Формула підйомної сили. Чому літаки літають? Закони аеродинаміки

Літак – літальний апарат, який у багато разів важчий від повітря. Для того щоб він літав, потрібна сукупність декількох умов. Важливо щоб поєднувався правильний кут атаки з безліччю різних факторів.

Чому він літає

По суті, політ літального апарату є підсумком дії декількох сил на літак. Сили, що діють на літак, виникають при переміщенні повітряних потоків назустріч крилам. Вони повернуті під певним кутом. Крім цього, вони завжди мають особливу обтічну форму. Завдяки цьому вони «стають на повітря».

На процес впливає висота польоту літака, а розганяють його двигуни. Згораючи, гас провокує викид газу, який виривається з величезною силою. Гвинтові двигуни піднімають літальний апарат вгору.

Про вугілля

Ще в 19 столітті дослідниками було доведено, що відповідним кутом атаки є показник в 2-9 градусів. Якщо ж він виявиться меншим, то опору буде замало. Водночас розрахунки підйомної сили показують, що показник буде маленьким.

Якщо ж кут виявиться крутішим, то опір стане великим, і це перетворить крила на вітрила.

Один з найголовніших критеріїв у літаку – ставлення підйомної сили до опору. Це аеродинамічна якість, і чим вона більша, тим менше енергії буде потрібно літаку при польоті.

Про підйомну силу

Підйомна сила є складовою аеродинамічної сили, вона перпендикулярна вектору руху літака в потоці і виникає через те, що потік обтікає апарат несиметрично. Формула підйомної сили виглядає так.

Як виникає підйомна сила

У нинішніх літальних апаратах крила – це статична конструкція. Вона сама не створить підйомної сили. Підняття важкої машини вгору можливе завдяки поступовому розгону для набору висоти польоту літака. У такому випадку крила, які ставляться під гострим кутом до потоку, формують різний тиск. Воно стає менше над конструкцією і збільшується під нею.

І завдяки різниці в тиску, по суті, і виникає аеродинамічна сила, набирається висота. Які показники представлені у формулі підйомної сили? Використовується несиметричний профіль крила. На даний момент кут атаки не буває більше 3-5 градусів. І цього вистачає для того, щоб сучасні літальні апарати злітали.

З моменту створення перших літальних апаратів конструкція їх була значною мірою змінена. На даний момент крила володіють несиметричним профілем, верхній металевий їх лист випуклий.

Нижні аркуші конструкції рівні. Це зроблено для того, щоб потоки повітря проходили без особливих перешкод. По суті, формула підйомної сили на практиці реалізується таким чином: верхні потоки повітря проходять довгу дорогу завдяки випуклості крил порівняно з нижніми. А повітря за пластиною залишається в тій же кількості. У результаті верхній повітряний потік просувається швидше, і там утворюється область з більш низьким тиском.

Різниця в показниках тиску над крилами і під ними разом з роботою двигунів і веде до набору потрібної висоти. При цьому важливо, щоб кут атаки був в нормі. В іншому випадку підйомна сила буде падати.

Чим швидкість у апарату більша, тим, згідно з формулою підйомної сили, показник останньої більший. Якщо ж швидкість зрівнялася з масою, літальний апарат переходить у горизонтальний напрямок. Швидкість створюється роботою двигунів літальних апаратів. А якщо тиск над крилом впав, це видно відразу неозброєним оком.

Якщо літак маневрує раптово, то над крилом з’являється білий струмінь. Це конденсат водяного пари, який утворюється через те, що тиск падає.

Про коефіцієнт

Коефіцієнт підйомної сили є безрозмірною величиною. Вона безпосередньо залежить від форми крил. Також впливає і кут атаки. Застосовують його, розраховуючи підйомну силу, коли відома швидкість, щільність повітря. Залежність коефіцієнта від кута атаки відображається наочно при льотних випробуваннях.

Про аеродинамічні закони

Коли літальний апарат пересувається, його швидкість, інші характеристики руху змінюються, як і характеристики повітряних потоків, які його обтікають. Разом з тим змінюються і спектри обтікання. Це невстановлений рух.

Щоб краще це зрозуміти, потрібні спрощення. Це значною мірою спростить висновок, а інженерне значення залишиться колишнім.

По-перше, розглядати найкраще встановлений рух. Мається на увазі, що потоки повітря не будуть змінюватися з часом.

