Почему самолет летает?
Когда один человек, мнение которого я ценю, прочел черновик
этой статьи, он воскликнул - Бедные студенты авиационных
институтов! Ну, что сказать? Это он выразил свои впечатления, еще
не перелистав ни одного учебника по аэродинамике... А там
сплошные математические дебри из интегралов, дифференциалов
и прочих математических знаков. Мне хотелось бы написать статью
кратко, четко, но боюсь, что кратко не получится. Поэтому прошу
читателя проявить терпение, обещаю, в статье Вы прочитаете такое,
что еще нигде не читали… Будет интересно! А еще я постараюсь,
чтобы в статье было как можно меньше формул. В интернете в
одном видеоролике можно увидеть, как очень известный учитель
физики из Одессы говорит - Физик не тот, кто знает формулы, а тот,
кто формулы может вывести. Я бы сказал несколько по-другому –
Физик не тот, кто знает формулы, и не тот , кто может формулы
вывести, а тот , кто понимает физическую суть явления, ну, и
естественно, и формулы может вывести. Похожей точки зрения,
кстати, придерживался и Даниил Бернулли, о знаменитом
уравнении которого пойдет речь ниже. В книге ,,Великие
математики Бернулли“, автор Никифоровский Виктор,
сообщает : ,,Даниил Бернулли был типичным представителем того
направления, для которого математика является лишь
вспомогательным средством для изучения природы, и он мало
интересовался специально математическими вопросами. Он любил
подчеркивать, что он не математик, и иногда высказывал
недовольство тем, что в механических или физических работах
слишком много используется математика“. Даниил Бернулли
написал Эйлеру 26 января 1750 года: ,,Для реальной физики было
бы лучше, если бы математики вовсе не существовало на свете“.
Конечно, это резковатое высказывание, но тому , видимо, были
причины... Не могу удержаться, чтобы не привести известное
высказывание Альберта Эйнштейна: ,,Существует поразительная
возможность овладеть предметом математически, не поняв
существа дела“.
Желание написать на эту тему у меня возникло в связи с тем, что
вопрос почему летает самолет , а точнее , почему возникает
подъёмная сила крыла, вероятно держит пальму первенства по
мифам и заблуждениям. По моим прикидкам 90-95 процентов книг,
как научно-популярных, так и учебников содержат по этому вопросу
заблуждения и принципиальные ошибки. Тоже самое относится к
статьям и видеороликам в интернете. Пожалуй, там дела обстоят
еще более печально, так как любой желающий может свободно
выложить своё неправильное, некомпетентное мнение.
В настоящее время общепринятой точкой зрения причиной
возникновения подъемной силы, действующей на крыло самолета
считается разница давления над крылом и под крылом: над
крылом давление меньше, под крылом больше. Остается
разобраться , почему над крылом давление меньше, чем под
крылом. И вот тут начинаются разночтения. И заблуждения. Кто-то
вспоминает об уравнении Бернулли... Еще более продвинутые
говорят о присоединенных вихрях, о которых поведал миру в 1905
году Николай Егорович Жуковский. К сожалению пока не нашлось
ученого-популяризатора наук ни в нашей стране ни за рубежом,
который бы внятно и в доступной форме рассказал, как и почему
возникает подъемная сила крыла. В чем причина этого?! Все так
просто, что тут даже говорить не о чем? Или есть какие-то
сложности и не так-то просто объяснить , особенно в доступной
форме, почему возникает подъемная сила крыла...
На мой взгляд, заблуждение №1 — это то, что в книгах и статьях
в большинстве случаев указывается только один способ
объяснения, почему возникает подъёмная сила крыла. Считаю, что
на самом деле существует два способа объяснения, почему
возникает подъёмная сила крыла. Можно сказать немного и по-
другому- существует два фактора(эффекта) из-за которых возникает
подъёмная сила крыла. Можно сказать еще и так- существуют две
версии, объясняющие возникновение подъемной силы крыла, и
обе эти версии правильные и равноправные. Первая версия
основана на законах Ньютона, вторая версия базируется на
разности давления над крылом и под крылом. Об этом говорится в
книге ,,Как все работает. Законы физики в нашей жизни’’. Автор Л.
А. Блумфилд. Разумеется в этой книге идет речь не только о
самолетах, но и многих-многих других вещах.
Чтобы понять всю интригу вопроса о подъемной силе крыла
следует пройти, хотя бы быстро и кратенько, исторический путь
развития физики и авиации. Первая версия, связанная с Ньютоном,
заключается в том, что молекулы воздуха при движении самолета
упруго ударяются о крыло самолета, и поток воздуха уходит от
нижней плоскости крыла вниз и назад (относительно направления
движения самолета). Здесь молекулы воздуха можно уподобить ,
грубо говоря, гороху. Который бомбардирует крыло… Конечно, на
самом деле все сложнее.
А началось все еще при Леонардо да Винчи - и мысли о
летательных аппаратах, и рассуждения о течении жидкостей и
воздуха. Но по настоящему научный подход был осуществлен в 17
веке.
И сделал это всемирно известный ученый Исаак Ньютон. Он тогда
занимался изучением течения жидкостей и газов, и процессов
происходящих при обтекании потоком жидкости физических тел
разной геометрической формы, помещенных в этот поток. Вывел
формулу, позволяющую описать этот процесс и произвести расчеты.
Формула(и закон) получила название - Ньютона теория обтекания.
Когда говорят о подъемной силе крыла, то говорят о факторе,
приводящему к возникновению подъемной силы и называют этот
фактор - Ударная теория Ньютона. Но в России часто в научно-
популярной литературе используется другое название этого
фактора — фактор воздушного змея. Для нас это намного понятнее
и нагляднее. Позже мною будет объяснено, почему воздушный
змей… Этот способ объяснения возникновения подъемной силы
начал применяться, видимо, еще пионером авиации Отто
Лилиенталем(1848-1896). Немецкий инженер и первый летчик-
исследователь, говорится в Википедии, разработал , построил и
испытал одиннадцать летательных аппаратов. Научное
обоснование причин парения птиц, сделанное Лилиенталем и
продолженное Н.Е. Жуковским, во многом определило развитие
авиации. Совершил свыше двух тысяч полетов на планерах
собственной конструкции. К сожалению, судьбой ему было
отпущено всего 48 лет жизни. 9 августа 1896 года он при
проведении очередного испытательного полета погиб, упав
вместе с планером на землю с высоты 15 метров из-за сильного
порыва ветра.
