Чому літають літаки

Хоча ми в 2022 році, є ще багато людей, які не розуміють Чому літають літаки. Людина хотіла мати можливість долати небо і подорожувати з більшою швидкістю, щоб мати можливість досліджувати всі куточки нашої планети. Завдяки науці та дослідженням з фізики це вдалося здійснити, і сьогодні літаки дійсно важливі в нашому житті.

У цій статті ми збираємося пояснити вам, чому літають літаки і як до цього дійшли висновку.

Чому літають літаки

Найпростіша відповідь — це сказати, що літаки можуть літати, тому що вони створені для польоту. А також трансатлантичний більш ніж 100.000 XNUMX тонн має форму та дизайн інтер’єру, які дозволяють йому триматися на плаву, літак має форму, яка дозволяє йому залишатися в повітрі. Це нічого магічного. Дивним і дивовижним є те, що літаки не можуть літати так, як вони. Ключ до його форми — крила та їх дизайн.

Дещо складніша відповідь — це сказати, що літак зобов’язаний своїм польотом потоку повітря через крила. Тоді ми вже можемо зробити висновок, що для польоту літака необхідний потік повітря або така ж швидкість відносно повітря.

Літаки літають під дією різноманітних сил у горизонтальній і вертикальній площинах.. Щоб літак міг піднятися, сила, створювана вертикальною віссю (підйом на аеронавігаційній мові), повинна перевищувати вагу літака. З іншого боку, на горизонтальній осі, завдяки вихлопним газам двигуна, виникає принцип дія-реакція, генеруючи пряму силу, яка долає опір повітря. Коли літак піднімається з постійною швидкістю і досягає крейсерської висоти, це відбувається тому, що баланс сил досягається як на вертикальній осі (підйомна сила дорівнює вазі), так і на горизонтальній осі, де підйомна сила дорівнює вазі до ваги. Тяга двигуна дорівнює опору, що забезпечується повітрям.

Чому літають літаки: основні принципи

Магія відбувається, коли ви отримуєте підйом. Там ми повинні пояснити його набір принципів. В основному, підйомна сила досягається за допомогою крил літака. Якщо ми їх поріжемо ми отримаємо те, що називається профілем крила, частина, яка має крило всередині.

З аеродинамічної точки зору секція має дуже ефективну форму. Край, куди надходить повітря під час польоту літака, закруглений, задня частина профілю гостра, а також вигнута вгорі (на авіаційній мові ця верхня частина називається зовнішньою дугою, а нижня — дугою внутрішня дуга). ). Така кривизна профілю крила означає, що коли повітряний потік зустрічає його, він розбивається на два шляхи, одна частина над крилом, а інша вниз. Через кривизну крила шлях, по якому повинна пройти вода, довший за нижній.

Існує теорема, теорема Бернуллі, яка в основному є збереження енергії, і каже, що для цього повітряний потік зверху має йти швидше. Це означає менший тиск, ніж нижній, рух повільніше та більший тиск. Різниця тиску між верхнім і нижнім потоками повітря створює підйом. Хоча цей підйом за принципом Бернуллі не пояснює всього, що необхідно для підняття літака. Для пояснення висоти необхідно вдатися до іншого ряду фізичних принципів.

Одним з них є третій закон Ньютона. Завдяки вигнутій формі профілю повітря зверху, замість прямої траєкторії, спрямовується вниз. Це відхилення, викликане профілем крила в потоці повітря, означає, що завдяки третьому закону Ньютона (принципу дія-реакція) сила реакції створюється в протилежному напрямку, над крилом, що створює більшу підйомну силу. Крім того, цей підйом збільшується ефектом, відомим як Ефект Коанди, який поширюється на всі в’язкі рідини.

Ефект Коанди змушує рідини знаходити поверхні на своєму шляху і прагнуть прилипати до них. Між профілем крила і потоком повітря утворюється прикордонний шар у вигляді ламінарного шару, перший прилипає до крила і тягне за собою решту шарів. Ефект третього закону Ньютона ще більше посилюється, коли повітряний потік прилягає до профілю, повітря буде текти вниз, коли воно прилягає до профілю.

детальне пояснення

Все це збільшується зі швидкістю повітря. На початку крену на зліт літак поступово прискорюється, тому підйомна сила збільшується зі швидкістю. Ви можете краще зрозуміти це на прикладі. Якщо ми висунемо руки з вікна машини, зі збільшенням швидкості ми помічаємо, що сила повітря прагне підняти руки.

Але те, що безумовно змушує літак підніматися вгору, — це підняття носа, що називається збільшенням кута атаки. Кут атаки – це кут, утворений струмом, що потрапляє на профіль крила по відношенню до цього профілю. Коли підйомна сила збільшується разом із вигином профілю крила (розширюючи його поверхні: передні планки та задні закрилки), рулі руля стабілізатора хвоста рухаються. Ця дія робить ніс літака піднімається. З носом вгору збільшуємо кут атаки. Це має такий самий ефект, як коли ми висуваємо руку у вікно автомобіля, якщо ми піднімаємо руку в напрямку руху, рука піднімається вгору. Всі вони разом працюють, щоб підняти літак.