По-друге, краще прийняти гіпотезу нерозривності середовища. Тобто в розрахунок не беруться молекулярні рухи повітря. Повітря розглядається як нерозривне середовище з постійною щільністю.

По-третє, краще прийняти, що повітря не в’язок. Фактично його в’язкість дорівнює нулю, а сили внутрішнього тертя відсутні. Тобто зі спектра обтікання видаляється прикордонний шар, не береться в розрахунок лобовий опір.

Володіння головними аеродинамічними законами дозволяє вибудувати математичні моделі того, як літальний апарат обтікається повітряними потоками. Воно ж дозволяє вирахувати показник основних сил, які залежать від того, як розподіляється тиск по літаку.

Як керують літаком

Безумовно, щоб процес польоту був безпечним і комфортним, одних крил і двигуна буде мало. Важливо управління багатотонною машиною. І дуже важлива точність руління в процесі зльоту і посадки.

У пілотів посадка вважається контрольованим падінням. У її процесі відбувається значне зниження швидкості, і в підсумку машина втрачає висоту. Важливо щоб швидкість була підібрана максимально точно для забезпечення плавності падіння. Саме це призводить до того, щоб шасі стосувалися смуги м’яко.

Керування літальним апаратом докорінно відрізняється від керування наземним транспортним засобом. Штурвал потрібен, щоб відхиляти машину вгору і вниз, створювати крен. «На себе» означає набирати висоту, а «від себе» означає пікірувати. Щоб міняти курс, потрібно натискати на педалі, а потім за допомогою штурвалу коригувати нахил. Цей маневр мовою льотчиків називається «розворотом» або «віражем».

Щоб машина могла розвертатися, стабілізувати політ, у хвості апарату присутній вертикальний кіль. Над ним розташовані «крила», які є горизонтальними стабілізаторами. Саме завдяки їм літак не знижується і не набирає висоту мимовільно.

На стабілізатори поміщають рулі висоти. Щоб керування двигуном було можливим, біля крісел пілотів помістили важелі. Коли літак злітає, їх переводять вперед. Злітний режим означає максимальну тягу. Він потрібен для того, щоб апарат набрав злітну швидкість.

Якщо важка машина сідає, важелі відводяться назад. Це є режимом мінімальної тяги.

Можна спостерігати, як перед тим як сідати, задні частини великих крил опускаються вниз. Вони називаються закрилками і виконують ряд завдань. Коли літак знижується, випущені закрилки пригальмовують машину. Це не дозволяє їй розганятися.

Якщо літак сідає, а швидкість не надто велика, закрилки виконують завдання створення додаткової підйомної сили. Тоді висота втрачається досить плавно. Коли машина злітає, закрилки сприяють тому, щоб літак тримався в повітрі.

Ув’язнення

Таким чином, сучасні літаки є справжніми повітряними кораблями. Вони автоматизовані, надійні. Їх траєкторії руху, весь політ піддається досить докладному розрахунку.

Висота польоту літака в цивільної та військової авіації

Любіть дізнаватися все дрібниці, пов’язані з подорожжю по повітрю? Тоді ви запитаєте, яка висота польоту літака. Середня цифра становить 10 000 м, але на практиці вона варіюється під впливом різних факторів. Що ж її визначає?

Головні фактори, що впливають на висоту польоту

Показник висоти польоту буває різних типів:

• істинним називають значення, фактично відділяє повітряне судно від поверхні землі або води;
• відносний показник визначає, наскільки літак піднявся над точкою, прийнятої для умовного відліку (злітно-посадковою смугою);
• абсолютна висота означає відстань від лайнера до рівня моря.

Висота, на яку піднімається авіатранспорт, обумовлена ​​законами фізики: чим далі від поверхні Землі, тим розрідження стає повітря. В результаті повітряне судно, що піднялося на 10 000 м, швидко рухається і витрачає мало палива. З цією особливістю пов’язаний термін «ідеальна висота» – він означає, що лайнер знаходиться на рівні, де забезпечується краще співвідношення швидкості і витрати пального.

Але чому літаки не піднімаються вище? Роль грають технічні моменти. Адже зайва розрідженість атмосфери не корисна: повітряні потоки підтримують літак, як вода в океані – корабель. Якщо піднятися вище 12 000 м, лайнер втратить стійкість, оскільки його крила виявляться марні.

Правда, правило поширюється тільки на пасажирський авіатранспорт. Військові літаки здатні підніматися вище, але всі рекорди б’ють моделі, побудовані по розробкам NASA. Судно-безпілотник, назване «Геліос», здійснює перельоти на висоті 30 км.