Эстафету освоения воздушного пространства с помощью
летательных аппаратов тяжелее воздуха подхватили затем сразу в
нескольких странах. Наверное, надо сказать, что и братья Райт в
маленьком городке в США занялись конструированием своих
первых планеров, прочитав в городской газете сообщение в виде
телеграммы о гибели в далекой Германии знаменитого
воздухоплавателя Отто Лилиенталя . В те времена уже многим
было понятно, что надо ставить на планер двигатель внутреннего
сгорания с пропеллером. Дело задерживалось в связи с тем, что
еще не было легкого и мощного двигателя. Как известно, первый
полет на самолете совершили братья Райт в Америке. Братьев
звали Уилбер(1867-1912) и Орвилл(1871-1948), которые родились в
семье священника, оба посещали школу, но не получили аттестатов
об окончании школы. Несмотря на это, благодаря природному уму,
огромному трудолюбию и таланту братья Райт сумели построить
сначала планеры, а затем и аппарат, который тогда назывался
летательной машиной. Кстати , в России слово самолет начало
приобретать известность в 1910 году с легкой руки поэта Василия
Каменского, который сам летал на аэропланах. Окончательно это
слово вошло в русский язык примерно в середине тридцатых годов
двадцатого века, а до этого чаще всего использовалось слово
аэроплан. У многих людей, в том числе и у меня, было впечатление,
что братья Райт вот просто наугад взяли и построили летательный
аппарат, который сейчас называют самолетом. Разумеется такого и
быть не могло. Братья Райт провели сотни и даже тысячи
экспериментов. Сначала ими были построены и испытаны планеры,
и только потом был построен самолет, который они тогда называли
летательной машиной. Официально первый полет братьями Райт
был осуществлен 17 декабря 1903 года. Изучая историю вопроса
мне довелось прочитать книгу ,,Братья Райт“. Автор Зенкевич
Михаил. Книга была написана и опубликована в Советском Союзе в
1936 году. Михаил Зенкевич был поэтом и переводчиком, и это был
его первый опыт в жанре биографий. Книга вышла в серии ,,Жизнь
замечательных людей“. Прекрасная книга, рекомендовал бы всем
с ней ознакомиться, прочитать, и отдать должное братьям Райт...
Они совершено правильно поняли и определились, что самым
главным является управление полетом... Что толку от летательной
машины, которая может летать только по прямой линии?! Но самое
главное даже не в этом, хорошая управляемость очень важна для
безопасности полета! И в патенте они указали на возможность
управления полетом… И нашли практическое решение для
управления полетом… Сейчас для нас это звучит странно - для
управления полетом использовалось перекашивание крыла!
Желающие узнать, что это такое , могут найти ответ в книге
Зенковича М. Для нас важно вот что... Как братья Райт
рассчитывали подъемную силу крыла... Многие думают, что братья
Райт ничего не рассчитывали, а построили свой аэроплан чисто по
интуиции! Прочитав книгу Михаила Зенкевича читатель узнает,
сколько тысяч опытов , измерений и исследований провели Уилбер
и Орвилл Райт. Они ознакомились с трудами Отто Лилиеталя, с его
методикой расчета подъемной силы крыла, и обнаружили, что на
практике есть большая разница в величинах подъемной силы. В
книге о об Отто Лилиентале говорится: ,, Лилиенталь первым
доказал возможность планирующего полета и первый правильно
подошел к изучению аэродинамических сил, действующих на
крыло. Он доказал, что подъемная сила слегка вогнутых
поверхностей , при известном их наклоне к ветру, в несколько раз
больше плоских, и составил таблицы воздушных сопротивлений
при различных углах атаки крыла.“ Братья Райт, знакомые с трудами
Отто Лилиетали сделали крылья на своих планерах , а потом и на
самолете слегка вогнутыми, как и рекомендовал Лилиенталь. А
делались крылья из дерева и ткани с названием муслин. И если
кто - то еще до сих пор считает, что крылья самолета братьев Райт
были плоскими, то теперь будет знать - крылья самолета братьев
Райт не были плоскими. Несовпадение значений подъемной силы с
расчетными величинами привело их к мысли о постройке
аэродинамической трубы. Что и было сделано из подручных
средств. В книге об этом сказано так:,,Эта труба , или ,,ветряной
туннель“ , как они его называли, была устроена в их велосипедной
мастерской и обошлась им в 15 долларов. Труба была деревянная,
длиной в 6 футов, 16 дюймов в диаметре(внутри)… Братья Райт
испытали в своем туннеле более двухсот моделей различных
крыльев размером от 3 до 9 дюймов в длину… Модели крыльев
делались из листового железа“.
Поскольку уже было ясно, что требуется новая методика для
расчета подъемной силы, что модель Ньютона не удовлетворяет
практические запросы зарождающейся авиации, учеными разных
стран были предприняты попытки разработать новую теорию
расчета подъемной силы крыла. Так , в Германии, например,
Вильгельм Кутта, математик по профессии написал важные работы
связанные с подъемной силой крыла. В одной из работ
опубликованной в 1902 году им было дано объяснение почему
крыло с изогнутым профилем дает большую подъемную силу. Что
интересно — из литературы мы можем узнать, что даже великий
химик Дмитрий Иванович Менделеев очень интересовался
воздухоплаванием и аэродинамикой и был глубоко убежден в
ошибке сэра Исаака Ньютона в вопросе расчета подъемной силы.
Дмитрий Иванович был знаком с Николаем Егоровичем Жуковским,
и в разговорах с ним неоднократно говорил о том, что Исаак
Ньютон допустил ошибку в теории о подъемной силе… Как бы то ни
было, большой рывок, можно даже сказать прорыв, в вопросе
расчета подъемной силы крыла совершил наш российский ученый.
И сделал это отец русской авиации Жуковский Николай
Егорович. 15 ноября 1905 года Николай Егорович Жуковский
(17.01.1847-17.03.1921) прочел в математическом обществе
доклад ,,О присоединенных вихрях”, заложивший теоретическую
основу развития методов определения подъемной силы. В 1906
году доклад был опубликован отдельной научной работой.
Что это за присоединенные вихри будет объяснено чуть позже.