Як бачимо, завдяки численним експериментам і теоріям літаки змогли літати і стали частиною нашого повсякденного життя. Сподіваюся, що за допомогою цієї інформації ви зможете дізнатися більше про те, чому літають літаки.

Повний шлях до статті: Мережева метеорологія » Метеорологія » Ciencia » Чому літають літаки

§ 18. Рух рідини і газу. Підіймальна сила крила

Чи можна не дуже досвідченому плавцю спробувати переплисти гірську річку? Здавалося б, чому ні, особливо якщо річка не дуже широка. Проте цього не слід робити в жодному разі — це дуже небезпечно! І справа не в ширині річки, а в тому, що в більшості гірських річок є стремнини — ділянки з великою швидкістю течії. Виплисти зі стремнини дуже важко — вона затягує й «не відпускає» плавця.

А от яке відношення має течія річки до підіймальної сили крила літака, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

1. Де рідина рухається швидше

Проведемо дослід із горизонтальною трубкою, яка має різні поперечні перерізи та поршень (можна взяти шприц без голки). Наповнимо трубку водою і переміщуватимемо поршень із деякою незмінною швидкістю (рис. 18.1). Побачимо, що швидкість води у вузькій частині трубки буде більшою, ніж у широкій частині. Результати цього досліду можна було б і спрогнозувати.

Рис. 18.1. Чим менша площа перерізу трубки, тим швидше рухається рідина: v₂ > v₁

Розглянемо стаціонарний потік ідеальної нестисливої рідини, тобто потік, в кожній точці якого швидкість руху рідини не змінюється з часом, а сили тертя нехтовно малі (рис. 18.2). Нехай v₁ — швидкість течії у широкій частині труби з площею перерізу S₁, a ν₂ — швидкість течії у вузький частині труби з площею перерізу S₂. За певний час t через ці перерізи протікають рівні об’єми рідини, які відповідно дорівнюють:

де l_1; l₂ — відстані, які долає рідина за час t.

Рис. 18.2. Якщо рідина нестислива, а потік стаціонарний, то об’єми V₁ і V₂ рідини, що протікає через перерізи S₁ і S₂ за певний інтервал часу t, є однаковими: V₁ = V₂

Оскільки V₁ = V₂, то S₁v₁t = S₂v₂t. Після скорочення на t отримаємо рівняння нерозривності струменя:

Отже, й експериментальні, й теоретичні дослідження підтверджують: чим менша площа перерізу, тим швидше рухається рідина.

Подібне явище можна спостерігати, якщо спускатися або підніматися річкою: течія повільна та плавна там, де річка глибока та широка, а на мілководді або у вузький частині русла швидкість течії помітно збільшується.

2. Як тиск усередині рідини залежить від швидкості її руху

Повернемося до рис. 18.2. Швидкість течії в місці переходу з широкої частини труби у вузьку збільшується, тобто рідина прискорює свій рух. Наявність прискорення означає, що під час переходу на рідину діє деяка сила. Трубка розташована горизонтально, тому виникнення сили, що спричиняє прискорення, не може бути наслідком притягання Землі. Ця сила виникає внаслідок різниці тисків, тобто тиск рідини в широкій частині труби (де швидкість течії менша) є більшим за тиск рідини у вузькій частині труби (де швидкість течії більша).

Першим цього висновку дійшов швейцарський фізик і математик Даніель Бернуллі (1700-1782), який установив закон, що стосується будь-якого стаціонарного потоку рідини, — закон Бернуллі:

Під час стаціонарного руху рідини тиск рідини є меншим там, де швидкість течії більша, і навпаки, тиск рідини є більшим там, де швидкість течії менша.

• Спираючись на закон Бернуллі, поясніть, чому важко перепливати річку, яка містить ділянки з великою швидкістю течії.

Закон Бернуллі є наслідком закону збереження механічної енергії: рідина отримує кінетичну енергію (збільшує швидкість свого руху) завдяки тому, що потенціальна енергія пружної взаємодії частинок речовини зменшується (і навпаки). Якщо потік рідини не є горизонтальним, то зміна кінетичної енергії рідини відбувається ще й за рахунок зміни її потенціальної енергії гравітаційної взаємодії із Землею.

3. Чому літають літаки

Кожен із вас, сідаючи в літак або дивлячись на його політ, імовірно, замислювався про те, чому літак піднімається і яка сила утримує його в повітрі. Дехто скаже, що це архімедова сила (але це не так, адже нерухомий літак не підніметься). Дехто припустить, що літак тримає сила реактивної тяги двигунів (і це теж неправильно, адже ця сила лише розганяє літак і підтримує швидкість його руху). Літак утримується в повітрі завдяки силі тиску, яка й створює підіймальну силу.