Дуг Морріс, пілот на лініях Air Canada, пояснює: «Чим вище, тим краще, адже розрідженість повітря означає менше тертя».

Що ще впливає на висоту польотів

Те, на якій висоті летить літак, визначається наступними нюансами:

• моделлю повітряного судна;
• вантажопідйомністю;
• швидкістю;
• завантаженістю повітряних коридорів;
• допустимим витратою палива;
• кількістю кисню і розрідженістю атмосфери.

Чому стандартний варіант для цивільної авіації – 10 000 м? На це впливає ряд факторів:

• Реактивним двигунам потрібне охолоджування. Якщо піднятися на 10 000 м, температура за бортом складе – 50 ˚C.
• Для нинішніх літаків не стане трагедією вихід з ладу 1 двигуна, але потрапляння птахів в турбіни небажано. З цієї причини судно піднімається на рівень, куди не долітають пернаті.
• Якщо виникне непередбачена ситуація, у екіпажа і диспетчерів буде більше часу на прийняття рішень.
• На цьому рівні лайнер виявляється вище хмар. Негода впливатиме на нього менше.

Розробки компаній Airbus і Boeing дозволяють лайнерів підніматися вище – на 13 000 м, оскільки їх двигуни потужніші, ніж у ТУ-154. Для останніх гранично допустима висота -12 100 м.

Пояснення також дає Джон Кокс – колишній капітан US Airways, який вийшов на пенсію і заснував консалтингову компанію в сфері безпеки авіаліній. В інтерв’ю для USA Today він відповів на ряд питань:

• На скільки може піднятися літак, не отримавши ушкоджень? У кожної моделі є сертифікована максимальна висота. Вона визначається під час тестових польотів, але потім значення трохи знижують. Це необхідно, щоб забезпечити безпеку екіпажу і пасажирам.
• Чи є висота, де не існує турбулентності? Неприємне явище, якого бояться пасажири, відсутня там, де мало повітря. Якщо піднятися над рівнем моря на 15-16 км, турбулентності не виникне. Але на звичайних авіарейсах лайнери літають нижче.
• Що станеться, якщо судно підніметься вище, ніж дозволено сертифікацією? Двигуни не зможуть виробляти достатньо енергії для польоту. Але розгерметизації салону або кабіни не трапиться.

Визначення висоти польоту засноване на комплексі даних, тому встановлюється індивідуально. Якщо хочете дізнатися точний показник, прислухайтеся до оголошень, які робить пілот.

Перший літак, сконструйований братами Райт, піднімався над землею всього лише на 3 м. Коли конструкторам вдалося досягти рівня верхівки Ейфелевої вежі, вони викликали сенсацію. А дізнатися докладніше, на якій висоті і як літають нинішні літаки, ви зможете з відео:

На якій висоті літають літаки: максимум і мінімум

Висота також визначається в залежності від типу судна: в цивільній авіації гонитва за показником не потрібна, а винищувачам раніше доводилося підніматися вище. Але для нинішніх військових літаків важливіше швидкість, з якою вони виконають завдання і повернуться на базу. Причиною цього стало розвиток технологій, оскільки ракети класу «повітря-повітря» збивають винищувачі на будь-якій висоті.

Але здатність літаків військової авіації підніматися вище, ніж звичайні, зберігається. Деякі моделі знаменитого U-2 досягають показника 27 км! У цьому випадку тиск настільки низько, що пілотам доводиться надягати спеціальні костюми. Розріджене повітря грає на руку розробникам реактивних моделей: ті розвивають швидкість.

Мінімальна ж висота польоту у «кукурузників», які виконують сільськогосподарські роботи. Вони не піднімаються вище 5 км.

Небесні дороги: літаки, що летять по одному маршруту, не зіткнуться

Якщо літаки летять приблизно на одній висоті, чи не може судно, наступне рейсом «Москва-Париж» зіткнутися з повертаються з Франції в столицю РФ? Адже в повітрі одночасно виявляються 5 000 лайнерів (ви побачите в онлайн-режимі на спеціальному сайті ). Не хвилюйтеся: у цивільній авіації передбачені всі складні моменти. Немає причин гадати, скільки зараз літаків в повітрі і як їм вдається розминутися.

Шукайте дешеві квитки на будь-який вид транспорту, не виходячи з дому:

Лайнери літають по певним трасах, тому у кожного є своя «повітряна дорога». А щоб уникнути лобових зіткнень, служби аеропортів розробили систему ешелонів (трас по вертикалі).