Разумеется Егор Николаевич Жуковский продолжил заниматься
аэродинамикой, по его инициативе еще до революции 1917 года в
России был создан институт, где проводились большие
исследования в области аэродинамики. В результате во всем мире
была принята методика расчета подъемной силы крыла с
использованием теории присоединенных вихрей. Невозможно не
упомянуть о книге , которую написал известный ученый,
занимавшийся практическими вопросами аэродинамики Теодор
фон Карман. Книга имеет название - ,,Аэродинамика. Избранные
темы в их историческом развитии“. И была написана в 1953 году,
юбилейном году для авиации — пятидесятилетия полета братьев
Райт. Теодор фон Карман сделал для авиации немало, и поэтому в
его честь была названа дорожка из вихрей за телом, находящимся в
потоке воздуха, которую он изучал и описал. Карман в книге
написал, что сейчас все делают расчеты по Жуковскому, а о старом
способе расчета подъемной силы крыла все забыли. Да,
действительно, о старом способе расчета подъемной силы крыла
все забыли… А вот интерес из- за чего все же возникает подъемная
сила крыла сохранился, и даже получил большое развитие в виде
видеороликов в интернете(на Ютьюбе). Здесь , на мой взгляд,
тонкость заключается в том, что расчет подъемной силы крыла, это
одно, а вот физическая сущность процессов, приводящих к
возникновению подъемной силы крыла, это все-таки несколько
другое. И здесь ясности нет до сих пор, хотя самолеты летают с
1903 года. Даже среди популяризаторов науки с мировым именем
нет единого мнения… В интернете можно скачать книгу ,,Глазами
физика. От края радуги к границе времени“.Книгу написал
всемирно известный популяризатор физики Уолтер Левин. Он
живет в США и преподает физику в Массачусетском
технологическом институте. В упомянутой книге в статье ,,Бернулли
и не только»“, Уолтер Левин говорит, что существуют два фактора
возникновения поъемной силы. Первый связан с ударной теорией
Ньютона, а второй связан с разницей давления над крылом и под
крылом , объясняемой законом Бернулли. При этом У. Левин
ссылается на статью(,,Аэродинамическая подъемная сила - как
летают самолеты“) другого ученого Б. Джонсона, работающего в
университете Чикаго. Дается ссылка на эту статью. Поскольку мною
читалась статья в книге Левина в электронном виде с помощью
ноутбука, мне удалось легко пройти по ссылке и прочитать статью
Джонсона в машинном переводе, что было местами очень смешно.
Тем не менее в статье Джонсона приводится много конкретных
цифр для одной из моделей самолета Боинг. Ограничусь всего
лишь одной цитатой:,,В случае с Боингом 747 (он летает со
скоростью около 900 километров в час на высоте около 10 тысяч
метров) более 80 процентов подъемной силы обеспечивается
реактивной подъемной силой и лишь менее 20 процентов — силой
Бернулли“. Здесь мне , видимо, необходимо дать маленькое
пояснение, так как для многих читателей термин реактивная
подъемная сила покажется , всего скорее очень странным. Не могу
сказать, ошибка ли это при переводе, или действительно на Западе
физики так говорят. Под словами реактивная подъемная сила здесь
понимается сила возникающая в соответствии с третьим законом
Ньютона. То есть речь идет об ударной теории Ньютона. Левин, в
качестве доказательства двух факторах возникновения подъемной
силы крыла, в качестве примера, что не только из- за перепада
давления на крыльях возникает подъемная сила крыла, упоминает
о возможности полета самолета вверх колесами(шасси).
Несомненно, человеку интересующемуся физикой , эту статью и эту
книгу стоит прочитать… Можно пойти и другим путем — можно
посмотреть в интернете на ютюбе видеоролики с лекциями Уолтера
Левина. Там объясняются самые интересные и сложные вопросы
физики… Причем в легкой и доступной форме.
Рассмотрим более подробно подъемную силу фактор
воздушного змея, или подъемная сила фактор Ньютона теория
обтекания, или она же — подъемная сила фактор ударная теория
Ньютона. Представим себе простейший бумажный змей, его
основной частью будет плоский лист бумаги расположенный под
углом к ветру. Для наглядности сделаем чертежик. Поток воздуха на
чертеже направлен слева направо.
(Чертеж не приводится, его при желании можно найти).
По теории Ньютона при обтекании жидкостью(газом) физического
тела происходят удары частиц(молекул) вещества жидкости в
поверхность физического тела. Удары упругие и частицы
отражаются от поверхности под тем же углом, что и ударялись в
поверхность. С какой силой поверхность(плоскость) физического
тела воздействует на частицу, с такой же силой и частица
воздействует на плоскость. В результате на плоскость воздушного
змея будет действовать сила направленная вправо и вверх. Эту
силу можно назвать сила аэродинамическая полная. Данную силу
можно разложить по правилу параллелограмма, направив одну
силу вертикально вверх, а другую по горизонтали. Сила
направленная вверх и будет подъемной силой фактор воздушного
змея. Сила направленная по горизонтали в сторону
противоположную направления движения - это сила
сопротивления. Формулу выводить не будем, возьмем в готовом
виде: F=…… (формула не приводится, желающие, не
сомневаюсь, ее найдут...)
Из формулы видно, что подъемная сила зависит от плотности
воздуха, площади плоскости, и от угла наклона плоскости. По своей
сути плоскость крыла самолета и плоскость воздушного змея - это
одно и тоже. Угол наклона плоскости крыла к направлению
набегающего потока воздуха называется углом атаки(данное
определение, конечно, не является научно строгим…). При
горизонтальном полете угол атаки равен 1-1,5 градуса, при взлете
— до 8 градусов. Разумеется угол атаки у воздушного змея намного
больше….