Виникнення підіймальної сили можна пояснити за допомогою закону Бернуллі, адже за певних умов повітряний потік можна розглядати як стаціонарний потік рідини. Під час польоту на крила літака увесь час набігає зустрічний потік повітря, і крила ніби «розрізають» його на дві частини: одна частина обтікає верхню поверхню крила, друга — нижню. Форма більшості крил така, що потік, який обтікає верхню (опуклу) частину крила, долає за той самий час більшу відстань (рухається з більшою швидкістю), ніж потік, який обтікає крило знизу (рис. 18.3). Відповідно до закону Бернуллі там, де швидкість потоку більша, тиск є меншим. Отже, сила тиску, що діє на крило зверху, менша від сили тиску, що діє на крило знизу.

Рис. 18.3. Зазвичай крило літака має аеродинамічну форму: нижня поверхня крила майже плоска, верхня — опукла. Блакитними стрілками показано рух повітря, що набігає на крило, зеленою стрілкою — напрямок руху літака

Проте найважливіша причина утворення підіймальної сили — це наявність кута атаки — нахилення крил літака під певним кутом α до повітряного потоку (рис. 18.4). У такому випадку підіймальна сила виникає як за рахунок зменшення тиску над крилом, так і за рахунок збільшення тиску під крилом. Завдяки наявності кута атаки в повітря піднімаються й літаки із симетричним профілем крила.

Різницю сил тисків називають поєною аеродинамічною силою (див. рис. 18.4).

Зверніть увагу! Якщо швидкість руху повітряного потоку відносно літака наближається або перевищує швидкість поширення звуку (340 м/с), стисливістю повітря нехтувати не можна. Зрозуміло, що підіймальна сила теж виникає (інакше літаки не літали б із надзвуковою швидкістю), але повітряний потік поводиться дещо інакше.

Підбиваємо підсумки

• Для стаціонарного потоку рідини або газу справджується закон Бернуллі: тиск рідини (газу) є більшим там, де швидкість течії менша, і навпаки.

• На законі Бернуллі ґрунтується утворення підіймальної сили крила літака, аеродинамічна форма та кут нахилу якого змушує повітря над верхньою поверхнею крила рухатися з більшою швидкістю, тому тиск над крилом є меншим, ніж тиск під крилом.

Контрольні запитання

1. Доведіть, що швидкість течії є більшою у вужчий частині труби. 2. Спираючись на другий закон Ньютона, доведіть, що тиск рухомої рідини в широкій частині труби є більшим, ніж тиск цієї рідини у вузькій частині труби. 3. Поясніть закон Бернуллі на основі закону збереження механічної енергії. 4. Завдяки чому виникає підіймальна сила крила літака?

Вправа № 18

1. Чому притягуються два судна, які рухаються з великими швидкостями поряд одне з одним?

2. Чому сильний ураганний вітер інколи зриває дахи будинків?

3. Поясніть, як працює пульверизатор (рис. 1).

Рис. 1

4. Чому м’яч, якому надано обертання, змінює траєкторію свого руху (рис. 2)? До речі, це явище називають ефектом Магнуса.

Рис. 2

5. Ви добре знаєте, що нерухома однорідна рідина в сполучених посудинах встановлюється на одній висоті. Чому, якщо рідина рухається, рівні рідини в сполучених посудинах є різними (рис. 3)?

Рис. 3

6. Проаналізуйте інформацію в рубриці «Фізика в цифрах» наприкінці § 18 і наведіть подібні приклади, скориставшись додатковими джерелами інформації.

Експериментальні завдання

1. Візьміть аркуш паперу і подуйте на нього так, як показано на рис. 4. Поясніть спостережуване явище.

Рис. 4

2. Візьміть фен і м’ячик для пінг-понгу. Увімкніть фен, спрямуйте струмінь повітря вертикально вгору та покладіть на нього м’ячик. М’ячик не впаде, а буде трохи коливатися всередині струменя. Якщо нахилити фен, то м’ячик теж не падатиме, а втягуватиметься в струмінь. Поясніть спостережувані явища.

Фізика в цифрах

Форма та розмір крил літаків залежать від їх призначення: чим довші крила, тим стійкіший літак, але йому важко повертати; більш маневрені літаки мають короткі крила.

Короткі розширені крила дозволяють літаку виконувати в повітрі різкі повороти

Один із основних літаків Повітряних сил ЗС України. Розмах крил — 14,7 м. Максимальна швидкість — 2125 км/год.

• АН-225 «Мрія»

Чим на більшу вантажопідйомність розрахований літак, тим довші його крила

Найбільший і найпотужніший у світі транспортний літак. Розроблений Київським КБ ім. О. К. Антонова і побудований на Київському механічному заводі в 1980-х рр. Розмах крил — 88,4 м. Максимальна швидкість — 850 км/год.

• Sikorsky R-4 Hoverfly

«Крила» гелікоптера обертаються, тому для створення підіймальної сили йому не потрібен розбіг. Гелікоптер може зависати в повітрі, рухатися в боки та назад

Перший серійний гелікоптер у світі (з 1943 р. випускався в США, а з 1944 р. — у Великій Британії). Спроектований під керівництвом Ігоря Івановича Сікорського (народився в 1889 р. у Києві, закінчив Київський політехнічний інститут). Діаметр несучого гвинта — 11,6 м, максимальна швидкість — 132 км/год.