Це означає, що в напрямку «Москва-Париж» лайнер набере одну висоту, а при поверненні опуститься трохи нижче. Між судами залишиться мінімум 300 м.

Здається, що в одному напрямку літак летить швидше? Це пов’язано з тим, що його маршрут проходить через ділянку, де переважає певний вітер.

Хто визначає висоту в конкретному випадку

Хто ж встановлює висоту польоту для конкретного пасажирського літака? Для відповіді на питання доведеться згадати, що рух здійснюється по прокладеним повітряним маршрутами. Лайнери летять не прямо, а від однієї встановленої точки до іншої. Траєкторія розробляється з урахуванням витрат палива, і дальність повинна бути мінімальною.

Поглянувши на зображення маршрутів, можна вирішити, що повітряні судна рухаються по дузі. Адже так відображається інформація навіть на моніторах в салоні! Але причина проста: Земля кругла, а карти або екрани плоскі. Спотворення при відображенні даних не уникнути, тому здається, ніби літак рухається по великій параболі.

Маршрути не завжди проходять по прямій. Моделям з 2 двигунами при перельотах через океан забороняється віддалятися від аеропортів, де можна здійснити екстрену посадку.

Систему управління цим рухом здійснюють не пілоти, а диспетчери. Адже капітан на борту не завжди бачить близькість інших лайнерів. Навіть якщо він помітить, що наближається «Боїнг», до зіткнення залишиться мало часу. Тому навігацію здійснює диспетчерська служба.

Побачивши, що до повітряного судна наближається інше, диспетчер дає команду змінити висоту. Також іноді вносяться коректування в курс і швидкість польоту. Справитися з завданнями допомагає радіолокаційна система, що показує реальне розташування літаків. Коли лайнери виявляються занадто близько, вона подає сигнал; реагує вона і на надмірне зниження літаків. Заходи забезпечують повну безпеку для екіпажу та пасажирів, тому ви можете спокійно відпочивати або робити фото пейзажів за ілюмінатором.

Пілотові дозволяється змінювати висоту, але в рамках виділеного ешелону.

Чи існує мінімальний поріг

З максимальною висотою польоту пасажирського літака все гранично ясно. Але чи існує мінімальний допустимий поріг?

Обмеження дійсно були встановлені міжнародним законодавством. Найменша безпечна висота позначається абревіатурою LSALT. Найчастіше вона застосовується до приватних літаків, але правил повинні дотримуватися і авіакомпанії.

Закони забороняють опускатися нижче, ніж на 1000 футів (305 м) над житловими будівлями і на 50 футів (152,4 м) над людиною або транспортним засобом. Обмеження пов’язані з низкою факторів, в числі яких шум і безпеку. Правила не поширюються на випадки, коли літак іде на посадку або злітає на міжнародному повітряному коридорі.

Температура і погода за бортом

Якщо ви часто користуєтеся послугами авіаперевізників, то звертаєте увагу: пілоти інформують пасажирів про температуру за бортом. Але летите ви взимку або влітку, найчастіше чуєте, що показник становить – 50 ˚C. Чому так відбувається?

Пасажирські лайнери конструюються з розрахунком, що вони піднімуться на висоту 10 000 м. На цьому рівні температура повітря мало змінюється в залежності від пори року. Невеликі коливання можливі через різні факторів, в тому числі погоди на ділянці, над яким ви пролітаєте.

рекорди польотів

Який же світовий рекорд висоти польоту літака? Він був поставлений в 1977 р, коли Олександр Федотов і його надзвуковий МіГ-31 піднялися на 37 000 м. Досягнення залишилося рекордним для літаків, які піднімаються в повітря самостійно. Існують також моделі, що доставляються на інших судах до певної висоти і стартують звідти.

Пілоти ж цивільної авіації керують лайнерами на висоті максимум 13 000 м. Їх завдання – забезпечити безпеку пасажирів і максимально заощадити паливо, а не стати рекордсменами. На поточний момент кращих показників досягли моделі Boeing і Airbus.

висновок

Відстань від швидкісного літака до поверхні показує спеціальний прилад – висотометр. Зазвичай воно досягає 10 000 м, але моделі від відомих авіакомпаній піднімаються на 12-13 000 м. Висота визначається при складанні повітряних маршрутів, тому пілот може міняти її лише в рамках ешелону.