ПОЧЕМУ И КАК ЛЕТАЕТ САМОЛЕТ

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ

О а самолет в полете действуют аэродинамические силы. " 1 Покажем сначала на простых примерах, как они воз­никают.

Прежде всего, что такое аэродинамическая сила?

Когда при полном безветрии вы быстро едете на ве­лосипеде, встречный воздух стремится затормозить ваше движение. А если вы стоите неподвижно и на вас дует сильный ветер, то воздух стремится сдвинуть вас с места. В обоих случаях это воздействие воздушного потока на тело и называют аэродинамической силой, или силой со­противления воздуха.

Аэродинамическая сила получается тем большей, чем больше поперечные размеры тела и плотность воздуха, и особенно сильно она возрастает с увеличением скорости движения (или скорости потока). Кроме того, величина аэродинамической силы зависит еще от формы тела и от

2*
положения его в воздушном потоке. То и другое имеет огромное значение для полета.

Как же возникает аэродинамическая сила?

На рис. 11, а изображена схема обтекания возду­хом круглой пластины (диска), поставленной пер­пендикулярно к потоку. Посмотрите на нее внима­тельно.

Струйки воздуха давят на пластину, так как она яв­ляется для них препятствием. Перед пластиной получает­ся повышенное давление (обозначено знаками плюс).

Огибая пластину, струйки сжимаются и поэтому, соглас­но закону неразрывности, скорость их возрастает. В силу инерции они стремятся двигаться прямолинейно и отры­ваются от пластины. По этой причине позади нее полу­чается разрежение, то есть пониженное давление воздуха (обозначено знаками минус). Некоторые струйки вры­ваются в это разреженное пространство и образуют вих­ри, которые потом постепенно исчезают.

Таким образом, впереди пластины давление воз­духа повышено, а позади нее понижено. К чему это ведет?

Представьте себе, что вы давите на полуоткрытую дверь, а ваш товарищ давит на нее с другой стороны. Бхли вы сильнее, то под действием разности давлений дверь откроется в сторону вашего товарища. Так и здесь. Разность давлений впереди и позади пластины создает силу, направленную в сторону меньшего давле­ния (мы будем обозначать ее русской буквой Р) [7]). Если пластина неподвижна, то эта аэродинамическая сила будет стремиться сорвать пластину и унести ее. Если же пластина движется, то эта сила будет тормозить движение.

Сопротивление воздуха, как было сказано, сильно зависит еще от формы тела. Какая же форма будет наи­более выгодной?

Снабдим нашу круглую пластину спереди тупой ко­нусообразной наставкой, а сзади — более заостренным конусом (рис. 11, б). При такой форме срыв струй отсут­ствует, вихрей позади тела почти нет, разность давлений воздуха впереди и позади тела незначительна. По срав­нению с пластиной сопротивление такого тела примерно в 25 раз меньше, и создается оно главным образом лишь трением воздуха о его поверхность.

При такой форме воздушный поток почти не тор­мозится телом, он течет вдоль его гладких боков и хорошо обтекает заостренную заднюю часть. Поэто­му такие формы получили название хорошо обте­каемых.

Мы познакомились с обтеканием тел симметричной формы, когда воздух течет параллельно оси симметрии тела [8]). В таких случаях воздух обтекает тело тоже сим­метрично и разность давлений получается только впереди и позади тела, а не по бокам его. Эта разность давлений, а также трение воздуха о поверхность тела и создают силу, направленную прямо против движения, как гово­рят, «в лоб» (рис. И). Поэтому в таких случаях аэро­динамическую силу называют силой лобового сопротив­ления.

Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления давления и сопротивления трения.

Вот как возникает сопротивление трения.

Всем известно поверхностное трение между твердыми телами. Существует еще внутреннее трение между сосед­ними слоями жидкости или газа, называемое вязкостью. Например, если опустить в воду палец, а затем вынуть его, то к нему прилипнет немного воды. Но если проде­лать то же самое с маслом или глицерином, то к пальцу прилипнет много жидкости — тем больше, чем больше ее вязкость.

Вязкость воздуха наблюдать труднее. Однако из­вестно, что через форточку, затянутую марлей, воздух

Проходит заметно хуже, чем без марли. Это в значительной мере объ­ясняется вязкостью воздуха.

Когда воздушный поток обтекает тело, воздух непосредственно около самого тела не скользит по его поверх­ности, а прилипает к ней. Прилипший тон­чайший слой тормозит движение соседнего, этот — следующего и т. д., и лишь на не­котором расстоянии от поверхности тела это явление прекращается. Слой, в котором прояв­ляются силы внутреннего трения, называют погранич­ным (он граничит с поверхностью тела).

Чтобы уменьшить силы внутреннего трения в по­граничном слое, крыльям и фюзеляжу самолета при­дают хорошо обтекаемую форму и полируют их по­верхность.

Итак, лобовая аэродинамическая сила только тормо­зит движение тела. Посмотрим теперь, как возникает сила, нужная для полета.

Она появляется в тех случаях, когда воздух обтекает пластину (крыло) несимметрично.

На рис. 12 изображена схема обтекания прямоуголь - ной пластины, поставленной под острым углом к потоку.

Под пластиной происходит торможение потока, и по­этому давление здесь повышается. Над пластиной вслед­ствие срыва струй получается разрежение воздуха, то есть давление здесь понижено. Благодаря этой разности дав­лений и возникает аэродинамическая сила. Она направ­лена в сторону меньшего давления, то есть назад и вверх.

Отклонение аэродинамической силы вверх зависит от угла, под которым пластина поставлена к потоку. Этот угол получил очень удачное название «угла атаки». Под

Этим углом пластина как бы «атакует» воздух (этот угол принято обозначать греческой буквой а — альфа).

Таким образом, воздушный поток стремится здесь отнести пластину не только назад, но одновременно и вверх.

Поэтому для наглядности мы можем здесь заменить полную аэродинамическую силу Р двумя силами — Л и П, из которых первая направлена прямо назад (сила ло­бового сопротивления), а вторая направлена вертикально вверх (подъемная сила) [9]).

Возникновение аэродинамических сил при несиммет­ричном обтекании можно хорошо видеть у воздушного змея, сделанного, например, из листа бумаги с двумя диагональными рейками и одной поперечной.

Если уздечку змея, к которой прикрепляется леер (нить, на которой запускают змей), построить из ниток равной длины, прикрепленных к концам диагональных реек, то змей летать не будет. Побежав с таким змеем против ветра (рис. 13 внизу), вы увидите, что змей будет нестись на высоте вашей руки, стоя в воздухе перпенди­кулярно к ветру. По натяжению леера вы будете чувство­вать, что змей сопротивляется движению, но и только. Это и понятно, так как в этом случае аэродинамическая сила будет только лобовой.

Но если вы сделаете уздечку так, что две верхние нитки будут равной длины, а третья (нижняя) чуть по­короче, и прикрепите ее к центру змея, то змей, при наличии правильно сделанного хвоста, легко взмоет и бу­дет устойчиво летать (рис. 13 вверху). В этом случае змей «атакует» воздух под углом 40—60 градусов и в результате несимметричного обтекания возникает подъ­емная сила.

Подъемная сила крыла самолета, как мы сейчас уви­дим, возникает, однако, несколько иначе, чем подъемная сила пластины, или воздушного змея.