
- тяга двигателей тянет вперёд;
- сопротивление воздуха тормозит.
В ровном горизонтальном полёте они попарно уравновешены. Двигатели, что важно понять, не поднимают самолёт вверх — они тащат его вперёд. Поднимает крыло, но только пока есть скорость. Без скорости нет и потока, который можно отклонить.
Поэтому самолёт с выключенными двигателями не падает камнем: он превращается в планер и может пролететь ещё десятки километров, медленно снижаясь. Планеры и вовсе обходятся без мотора, набирая высоту в восходящих потоках воздуха, как это делают орлы.
Главное в трёх строчках
- Крыло летит потому, что отклоняет набегающий поток воздуха вниз, а воздух по третьему закону Ньютона толкает крыло вверх.
- Главное — угол атаки, а не выпуклая форма: плоская ладонь за окном машины тоже поднимается, и самолёты умеют летать вверх ногами.
- Объяснение «струйки должны встретиться за крылом одновременно» — неправда: верхняя приходит раньше и никого не ждёт.