№ 93. Почему самолеты летают и крыльями не машут?

Человеку давно хотелось научиться летать подобно птицам. Среди изобретений великого Леонардо да Винчи есть и конструкция «махолета» – механизма, который должен был перемещаться по воздуху, взмахивая крыльями. Но изобретатели самолетов пошли другим путем. Главным движущим элементом стал винт – набор прикрепленных к оси лопастей. Так, вертолет при помощи винтов, заменивших машущие крылья, отбрасывает воздух, отталкиваясь от него. Сила отдачи воздуха, она же – сила тяги, позволяет вертолету как зависать на месте, так и двигаться в нужном направлении. Однако движутся вертолеты намного медленнее самолетов, да и груза они могут взять на борт совсем немного.

Принцип «удержания» самолета при полете на одной и той же высоте совсем другой. Он связан с особым обтеканием корпуса и крыльев самолета воздухом. Именно на жестко связанные с корпусом крылья самолет «опирается» при движении в воздухе. Учитывая большой вес «железной птицы», количество обтекающего ее воздуха должно быть значительным, что, соответственно, требует большой горизонтальной скорости. Горизонтальную скорость обеспечивают вращающиеся винты (либо реактивные турбины), а вот противодействие силе тяжести обеспечивает совсем другой механизм. Главным здесь является специальная форма тела (поперечного сечения) самолета.

Представим заостренное тело цилиндрической формы, которое движется по воздуху в направлении своей оси. Цилиндр, «внедряясь» в покоящийся воздух, его уплотняет, одновременно создавая разреженность сзади. Упругий воздух, сжимаясь, выталкивается назад, и обычный цилиндр будет обтекаться воздухом одинаково со всех сторон. А если сверху цилиндра приделать «возвышение»? Тогда струи воздуха, обтекающие цилиндр, сверху будут двигаться быстрее, чем снизу. Потому что верхние струи воздуха, встречая на пути «выпуклости» корпуса, убыстряются как в сужающейся трубе.

Знаменитый швейцарский физик XVIII века Даниил Бернулли, описывая динамику жидкостей и газов, доказал, что «в потоке воздуха давление больше там, где скорость воздуха меньше». То есть в нашем случае – внизу, под цилиндром. Но сила, способная удержать движущееся сквозь воздух тело, определяется еще и площадью поверхности, вдоль которой эта разность давлений – меньшее сверху и большее снизу – будет приложена. И вот здесь на помощь цилиндрическому корпусу приходят крылья. Как известно, нижняя кромка крыла практически плоская, а вот верхняя его поверхность выпуклая («горбатая»).

Такая форма крыльев и обеспечивает необходимую подъемную силу цилиндру-самолету. У современных самолетов крылья могут менять форму при помощи дополнительных подкрылков, которые и помогают самолету менять высоту при движении.

Сергей Кротов, физик