Почему самолёт летает и не падает
Самый большой пассажирский самолёт весит больше 500 тонн, и всё равно поднимается в небо. Как это возможно? В школьных учебниках и интернете часто дают упрощённое объяснение, которое на самом деле неверно. Разбираем, как работает крыло, какой миф стоит забыть и какие опыты помогают понять подъёмную силу.
Для 7–11 классов.
Четыре силы
- Сила тяжести тянет самолёт вниз.
- Подъёмная сила создаётся крыльями и направлена вверх.
- Тяга создаётся двигателями и тянет вперёд.
- Сопротивление воздуха тормозит движение.
В ровном полёте на постоянной высоте и скорости все силы уравновешены: подъёмная сила равна силе тяжести, тяга равна сопротивлению. Это первый закон Ньютона: если силы скомпенсированы, тело движется равномерно и прямолинейно. Подробнее о законах Ньютона в отдельной статье.
Как работает крыло
Главное, что делает крыло, отклоняет поток воздуха вниз. Крыло наклонено к набегающему воздуху под небольшим углом, его называют углом атаки, и имеет изогнутый профиль. Воздух, обтекая крыло, уходит за ним вниз.
По третьему закону Ньютона, если крыло толкает воздух вниз, воздух толкает крыло вверх с той же силой. Самолёт каждую секунду отбрасывает вниз тонны воздуха, и сила отдачи держит его в небе. Это как высунуть ладонь из окна едущей машины и чуть наклонить её: рука сама уходит вверх.
Есть и второе объяснение той же силы, через давление. Над крылом воздух течёт быстрее, под крылом медленнее. По закону Бернулли там, где поток быстрее, давление меньше. Над крылом давление ниже, под крылом выше, разница давит вверх. Оба объяснения верны и описывают одно явление с разных сторон.
Миф о «равном времени»
Во многих книгах объясняют так: воздух над крылом проходит более длинный путь, чем под крылом, а встретиться у задней кромки должен одновременно, поэтому сверху он движется быстрее. Звучит логично, но это неверно.
Никакого закона, заставляющего частицы воздуха встретиться снова, нет. Опыты в аэродинамических трубах показывают, что воздух над крылом на самом деле движется ещё быстрее и приходит к задней кромке раньше нижнего. Кроме того, если бы объяснение было верным, самолёты не могли бы летать вверх ногами, а пилоты-акробаты это делают, просто увеличивая угол атаки.
Хороший урок: даже объяснение из учебника стоит проверять. Мы писали об этом в статье о том, как читать научные новости.
Опыты дома
Лист бумаги
Возьмите полоску бумаги за короткий край и поднесите к нижней губе так, чтобы она свисала. Сильно подуйте над ней. Полоска поднимется. Быстрый поток над бумагой уносит воздух, давление над ней падает, и бумага поднимается, а заодно поток отклоняется вниз, огибая изогнутую полоску.
Бумажный самолётик
Сложите два одинаковых самолётика и у одного загните задние края крыльев немного вверх, а у другого вниз. Первый будет задирать нос, второй пикировать. Так работают рули высоты на настоящем самолёте: отклоняя поток, они меняют угол атаки.
Задача
Почему бумажный самолётик падает, если запустить его слишком медленно, и кувыркается, если слишком сильно задрать нос?
Подъёмная сила растёт со скоростью: медленно летящее крыло отбрасывает мало воздуха и не держит вес.
При слишком большом угле атаки поток срывается с верхней поверхности крыла и перестаёт плавно его обтекать. Подъёмная сила резко падает. Это называется сваливанием.
Ответ: нужна достаточная скорость и умеренный угол атаки.
Немного цифр
Подъёмная сила растёт пропорционально квадрату скорости и площади крыла. Поэтому большие самолёты разгоняются для взлёта до 250–300 км/ч, а маленькие спортивные взлетают на 100 км/ч. На крейсерской высоте 10–11 километров воздух в три-четыре раза разреженнее, чем у земли, и самолёт летит со скоростью около 900 км/ч, чтобы крылья отбрасывали достаточно воздуха.
Задача
Если скорость самолёта увеличить вдвое при том же угле атаки, во сколько раз вырастет подъёмная сила?
Подъёмная сила пропорциональна квадрату скорости.
2² = 4.
Ответ: в 4 раза.
Поэтому при посадке самолёт выпускает закрылки: они увеличивают площадь и изгиб крыла, чтобы держаться в воздухе на малой скорости.
Птицы и насекомые
Птицы используют те же законы, но их крылья ещё и машут: при взмахе вниз они отбрасывают воздух назад и вниз, создавая и тягу, и подъёмную силу. А вот у насекомых всё сложнее: шмель долго считался «загадкой», потому что по простым расчётам для неподвижных крыльев он не должен летать. Учёные выяснили, что быстрые взмахи создают над крылом вихри, которые дают дополнительную подъёмную силу. Так что шмель летает вполне по законам физики, просто эти законы сложнее школьных формул.
Разберём на занятии
Занимаемся по всем школьным предметам с 4 по 11 класс: живые занятия, общая доска и домашка, которую проверяет тот же преподаватель.
Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.
Частые вопросы
Почему самолёт не падает, если отказал двигатель?
Крылья продолжают создавать подъёмную силу, пока самолёт движется. Без двигателя он превращается в планер и снижается, переводя высоту в скорость. Пассажирские самолёты могут пролететь так десятки километров и сесть.
Почему вертолёт летает без крыльев?
Крылья у него есть, только вращающиеся: лопасти винта это узкие длинные крылья. Вращаясь, они отбрасывают воздух вниз, и сила отдачи держит вертолёт. Поэтому под вертолётом всегда сильный ветер, который поднимает пыль и снег.
Почему перед взлётом просят пристегнуться?
На взлёте и посадке самолёт быстро меняет скорость, а в полёте может попасть в турбулентность, вихревые потоки воздуха. Ремень удерживает человека, если самолёт резко тряхнёт: по закону инерции тело продолжает двигаться, когда самолёт уже изменил движение.
Где об этом говорят в школе?
В физике 7 класса при изучении давления и атмосферы, в 9 классе в теме законов Ньютона, а закон Бернулли обычно рассматривают в старших классах или на кружках.