Обычно в научно -популярной литературе о подъемной силе
воздушного змея пишут все правильно. Хорошо написано о
воздушном змее и в знаменитой книге ,,Занимательная физика“. В
первой книге, вышедшей в свет еще в 1936 году, в статье с
названием ,,Почему взлетает бумажный змей“ Яков Исидорыч
Перельман дает прекрасное объяснение. И начинается оно
так: ,,Пытались ли вы объяснить себе , почему бумажный змей
взлетает вверх, когда его тянут за бечевку вперед? Если вы сможете
ответить на
тот вопрос, вы поймете также, почему летит аэроплан….Самолет -
тот же змей, только движущая сила нашей руки заменена в нем
движущей силой пропеллера или реактивного двигателя, которая
сообщает аппарату движение вперед, и следовательно, подобно
змею, заставляет его подниматься вверх“. Есть в статье и чертеж сил
действующих на воздушный змей. Любой желающий может
открыть книгу и посмотреть. Далее знаменитый популяризатор
науки Я.И. Перельман говорит: ,,Здесь дана лишь грубая схема
явления; есть другие обстоятельства, обуславливающие подъем
самолета; о них будет речь в другом месте“. Здесь, видимо,
Перельманом Я. И. имелась ввиду вторая книга и статья в
ней ,,Волны и вихри“. То есть во второй книге предполагалось
объяснение возникновения подъемной силы крыла за счет
перепада(разницы) давления над крылом и под крылом. К
сожалению приходится констатировать, что во второй книге о
подъемной силе крыла сказано всего несколько фраз:,,Велико
значение турбулентного движения воздуха для авиации. Крыльям
самолета придается такая форма, при которой место разряжения
воздуха под крылом оказывается заполненным веществом крыла, а
вихревое действие над крылом, напротив, усиливается. В итоге
крыло снизу подпирается, а сверху присасывается. Сходные
явления имеют место и при парении птицы с распростертыми
крыльями“. Далее приводится рисунок 84 ,,Каким силам
подвержено крыло самолета“. Вот собственно и все, что сказано во
второй книге о подъемной силе крыла. Недопустимо мало по
современным меркам.
В настоящее время, некоторыми
популяризаторами науки при объяснении возникновения
подъемной силы крыла упоминается закон(уравнение ) Бернулли.
Якобы, меньшая величина давления над крылом, по сравнению с
давлением под крылом вытекает из уравнения Бернулли(может
быть объяснена с помощью уравнения Бернулли). На мой взгляд
упоминать о законе Бернулли здесь следует очень аккуратно, чтобы
не получилось упоминание некорректным. Дело в том, что
закон(уравнение ) Бернулли было выведено для одного и того же
потока жидкости в одной и той же трубе(правда, с переменным
сечением). Что касается обтекание крыла воздушным потоком, то
тут мы имеем дело не с одним потоком, а с двумя потоками — над
крылом и под крылом. А трубы вообще нет. Имеется плоскость. И
неограниченный с другой стороны поток воздуха. Некоторые
ученые (физики) дают более хитрое объяснение с применением
уравнения Бернулли. В физике есть такой прием, когда берется для
рассмотрения гипотетическая (виртуальная, говоря современным
языком) трубочка. В данном случае в потоке воздуха, и эта
трубочка будет представлять собой такой микропоток воздуха.
Причем эта трубочка берется над крылом, а поскольку верхняя
поверхность крыла изогнутая, то и виртуальные трубочки будут
изогнутые и меньшими по диаметру в месте изгиба крыла. А
значит в этом месте скорость потока воздуха будет наибольшей, а
давление наименьшим. Теоретически, да, такое объяснение имеет
право на существование, но не объясняет суть процессов на
молекулярном, так скажем , уровне. Кстати, здесь, видимо, будет
уместно сказать, что в интернете есть видеоролик , в котором
приводится фото(рисунок?) опыта в лаборатории. Модель крыла с
аэродинамическим профилем обдувается потоком воздуха. . В
крыле проделаны отверстия идущие от передней кромки крыла к
задней, и к этим отверстиям подсоединены трубочки, идущие к
жидкостным манометрам. Хорошо видно, что действительно,
давление вдоль верхней поверхности крыла меняется в
соответствии с законом Бернулли. Вдоль крыла! Но не над крылом
и под крылом! Возможно, да всего скорее так и было, что
проводились опыты измерения давления над крылом и под
крылом, но фотографий или рисунков с такими опытами не
попадалось мне. Случайно или не случайно Я.И. Перельман,
ничего не говорит об уравнении Бернулли применительно к крылу
самолета и возникновению подъемной силы?! Не вызывает
сомнения, что Яков Исидорыч знал закон(уравнение ) Бернулли, но
тем не менее решил не упоминать о нем. Да и суть дела не в
уравнении Бернулли, суть в тех физических процессах(явлениях) на
молекулярном уровне, которые происходят в первую очередь в
пограничном слое с плоскостью. Здесь все сложно, и к сожалению
до сих пор во всей полноте не объяснено, на мой взгляд. В
некоторых научно - популярных статьях приводятся и совсем
примитивные измышления, иначе и не скажешь. В них говорится,
что исходя из неразрывности воздушного потока(имеется ввиду
поток над крылом и под крылом) воздух должен одновременно
подойти к задней кромке крыла над крылом и под крылом. Но
поскольку путь над крылом будет более длинным вследствие того ,
что верхняя часть крыла изогнутая, скорость воздушного потока
должна быть больше, чтобы прийти к задней кромке крыла
одновременно с воздушным потоком под крылом. А раз скорость
воздуха над крылом больше , то в соответствии с уравнением
Бернулли давление над крылом будет меньше. Но, во - первых
поток воздуха на передней кромке крыла разделяется на два
потока, и следует говорить о двух потоках. Во-вторых, нет никакого
основания говорить о том, что эти два потока должны прийти к
задней кромке крыла одновременно. Более того, эксперименты
показывают, что воздушный поток над крылом, несмотря на то, что
проходится им большее расстояние, быстрее достигает задней
кромки крыла, чем поток идущий по прямой линии под крылом.
(Здесь мы говорим о крыле , которое имеет аэродинамический
профиль). Ну, и выше уже упоминалось, что для двух потоков
применять уравнение Бернулли некорректно… И еще… В законе
Бернулли речь идет о потоке жидкости, в которой градиент
скорости совпадает по своему направлению с направлением потока
жидкости. Когда говорят, что скорость над крылом самолета
больше , чем под крылом, и пытаются применить уравнение
Бернулли для объяснения возникновения подъемной силы, как-то
забывают, что градиент скорости будет перпендикулярен потоку
воздуха! Тоже самое относится и к градиенту давления. Про все это
в интернете на Ютьюбе есть ролик с лекцией ученого-физика из
Кембриджского университета. Хольгер Бабинский в ходе своей
лекции демонстрирует на специальной установке обтекание
потоком воздуха модели крыла с аэродинамическим профилем.
Результаты фиксируются скоростными фото и видеосъемками.
