Самое интересное из физики и техники Почему летает самолет?
Здравствуйте, уважаемые читатели! С вами снова Елена Голенастова. Сегодня мы поговорим о принципах полета самолета, о том, что его удерживает в воздухе и о таких понятиях как звуковой и тепловой барьеры.
Почему летаетсамолет?
При выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу – толчок приклада в плечо. Эта сила действует на приклад ружья очень короткое время – около 0,002с. Но на станок пулемета эта сила действует почти постоянно, пока пули вылетают из ствола.
Так же и летательный аппарат может получать постоянную подъемную силу, если он непрерывно отбрасывает воздух вниз. Именно для этого и нужны самолету крылья. Если крыло движется горизонтально и при этом поставлено подуглом к направлению движения (этот угол называется углом атаки), оно отбрасывает встречный воздух вниз и тем самым создает подъемную силу, направленную вверх.
Подъемная сила зависит от массы ежесекундно отбрасываемого воздуха, а она, в свою очередь, пропорциональна плотности воздуха, скорости полета и площади крыла самолета.
Итак, подъемную силу можно создавать довольно просто, но для этого обязательно нужно, чтобы крыло в воздухе двигалось. Решается это по-разному: птицы машут крыльями; планеры используют снижение – сопротивление воздуха преодолевается силой тяжести. Самолету же нужен двигатель. Но, может быть выгоднее повернуть этот двигатель так, чтобы его тяга компенсировала и силу тяжести аппарата? Нет, это невыгодно, так как подъемная сила крыла во много раз больше сопротивления воздуха. Отношение
получаемой подъемной силы к лобовому сопротивлению называется аэродинамическим качеством. Сейчас для дозвуковых самолетов это отношение достигает 15-18, а для сверхзвуковых – 8-12.
В более простом представлении аэродинамическое качество можно расценивать как расстояние, которое может пролететь летательный аппарат с некоторой высоты в штиль с выключенным двигателем (если он вообще есть). Например, на планере качество обычно около 60, а на дельтаплане - 16). То есть с высоты в 1 километр спортивный планер сможет пролететь в идеальных условиях приблизительно 60 - 70 км, а дельтаплан - 16.
На образовании подъемной силы крыла основан и полет вертолетов: если несколько крыльев соединить вместе (получится «ротор» вертолета) и вращать их двигателем, то каждое крыло будет создавать подъемную силу и они поднимут вертолет в воздух. Наклоняя ротор в сторону, вертолет будет двигаться в нужном направлении.
Звуковой барьер и тепловой барьер.
В середине 20 века самолеты преодолели звуковой барьер – их скорость стала больше скорости звука (скорость звука в атмосфере равна 300-340 м/с в зависимости от высоты). Преодолеть этот барьер было нелегко. Когда какое-нибудь тело, например крыло самолета, движется, в воздушной среде возникают возмущения в виде волн сжатия и разрежения. Они подготавливают воздух к обтеканию крыла: частицы воздуха приобретают скорость и «расступаются» еще до того, как их достигнет передняя кромка
крыла.
Но так будет лишь в том случае, если скорость движения крыла меньше скорости звука, с которой распространяются возмущения. Только при этом условии возмущения могут обогнать крыло и «подготовить» воздух к «встрече» с ним. В результате воздух плавно обтекает крыло.
Если же крыло движется быстрее, чем звук, то возмущения уже не обгоняют крыло и не «подготавливают» воздух к «встрече». Мало того, распространяясь во все стороны в неподвижном воздухе, эти возмущения будут накапливаться, сжимая воздух вдоль двух линий, которые называются ударными волнами. Обтекание крыла уже не будет плавным. Это создает дополнительное, так называемое волновое, сопротивление. Когда самолет пролетает со сверхзвуковой скоростью, то на Земле слышим как
бы раскаты грома – это доходит до нас ударная волна. Поэтому при сверхзвуковой скорости лобовое сопротивление движению значительно больше.
В аэродинамике удобно судить о скорости по отношению скорости полета к скорости звука. Эта величина называется числом Маха: М = скорость полета/скорость звука. Число М=1 соответствует скорости звука. Чем больше число М, тем сильнее проявляется сжимаемость воздуха. При небольшой дозвуковой скорости, когда число М<0,7, сжимаемостью воздуха можно пренебречь.
Преодоление звукового барьера, т. е. завоевание самолетами скоростей, соответствующих числу М>1, потребовало широких исследований. Ученые стремились уменьшить аэродинамическое сопротивление и создать как можно более плавное обтекание самолета. Сейчас летчик даже не замечает, когда самолет превышает скорость звука, а первые попытки получить при пикировании даже околозвуковую скорость на старых самолетах кончались катастрофой: самолет начинало бросать, он переставал быть управляемым.
Ученые и конструкторы продолжают искать, как еще больше увеличить скорость самолета. И тут обнаруживаются новые интересные явления.
Вот самолет подготовлен к скоростному полету. Он выглядит совсем новым, как будто и не совершили на нем множество тренировочных полетов. «Взлет разрешаю!» - передает по радио руководители полетов, и самолет стремительно уходит ввысь. Через полчаса, когда он идет на посадку, уже известно: в течение нескольких минут самолет превысил скорость звука значительно больше, чем вдвое.
Знакомая во всех деталях машина подруливает к ангару. Но что это? Краска, которой прописаны большие опознавательные номера, потемнела и обуглилась; сверкающая металлическая поверхность самолета во многих местах покрылась пятнами; помутнели стекла кабины летчика. Такое впечатление, будто самолет побывал в раскаленной печи. Но ученые и инженеры ждали этого!
Сжатие нагревает газ, и он передает теплоту окружающим предметам. Поэтому нагревается насос, когда накачивают велосипедную шину. То же происходит и в самолете в тех его частях, где воздух сжимается. Иными словами, преодолев звуковой барьер, самолеты встречаются с тепловым барьером. Если полет происходит в стратосфере (т. е. выше 11 км), где температура воздуха равна – 56,5°C, то на поверхности самолета при М=5 температура может достигать почти 1000°C.
Все материалы при нагревании становятся менее прочными. Так, у алюминия, который чаще всего применяется в конструкции самолетов, прочность снижается очень заметно при температуре около 200°C. Чтобы преодолеть тепловой барьер, применяют новые жаростойкие материалы из металлов и полимеров (уже сейчас для самолетов применяют сталь и титан), но, конечно, должна измениться и форма самолета.
Если еще больше увеличить скорость полета (до числа М=10-15), температура воздуха станет такой высокой, что уже необходимо учитывать изменения физических и химических свойств газов, образующихся у самого крыла. Исследование течения воздуха при таких скоростях началось не очень давно.
Если у вас есть какие-то вопросы или пожелания, пишите мне по адресу lemqyt@mail.ru , буду очень рада вам ответить.
