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.

Баланс этих четырёх сил меняется при наборе высоты и снижении. Чтобы начать подъём, пилот увеличивает угол атаки или тягу двигателей так, что подъёмная сила на время становится больше веса, - самолёт при этом набирает высоту, а часть работы двигателей идёт не только на разгон, но и на подъём. При снижении, наоборот, тягу обычно уменьшают, и вес на время превышает подъёмную силу. Возможен и снижение вовсе без тяги - планирующий спуск, когда самолёт теряет высоту по пологой траектории, а нужная скорость обтекания крыла поддерживается не двигателями, а самим этим медленным падением.

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.

Форма самого профиля крыла при этом не одинакова у всех типов самолётов. У большинства пассажирских и грузовых машин профиль несимметричный: верхняя поверхность выпуклая заметно сильнее нижней, что даёт хорошую подъёмную силу уже при небольшом угле атаки и позволяет экономичнее лететь горизонтально. У пилотажных и многих спортивных самолётов профиль крыла, наоборот, часто делают симметричным - одинаково изогнутым сверху и снизу, - и подъёмную силу в этом случае почти целиком создаёт угол атаки, а не форма сама по себе. Именно такой профиль облегчает выполнение фигур высшего пилотажа, включая полёт в перевёрнутом положении.

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.

Чтобы увеличить подъёмную силу на малой скорости, не доводя крыло до срыва потока, на взлёте и посадке используют механизацию крыла - выдвижные закрылки и предкрылки. Они временно увеличивают площадь и кривизну крыла, а иногда и меняют форму его передней кромки, позволяя получить достаточную подъёмную силу при заметно меньшей скорости, чем нужна была бы гладкому крылу без этих устройств. После набора высоты и разгона закрылки и предкрылки убирают обратно - на крейсерской скорости они только увеличивали бы сопротивление воздуха без особой пользы.

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.

Показательный пример того, что для полёта важна не тяга двигателя сама по себе, а достаточная скорость обтекания крыла воздухом, - планеры и другие безмоторные летательные аппараты. У планера нет двигателя вовсе, и нужную скорость относительно воздуха он получает иначе: либо снижается по пологой траектории, превращая запас высоты в скорость, либо ловит восходящие потоки тёплого воздуха, которые поднимают его быстрее, чем он сам опускается за счёт собственного веса. Так что двигатель - лишь один из способов создать нужное относительное движение воздуха и крыла, а не обязательное условие самого явления подъёмной силы.

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.

У обычного пассажирского самолёта с несимметричным профилем крыла перевёрнутый полёт технически тоже возможен, но даётся заметно тяжелее: чтобы получить нужную подъёмную силу вопреки невыгодной форме крыла, приходится держать намного больший угол атаки, чем в нормальном полёте, а это увеличивает и сопротивление воздуха, и нагрузку на конструкцию. Именно поэтому длительный перевёрнутый полёт - удел специально спроектированных для этого пилотажных и части военных машин с симметричным или близким к симметричному профилем крыла, а не рядовых лайнеров.

Как менялись представления о подъёмной силе

Объяснение того, как крыло создаёт подъёмную силу, складывалось постепенно и не сразу приняло современный вид. Ещё до появления авиации математики и физики изучали, как жидкости и газы обтекают тела разной формы, - к моменту первых полётов на аппаратах тяжелее воздуха уже существовала теоретическая база для такого объяснения, включая закон Бернулли о связи скорости потока и давления в нём.

Первые удачные полёты управляемых аппаратов с двигателем при этом опирались не столько на готовую теорию, сколько на упорные практические эксперименты: конструкторы строили простые аэродинамические трубы и на практике проверяли, какая форма и какой угол наклона крыла дают наибольшую подъёмную силу при наименьшем сопротивлении воздуха. Такой экспериментальный подход к уточнению формы крыла оказался не менее важен для успеха первых полётов, чем сама общая теория гидроаэродинамики.

В дальнейшем аэродинамика как наука развивалась вместе с самой авиацией. С ростом скоростей и появлением реактивных двигателей потребовалось куда более точное понимание поведения воздуха у поверхности крыла, в том числе на около- и сверхзвуковых скоростях, где законы обтекания заметно отличаются от привычных дозвуковых. Конструкторские бюро и научные центры авиастроения по всему миру продолжают уточнять модели обтекания крыла с помощью компьютерного моделирования и испытаний в аэродинамических трубах, а сами объяснения подъёмной силы, которые встречаются в учебниках, за последний век не раз переписывались ради большей точности и понятности.

Что ограничивает грузоподъёмность и скорость самолёта

Подъёмная сила зависит не только от формы крыла и угла атаки, но и от площади крыла, скорости обтекания и плотности воздуха. Чем больше площадь крыла и чем быстрее самолёт движется относительно воздуха, тем больше воздуха крыло успевает отклонить вниз за единицу времени - а значит, тем больше создаваемая подъёмная сила. Именно поэтому у тяжёлых грузовых и пассажирских самолётов такие большие крылья: чтобы поднять в воздух многие тонны веса, нужно отклонять вниз соответствующе большую массу воздуха, а бесконечно наращивать скорость нельзя - у неё есть ограничения по прочности конструкции, расходу топлива и другим техническим параметрам.

Играет роль и плотность воздуха, которая падает с высотой. Поэтому на большой высоте, где воздух более разрежен, самолёту, чтобы создать ту же подъёмную силу, приходится лететь быстрее, чем у земли, - крыло отклоняет меньше молекул воздуха за то же время при том же угле атаки, и разницу приходится компенсировать скоростью. По этой же причине аэропортам, расположенным высоко над уровнем моря, требуются более длинные взлётно-посадочные полосы - самолётам нужно разогнаться до более высокой скорости, чтобы набрать нужную подъёмную силу в разреженном воздухе.

Отсюда же следует, почему тяжёлому самолёту нужна и большая скорость на взлёте, и более длинная полоса, чем лёгкому: пока скорость и площадь крыла не создадут подъёмную силу, равную весу самолёта, оторваться от земли невозможно, сколько бы ни работали двигатели. Именно баланс между весом, площадью крыла и располагаемой скоростью и определяет предельную грузоподъёмность конкретной модели.

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.

Похожий принцип используют и паруса на яхтах и парусных лодках: туго натянутый парус работает почти как вертикально поставленное крыло, изогнутая поверхность которого ускоряет обтекающий его воздух с одной стороны и создаёт перепад давления, толкающий лодку вперёд, а не вверх. Меняя угол паруса относительно ветра, шкипер, по сути, меняет угол атаки - точно так же, как пилот меняет угол атаки крыла самолёта для управления подъёмной силой.