Четко видно , что дым , выпущенный в поток воздуха, набегающий
на крыло идет выше и ниже крыла, причем дым идущий над
крылом достигает задней кромки крыла быстрее, чем дым идущий
под крылом. Это кажется парадоксальным, но это так! Ученый
отметил в своей лекции, что поток воздуха над крылом и поток
воздуха под крылом - это два разных потока и применять к ним
уравнение Бернулли некорректно. Также он отметил, что
уравнение Бернулли применяется для потока жидкости (газа), в
котором градиент давления идет вдоль потока жидкости(газа), а в
потоке воздуха над крылом и под крылом градиент идет(имеет
направление) перпендикулярное потоку воздуха. К сожалению
профессор ничего не сказал о возможности применения уравнения
Бернулли к гипотетическим (виртуальным) цилиндрическим
трубкам над крылом самолета. О которых мною было сказано
выше. На кадрах из эксперимента видно, что поток воздуха над
крылом движется по кривой линии, огибая поверхность крыла. Но
что заставляет двигаться поток воздуха по кривой? В соответствии с
первым законом Ньютона только сила, воздействующая на поток,
может изменить направление движения потока воздуха. Из физики
известно, что если тело движется по кривой, то на него действует
центростремительная сила. Для примера можно рассмотреть
движение космических кораблей(спутников) по орбите вокруг
планеты Земля. На них действует центростремительная сила,
собственно говоря из-за которой и движутся корабли и спутники по
круговой траектории и не улетают прочь от Земли. Какова природа
этой центростремительной силы? Понятно, что это сила
притяжения Земли. Закон всемирного тяготения в действии! А
какова природа центростремительной силы действующей на
молекулы воздуха над крылом ? Раз имеется градиент давления, то
это, видимо будет сила давления? Тогда, видимо, следует
поподробнее разобраться с градиентом давления?! К сожалению
профессор в своей лекции об этом практически ничего не сказал…
Хотелось бы услышать, что происходит на молекулярном уровне, то
есть о траекториях движения молекул воздуха и т. д. Но надо
отдать должное профессору - он не забыл сказать об эффекте
Коанда! Конечно, эффект Коанда в объяснении подъемной силы
крыла не играет главной роли, но тем не менее этот эффект
присутствует, и замалчивать этот факт не стоит… Румынский ученый
Анри Коандэ открыл этот эффект в 1932 году. Эффект заключается в
том, что жидкость(газ), направленные из сопла вдоль поверхности
имеющей кривизну, начинает притягиваться, прилипать к плоскости
поверхности. Происходит увеличение скорости струи
жидкости(газа). Увеличивается дальность струи, правда, не очень
существенно — в 1,2 раза. Эффект Коанда использовали при
проектировании некоторых моделей вертолетов и самолетов.
Используется этот эффект и в кондиционерах. Кондиционеры
помещаются под самым потолком, так чтобы струи воздуха шли
вдоль потолка. При этом возникает эффект Коанда, струи имеют
большую протяженность, лучше происходит охлаждение воздуха в
помещении. Насколько мною было замечено, пластинки
рассекающие и направляющие потоки воздуха из кондиционера
имеют профиль крыла, (т.е. имеют изгиб плоскости). Надо полагать,
что так сделано не случайно, а для того, чтобы с помощью эффекта
Коанда увеличить дальность потока воздуха. Интересно, что
эффекта Коанда имеет и другое название - эффект чайника.
Считается, что подтекание чая на носике заварного чайника имеет
место быть в результате этого эффекта. К сожалению не удалось
найти в литературе более-менее подробного объяснения
физической сущности эффекта Коанда. Пока понятно, что это
результат хаотичного + направленного движения
частиц(молекул)жидкости или газа вблизи поверхности. Такое
движение называется ограниченным плоскостью. Наверное, не
будет лишним сказать, что существует мнение, что эффект Коанда,
это частный случай закона Бернулли.
Заблуждение №2 — оно самое интересное. С моей точки
зрения. Разумеется, многими людьми, специалистами, то, о чем
пойдет речь, считается абсолютно правильным. А большинство
людей об этом просто даже не слышало. Речь пойдет о
присоединенных вихрях, которые были придуманы отцом русской
авиации Жуковским Н. Е. Суть дела здесь вот в чем. Когда потоки
воздуха смыкаются за задней кромкой крыла, возникают
завихрения воздуха. Эти мощные вихри идут сначала вверх, потом
поворачивают в сторону движения самолета, потом идут вниз,
затем идут горизонтально(в сторону противоположную
направления движения самолета) , потом вверх и т. д. В физике
есть закон сохранения момента импульса. И исходя из этого, можно
предположить, что должны возникнуть вихри имеющие
противоположное направление вращения. Например, такие- вихри
воздуха пойдут от хвоста самолета под крыльями в направлении
движения самолета, дойдя до передней кромки крыла вихри
поворачивают вверх, затем идут над крылом в сторону хвоста,
миновав заднюю кромку крыла, вихри идут под крылом снова в
направлении движения самолета и т. д. Такой циркулирующий
вихрь получается. Над крылом тогда скорости потоков воздуха
складываются, а внизу вычитаются. Вот Вам и объяснение, почему
скорость потока воздуха над крылом больше, чем скорость воздуха
под крылом! Разумеется, ни один здравомыслящий человек не
поверит в такую циркуляцию. А что же тогда Жуковский Н. Е.
говорит о присоединенных вихрях?! На мой взгляд объяснение
этому может быть такое. Идея о присоединенных вихрях - это
искусственный математический прием, позволяющий привести
рассчитываемые по формуле значения подъемной силы к
значениям подъемной силы получаемым в результате измерений.
В действительности, разумеется, таких циркулирующих вихрей
вокруг крыла(присоединенных) не существует! Если посмотреть
учебники по физике для высших учебных заведений, то можно
увидеть, что там не говорится ни одного слова о том, что в
действительности таких присоединенных вихрей не существует.
Идет умолчание о том, существуют такие вихри в действительности,
или нет. Интегралов и дифференциалов полно, а вот объяснения
качественной стороны, физической сущности нет. Хотя бы в
примечании было написано несколько слов… Если посмотреть
доклад Н.Е. Жуковского о присоединенных вихрях, тот самый
который в 1906 году был опубликован в виде научной статьи, то
можно увидеть, что там сплошная математика. На словах ничего не
говорится о присоединенных вихрях, откуда они взялись, почему, и
какое может быть объяснение с точки зрения физики. Да, после
того, как поток воздуха отрывается от задней кромки крыла,
действительно он закручивается в вихрь. Поток воздуха идет
одновременно в сторону противоположную направлению
движения самолета и вверх. Получается движение по кривой.
