Почему самолёты летают

Самолёт держится в воздухе благодаря крылу, которое особым образом взаимодействует со встречным потоком воздуха: оно отклоняет воздух вниз и одновременно создаёт разницу давления над собой и под собой. По третьему закону Ньютона, если крыло толкает воздух вниз, воздух в ответ толкает крыло вверх - именно эта сила и называется подъёмной. Двигатели при этом не поднимают самолёт напрямую, а разгоняют его вперёд, чтобы воздух вообще начал обтекать крыло с нужной скоростью.

Четыре силы, которые действуют на самолёт в полёте

Любой летящий самолёт находится под действием четырёх сил. Вес тянет его вниз - это просто сила тяжести. Подъёмная сила крыльев толкает его вверх, противодействуя весу. Тяга двигателей толкает самолёт вперёд. А сопротивление воздуха тормозит его движение, противодействуя тяге. Горизонтальный полёт с постоянной скоростью возможен, когда подъёмная сила уравновешивает вес, а тяга - сопротивление воздуха. Чтобы понять сам полёт, важнее всего разобраться, откуда берётся именно подъёмная сила.

Как крыло отклоняет воздух вниз

Крыло самолёта поставлено не плашмя, а под небольшим углом к набегающему потоку воздуха - этот угол называется углом атаки. Из-за такого наклона воздух, натекающий на нижнюю поверхность крыла, отражается вниз, а поток над крылом тоже в итоге отклоняется вниз, огибая изогнутую верхнюю поверхность. В сумме позади крыла воздух движется заметно более направленно вниз, чем он двигался до встречи с крылом.

Изменение направления движения воздушной массы - это, по сути, придание ей ускорения, а любое ускорение массы требует приложенной силы. Крыло сообщает воздуху эту силу, толкая его вниз, а по третьему закону Ньютона - действию всегда соответствует равное по величине и противоположное по направлению противодействие - воздух толкает крыло с такой же силой вверх. Эта реакция и есть значительная часть подъёмной силы.

Форма крыла и разница давления

Одновременно с отклонением потока играет роль и форма крыла. Верхняя поверхность у большинства крыльев более выпуклая, чем нижняя, и воздуху, чтобы обогнуть эту выпуклость, приходится двигаться по более длинному и изогнутому пути. Поток над крылом при этом ускоряется, а по законам гидроаэродинамики более быстрый поток воздуха создаёт над поверхностью область пониженного давления - тот же принцип, что и в законе Бернулли, связывающем скорость потока и давление в нём. Из-за этого давление воздуха снизу крыла оказывается выше, чем сверху, и эта разница давления тоже толкает крыло вверх.

Эти два объяснения - отклонение потока и разница давления - не противоречат друг другу, а описывают одно и то же явление с разных сторон: изменение скорости воздуха над и под крылом неразрывно связано с тем, как крыло отклоняет поток. В инженерных расчётах обычно используют оба подхода вместе.

Заблуждение “теория равных времён”

Долгое время в популярных объяснениях подъёмной силы можно было встретить такую версию: воздух над крылом якобы обязан пройти более длинный путь за то же время, что и воздух снизу, и поэтому он ускоряется. На деле никакой обязанности “встретиться одновременно” у частиц воздуха, разделившихся на входе в крыло, нет - в реальности поток над крылом обычно долетает до задней кромки заметно раньше потока снизу, а не одновременно с ним. Так что сама механика этого объяснения неверна, хотя ускорение потока над крылом действительно происходит - просто по другим причинам, связанным с формой крыла и углом атаки в целом, а не с необходимостью “успеть вместе”.

Угол атаки, скорость и явление сваливания

Чем больше угол атаки - то есть чем сильнее крыло наклонено носом вверх относительно набегающего потока, - тем сильнее воздух отклоняется вниз и тем больше подъёмная сила, но лишь до определённого предела. При слишком большом угле атаки плавное обтекание верхней поверхности крыла срывается, поток становится завихрённым, и подъёмная сила резко падает - это явление называют сваливанием. Именно поэтому пилоты внимательно следят за скоростью и углом атаки на взлёте и посадке, когда скорость невелика и запас по срыву потока минимален.

Почему нужна тяга двигателей

Подъёмная сила возникает только при достаточной скорости обтекания крыла воздухом, а сама по себе она не появляется - самолёт должен двигаться вперёд. Эту скорость и обеспечивают двигатели: реактивные создают тягу, выбрасывая назад поток раскалённых газов, винтовые - разгоняя воздух вращением лопастей пропеллера. Чем выше скорость, тем сильнее обтекание крыла и тем больше подъёмная сила при том же угле атаки, поэтому самолёту нужна определённая минимальная скорость, чтобы вообще суметь оторваться от земли.

Почему самолёты могут лететь и вверх колёсами

На первый взгляд кажется, что раз верхняя поверхность крыла более выпуклая, перевёрнутый полёт должен быть невозможен - подъёмная сила должна тянуть самолёт к земле. На практике же пилотажные и многие военные самолёты спокойно летают в перевёрнутом положении. Дело в том, что угол атаки, с которым поток набегает на крыло, важнее его формы: при перевёрнутом полёте пилот задирает нос относительно направления движения так, что крыло всё равно отклоняет воздух в нужную сторону, - и подъёмная сила продолжает действовать вверх относительно земли, хотя само крыло геометрически перевёрнуто.

Где похожий принцип встречается в быту

Тот же самый механизм - отклонение потока воздуха и возникающая в ответ реакция - лежит в основе полёта птиц и работы воздушных змеев, а спойлеры на кузове гоночных автомобилей используют его же в обратную сторону, отклоняя поток так, чтобы, наоборот, прижимать машину к дороге. Даже обычный вентилятор или брошенный по особой траектории фрисби используют закрученный или отклонённый поток воздуха, чтобы создать направленную силу, - в основе всех этих явлений то же самое взаимодействие движущегося воздуха с наклонной поверхностью, что и удерживает в небе многотонный самолёт.