Как возникает подъёмная сила? Распространённое заблуждение и правильное объяснение

На первом шаге мы сказали, что самолёт в воздухе удерживает подъёмная сила и что её создают крылья. На этом шаге мы разберём, как крыло создаёт эту силу. Сначала избавимся от очень распространённого заблуждения.

Распространённая ошибка: «равное время прохождения»

Во многих источниках встречается такое объяснение: верхняя поверхность крыла более выпуклая, то есть длиннее. Частицы воздуха, разделившиеся перед крылом, обязаны одновременно встретиться за ним. Поскольку воздух сверху проходит более длинный путь, он течёт быстрее; у более быстрого воздуха давление ниже, и эта разность давлений толкает крыло вверх.

Звучит логично, но в основе этого объяснения лежит ошибка. NASA и учебные материалы по аэродинамике говорят об этом прямо:

• Никакого правила, что частицы встречаются позади крыла, нет. Опыты в аэродинамической трубе и с дымом показывают, что воздух, проходящий сверху, достигает задней кромки раньше, чем воздух снизу.
• Более длинный путь не нужен. Симметричные крылья с одинаковыми верхней и нижней поверхностями тоже создают подъёмную силу. Её создаёт и бумажный самолётик из плоского листа, и парус, который почти представляет собой тонкую пластину.
• Перевёрнутый полёт этим не объяснить. Пилотажные самолёты могут летать вверх колёсами; по этой теории это было бы невозможно.
• Расчёт не сходится. Разница скоростей, полученная из этого допущения, объясняет лишь часть измеренной подъёмной силы.

Правильное объяснение: крыло отклоняет воздух

Крыло меняет направление воздуха, сквозь который движется. Крыло, установленное под углом атаки, или крыло с кривизной отклоняет вниз воздух, обтекающий его сверху и снизу. Этот направленный вниз поток за крылом называется скосом потока (downwash).

На это можно посмотреть двумя способами, и оба верны:

С точки зрения Ньютона

Крыло толкает воздух вниз. По третьему закону Ньютона воздух толкает крыло вверх с силой той же величины. Чем сильнее вы меняете направление воздуха, тем больше подъёмная сила.

С точки зрения разности давлений

Когда воздух движется по криволинейной траектории, давление на внутренней стороне этой кривой падает. Вдоль верхней поверхности воздух огибает крыло, изгибаясь вниз, и давление над крылом опускается ниже окружающего. На нижней поверхности давление немного повышается. Эта разность давлений между верхней и нижней поверхностями создаёт результирующую силу, толкающую крыло вверх. Там, где давление падает, воздух ускоряется — именно эту связь описывает уравнение Бернулли.

По формулировке NASA, «Бернулли» и «Ньютон» — не два соперничающих объяснения, а две стороны одного явления. Сложите ли вы распределение давления по крылу или рассчитаете изменение импульса воздуха, вы получите одну и ту же подъёмную силу.

Почему это важно?

• Верхняя поверхность критически важна. Значительная часть подъёмной силы возникает из-за падения давления на верхней поверхности. Лёд, иней, грязь или порванная обшивка нарушают это течение и уменьшают подъёмную силу. Проверяйте крыло модели перед полётом.
• Симметричное крыло тоже летает. В пилотажных моделях используют симметричные профили; они создают подъёмную силу за счёт угла атаки и в перевёрнутом полёте ведут себя похоже.
• Чтобы увеличить подъёмную силу, нужно сильнее отклонять воздух. Это зависит от скорости, угла атаки, площади крыла и формы профиля. На следующем шаге мы соберём всё это в уравнении подъёмной силы.

Попробуйте сами

Симметричный профиль при нулевом угле атаки не создаёт подъёмной силы, а профиль с кривизной создаёт. Меняйте угол, сравните два профиля и посмотрите, что происходит при отрицательных углах.

Следующий шаг

В одном уравнении мы увидим, от каких величин зависит подъёмная сила: почему при удвоении скорости она возрастает вчетверо и почему высоко в горах и в жару самолётам нужна более длинная полоса?