Попробуем рассуждать. Логично было бы предположить, что для
сохранения момента должен возникнуть зеркально симметричный
вихрь?! Разве не так?! Но нет, говорят , что возникает
присоединенный вихрь, который циркулирует вокруг крыла!
Хорошо… Но, законы Ньютона пока никто не отменял… Скажите
тогда, а какие силы воздействуют на воздух, что он начинает
циркулировать вокруг крыла? На мой взгляд объяснение здесь
должно быть такое...В тот момент, когда воздушный поток
отрывается от задней кромки крыла, происходит взаимодействие
воздуха и крыла. Крыло воздействует на воздух силой, в результате
воздействия которой воздух идет назад от крыла и вверх. В
соответствии с третьим законом Ньютона воздушный поток
воздействует на поверхность крыла в направлении в низ и вперед.
Но крыло жестко соединено с фюзеляжем самолета. В принципе,
тогда фюзеляж(и самолет в целом ) должен бы начать
поворачиваться в вертикальной плоскости. Но на практике такого
не происходит… Почему?! По-моему мнению потому, что этот
поворачивающий момент компенсируется рулями и работой
двигателя самолета. Возвращаясь к докладу Н. Е. Жуковского,
справедливости ради следует сказать, что в докладе есть и
некоторое пояснение на словах. Эти слова могут помочь понять,
откуда у Николая Егоровича Жуковского могла возникнуть идея о
присоединенных вихрях. В докладе он упоминает об опыте,
который к тому времени был уже известным. Речь идет о полоске
картона. Если бросить полоску картона, придав ей вращение вокруг
своей оси, то направление движения картонной полоски во время
полета меняется, полоска начинает смещаться в направлении
перпендикулярном к первоначальной траектории. Тоже самое
произойдет , если таким же образом бросить бумажный цилиндр.
Это так называемый эффект Магнуса. На уроках и лекциях по
физике преподаватели обычно приводят в качестве примера удар
по мячу в футболе, который имеет название сухой лист. Несложно
понять почему этот удар носит такое название. Осенью , когда
листья падают с деревьев, некоторые из них под воздействием
внешней силы приобретают вращение вокруг своей оси, что
приводит к изменению траектории полета листа.(эффект Магнуса).
Хочется добавить, что есть вид спорта, в котором закручивание
мяча производится чаще , чем в футболе. Это волейбол. При подаче
мяча удар производится таким способом, что мяч приобретает
вращение, и уже на стороне соперника меняет траекторию полета,
что сильно затрудняет прием. Когда Жуковский Е. Н. обдумывал
полет цилиндра с эффектом Магнуса, то тут все понятно, как ему так
и нам. Когда цилиндр вращается, а он имеет поверхность
шероховатую, захватываются частицы воздуха и им сообщается
скорость. Цилиндр имеет постоянное вращение, потому частицам
воздуха постоянно придается скорость. Обращаю на это Ваше
внимание. На движущийся цилиндр набегает поток воздуха, с
одной стороны скорости будут складываться, а с другой вычитаться.
Вследствие этого с одной стороны давление будет меньше, а с
другой больше. Цилиндр начнет смещаться перпендикулярно к
направлению движения, туда, где давление меньше. И, да! Здесь
можно говорить о том, что происходящее можно объяснить с
помощью закона Бернулли! И здесь , на мой взгляд, есть тонкая
тонкость, о которой обычно не говорят… Заключается она вот в
чем… Закон Бернулли говорит об одном потоке жидкости(газа), а не
о двух скажем… Хотя на первый взгляд кажется, что в случае с
цилиндром речь идет о двух потоках воздуха- один поток идет с
одной стороны, где скорости складываются, другой поток идет с
другой стороны, где скорости вычитаются… Но все относительно, и
можно говорить об одном потоке, это поток , который создается
силами трения и циркулирует вокруг цилиндра. А набегающие
потоки воздуха с одной стороны уменьшают скорость этого
циркулирующего вихря , с другой стороны увеличивают.. Вот тут- то
в соответствии с законом Бернулли с одной стороны давление
будет больше, а с другой меньше. Применение закона Бернулли
будет совершенно корректным. Важно отметить, что здесь можно
четко назвать силу, в результате которой идет постоянная
циркуляция воздуха вокруг цилиндра - это сила трения. А
постоянная циркуляция воздуха вокруг цилиндра(мною уже было
сказано выше) имеет место за счет того, что цилиндр имеет
постоянное вращение. Вот эта постоянная циркуляция воздуха
вокруг цилиндра, видимо и привела Н.Е. Жуковского к идее о
присоединенных вихрях. Однако крыло самолета не вращается, и
поэтому не будет постоянного действия сил трения, как в случае с
цилиндром! А это означает, что в действительности не существует
присоединенных вихрей вокруг крыла, и значит говорить в этом
случае о применении закона Бернулли следует крайне осторожно
и осмотрительно. Возможно , будет правильным и корректным в
отношении крыла говорить о применении закона Бернулли
отдельно для потока над крылом, и отдельно для потока под
крылом? Возвращаясь к общей картине обтекания крыла потоками
воздуха следует сказать, что вообще-то на крыльях самолета есть
вихри, которые действительно являются циркулирующими. Только
они располагаются на самых концах крыльев, и возникают
вследствие двух взаимодействующих направленных друг к другу
под углом воздушных потоков: набегающего на крыло потока
воздуха и потока воздуха идущего вдоль крыла в задней его части и
перетекающего с одной плоскости крыла на другую. При
определенных состояниях погоды эти вихри можно видеть… Ось
этих вихрей совпадает с направлением полета самолета. В
интернете можно найти фотографии, на которых это запечатлено.
Но на этих фото не видно никаких присоединенных вихрей вокруг
крыла! Не является ли это доказательством, что в действительности
никаких присоединенных вихрей вокруг крыла не существует?! А
что же пишется в учебниках физики о присоединенных вихрях?
Считается неэтичным называть конкретные фамилии… Тем не
менее, считаю, что необходимо говорить … Посмотрим, что
написано в учебнике физики, который называется ,,Физика для
углубленного изучения. Т 1“. Авторы Е.И.Бутиков, А.С.Кондратьев.
,, Вязкость воздуха приводит к возникновению циркуляции вокруг
крыла самолета. Опыт показывает, что циркуляция вокруг крыла
возникает следующим образом. Вблизи острой задней кромки
крыла возникают вихри, в которых вращение воздуха происходит
против часовой стрелки (рис.232). Эти вихри увеличиваются,
отрываются от крыла и уносятся набегающим потоком воздуха. При
этом остальная масса воздуха вблизи крыла начинает совершать
вращательное движение в противоположную сторону, образуя
циркуляцию вокруг крыла по часовой стрелке. Циркуляционный
поток, складываясь с набегающим, ускоряет движение воздуха над
крылом. В результате картина обтекания крыла потоком принимает
вид, изображенный на рис. 233: давление воздуха над крылом
понижается, под крылом повышается, что и приводит к
возникновению подъемной силы“. Вот такое объяснение
возникновения подъемной силы!!! Можно взять учебник физики
более солидный, например, многим известный учебник во физике
для институтов - Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том1. Весьма
любопытные вещи говорятся: ,,Для возникновения подъемной
силы необходимо, чтобы крыло было несимметрично или
несимметрично расположено относительно горизонтальной
плоскости, в которой оно движется. При движении круглого не
вращающего цилиндра, например, никакой подъемной силы
возникнуть не может. Поэтому мы предполагаем, что указанной
симметрии нет. Напомним теперь, что в пограничном слое
скорости частиц воздуха возрастают при удалении от поверхности
крыла. Благодаря этому движение в пограничном слое вихревое, а
поэтому содержит вращение. Сверху крыла вращение совершается
по часовой стрелке, а снизу — против (если поток жидкости
натекает слева направо). Допустим, что в результате отрыва какая -
то масса воздуха, ранее находившаяся в пограничном слое снизу от
крыла, унесена потоком в виде одного или нескольких вихрей.
Обладая вращением, эта масса унесет и связанный с ней момент
импульса. Но, общий момент импульса воздуха не может
измениться. Если отрыв пограничного слоя сверху от крыла не
произошел, то для сохранения момента импульса воздух во
внешнем потоке должен начать вращаться вокруг крыла по часовой
стрелке. Иными словами ,во внешнем потоке вокруг крыла должна
возникнуть циркуляция скорости воздуха по часовой стрелке,
накладывающаяся на основной поток. Скорость потока под крылом
уменьшится, а над ним — увеличится. К внешнему потоку
применимо уравнение Бернулли. Из него следует, что в результате
в результате циркуляции давление под крылом возрастет, а над
ним - уменьшится . Возникшая разность давлений проявляется в
подъемной силе, направленной вверх. Наоборот, если унесенные
вихри образовались из частиц пограничного слоя сверху крыла, то
возникнет циркуляция против часовой стрелки, ,,подъемная сила“
будет направлена вниз.“ Вот такое объяснение подъемной силы
крыла! Давайте более подробно разберем то множество
неточностей и ошибок, которое автор учебника умудрился сделать
в таком коротеньком куске текста! Вот у него написано:,,Напомним
теперь, что в пограничном слое скорости частиц воздуха
возрастают при удалении от поверхности крыла. Благодаря этому
движение в пограничном слое вихревое, а поэтому содержит
вращение“. Автор сумел написать так, что из объяснений
процессов происходящих в пограничном слое невозможно понять
что же там на самом деле происходит. Сивухин В. Д. утверждает ,
что движение в пограничном слое вихревое благодаря тому, что в
пограничном слое скорости частиц возрастают при удалении от
поверхности крыла! Но почему скорость возрастает? Да, скорости
частиц в пограничном слое действительно возрастают при
удалении от поверхности крыла. В литературе пишется, что
вихревое движение в пограничном слое возникает в следствие
вязкости воздуха, а значит и трения. Слои воздуха, чем дальше они
находятся , тем меньше тормозятся(а тормозятся в следствии
вязкости). Известно, что толщина пограничного слоя на крыле
самолета составляет несколько миллиметров. В этом пограничном
слое еще много-много еще более тонких слоев с различающейся
скоростью, толщиной видимо в сотые доли миллиметра, в которых
частицы воздуха получают вращательное движение в связи
разностью скоростей вверху и снизу. При этом слои могут
перемешиваться, а могут и не перемешиваться. Если не
перемешиваются, то это будет ламинарное течение. Из слов же
Сивухина В. Д. понять, что за вихревое движение в пограничном
слое на крыле самолета совершенно невозможно. Обратимся к
книге Д. Кюхемана ,,Аэродинамическое проектирование самолета.“
Читаем:,,Течение в пограничном слое может быть в
ЛАМИНАРНОМ, ТУРБУЛЕНТНОМ или ПЕРЕХОДНОМ между ними
состоянии“. Далее в отрывке говорится, что жидкость натекает
слева. Какая жидкость?! Речь идет о крыле и о воздухе набегающем
на крыло. Да, у специалистов занимающихся аэродинамикой в
отдельных случаях воздух отождествляется с жидкостью, но здесь-
то зачем это делать? Зачем вызывать недоумение у студентов,
читающих учебник, если речь идет конкретно о крыле и воздухе?
Читатель видимо уже обратил внимание на то, что автор учебника
Сивухин В. Д. в качестве причины возникновения подъемной силы
крыла называет всего одну причину — присоединенные вихри! Они
, именно они! Являются причиной разных скоростей над крылом и
под крылом! А отсюда и разница давлений, которая приводит к
возникновению подъемной силы крыла. Позвольте усомниться…
Закон сохранения энергии пока никто не отменял… Со слов автора
учебника пограничный слой срывается, образуется вихрь, который
вызывает возникновение присоединенного вихря , что и приводит к
возникновению подъемной силы.. Давайте задумаемся.. Толщина
пограничного слоя , допустим -5 миллиметров, скорость в
пограничном слое, допустим в среднем 400 км в час. А еще в
приведенном отрывке говорится оказывается может возникнуть
подъемная сила направленная вниз! А ведь в известной вихревой
дорожке Кармана вихри как раз чередуются, а это тогда означает
что?! А это тогда будет означать суммарная подъемная сила будет
равно нулю?! В противовес учебникам физики посмотрим, а что же
написал писатель Арлазаров М. В своей книге ,,Жуковский “
- ,,Идея озарившая Николая Егоровича, заключалась в следующем:
для определения подъемной силы он мысленно представил себе
течение вокруг тела, находящегося в потоке воздуха, составленном
из двух течений. Одно из них — прямолинейное, по скорости и
направлению совпадающее с потоком, в котором находится тело,
второе круговое, вызванное вихрем или системой вихрей, которым
Николай Егорович для удобства рассуждений решил заменить само
тело…. Гениальность идеи Жуковского и состоит в том, что
придуманной им расчетной схеме обтекания он заменил тело
вихрем с интенсивностью (или , как иначе говорят, циркуляцией),
соответствующей как форме этого тела, так и положению его
относительно потока“. Как видим, говорится, что, во-первых, ТЕЛО
было заменено вихрем круговым, а во-вторых прямо говорится, что
это было сделано Николаем Егоровичем для удобства
рассуждения! И ни слова не говорится, что такие присоединенные
вихри существуют в действительности!В интернете можно найти и
статьи, в которых авторы высказываются довольно резко по поводу
того, что в литературе и учебниках часто подается информация
таким образом, что будто бы присоединенные вихри существуют
реально. В статье Августа А. А. ,,Абсурдность модели циркуляции в
постулате Жуковского-Чалыгина-Кутта“говорится: ,,Этот
глобальный вихрь или смерч с бесконечными размерами возникает
вокруг профиля крыла без каких-либо источников энергии,
буквально из ничего - <<по щучьему велению - по моему
хотению>>(правильнее было бы сказать:<<по хотению Жуковского,
Чаплыгина, Кутта>>)“.
В интернете на Ютьюбе много интересных
роликов о подъемной силе крыла. Люди в домашних условиях
используя пылесосы, фены создают простенькие стенды, которые
позволяют проводить опыты по изучению подъемной силы крыла.
Надо сказать, что самое большое впечатление на меня произвел
наипростейший опыт. Самый - самый наипростейший! Берутся две
выпуклые пластинки, подвешиваются на нитях, выпуклостями друг
к другу, и в промежуток между ними вдувается воздух из фена.
Пластинки сходятся друг к другу. Затем берутся такие же пластинки,
только абсолютно плоские. Вдувается между ними воздух и
пластинки даже не шевельнулись! А как же закон Бернулли?! Ведь
скорость воздуха между пластинками больше, чем снаружи от
пластинок, значит давление между пластинками должно быть
меньше, чем снаружи от пластинок?! Но пластинки неподвижны?!
Похоже, что секрет кроется в выпуклости пластинок. Что же это за
секрет кроется в выпуклости пластинок? А скрывается вот
что...поток воздуха, обтекая выпуклую поверхность приобретает
более высокую скорость и в соответствии с законом Бернулли
давление становится меньше… И вот не надо, не надо при
объяснении подобных опытов говорить ни одного слова о том, что
скорость снаружи пластинок меньше(равна нулю).Ведь речь идет о
потоке воздуха между пластинками, вот и надо говорить только о
том, как меняется скорость этого потока. Что касается того, что
находится снаружи пластинок, то тут можно и нужно говорить о
давлении. Вследствие чего пластинки и начнут сходиться... Оно
будет равно атмосферному давлению, и будет большим по
величине , чем давление между пластинками в районе сужения. Тут
самое время вспомнить, что у некоторых самолетов профиль крыла
симметричный. И сверху выпуклая плоскость, и снизу выпуклая
плоскость. То есть скорости воздушных потоков над крылом и под
крылом будут одинаковы, а значит перепада давления не будет. А
значит не будет и подъемной сила крыла. Видимо, следует
уточнить, что речь идет для случая , когда угол атаки равен нулю. У
такого самолета подъемная сила будет возникать только тогда,
когда угол атаки больше нуля. У самолета, крылья которого имеют
аэродинамический профиль(выпуклая верхняя плоскость, и
практически нет выпуклости у нижней плоскости) подъемная сила
есть даже при угле атаки равном нулю. Более того, по некоторым
литературным данным существуют самолеты у которых подъемная
сила крыла имеет место даже 4 градусов с минусом, т.е. с
отрицательным углом атаки. Возникает закономерный вопрос, а
зачем делают самолеты с симметричным профилем крыла?
Рассуждая логически, можно придти к выводу, что это видимо
самолеты, которые практически не летают с нулевым углом атаки, и
близкими к этому значениями угла атаки. Что же это за самолеты, и
где они используются?! Это спортивные пилотажные самолеты( и
некоторые военные). Например, Як-55. Симметричный профиль
крыла делается для достижения максимальной несущей
способности при любом положении в воздухе, для достижения
максимальной маневренности при критических углах атаки, когда
воздушный поток срывается. Здесь, видимо самый подходящий
момент для того, чтобы сказать, что симметричный профиль по
сравнению с профилем аэродинамическим экономически намного
менее выгодный, приходится много топлива расходовать. Поэтому
пассажирские самолеты делаются с крылом аэродинамического
профиля , а вот спортивные и некоторые военные самолеты делают
с симметричным профилем, тут главное уже не экономия топлива...
Да, следует безусловно признать, что аэродинамика очень сложная
наука. К сожалению, специалисты по аэродинамике не спешат
доходчиво объяснить возникновение подъемной силы крыла. Если
взять для рассмотрения крыло симметричного профиля(как у Як-
55), то специалист по аэродинамике всего скорее скажет, такое
крыло тоже обтекается потоком воздуха, и за крылом давление
меньше, чем на той плоскости, в которую ударяется поток воздуха.
Но почему?! Как это можно объяснить человеку, который не
занимается профессионально аэродинамикой? Мне
представляется, что случай, когда крыло имеет несимметричный
аэродинамический профиль и угол атаки крыла равен нулю,
требует некоего особого объяснения, по сравнению с
симметричным профилем, и углом атаки большим нуля. Когда
профиль симметричный и угол атаки больше нуля, нельзя ли
говорить о динамическом давлении воздушного потока на крыло?!
(Другое название динамического потока — скоростной напор). Если
говорить о динамическом давлении(скоростном напоре), то
уместно будет говорить и об аэродинамической тени, которая будет
за крылом. А как известно, для зоны аэродинамической тени
характерно пониженное давление. Хотелось бы, чтобы в нашей
стране все- таки нашелся ученый , занимающийся аэродинамикой
самолетов, который бы популярно и доступно объяснил, что такое
подъемная сила крыла, и как она возникает. Будем ждать, и
надеяться!
Февраль 2022 Отзывы можно направлять по адресу: tomvik21@mail.ru