Почему самолёт держится в воздухе? Знакомимся с четырьмя силами

Этой статьёй мы начинаем серию Авиация шаг за шагом. Через день мы будем продвигаться в основах полёта на один шаг дальше. Первый шаг — основа всего остального: четыре силы, действующие на самолёт в воздухе.

Пассажирский лайнер и модель самолёта, которую вы запускаете в парке, подчиняются одним и тем же законам физики. На каждый самолёт, летящий с постоянной скоростью, на одной высоте и по прямой, действуют четыре основные силы: подъёмная сила, вес, тяга и сопротивление.

1. Вес: доля силы тяжести

Вес — это сила, с которой Земля притягивает самолёт; он всегда направлен вниз, к центру Земли. Фюзеляж, крылья, двигатель, топливо или аккумулятор и полезная нагрузка — всё это входит в общий вес.

В расчётах считается, что вес приложен в одной точке, которая называется центром тяжести. Положение этой точки очень важно для равновесия самолёта; мы посвятим ему отдельный шаг.

2. Подъёмная сила: сила, противостоящая весу

Подъёмная сила — это аэродинамическая сила, которая удерживает самолёт в воздухе; в основном её создают крылья. Она направлена перпендикулярно направлению полёта; в горизонтальном полёте — вверх.

Для подъёмной силы нужны два условия: воздух и движение. Крыло должно соприкасаться с воздухом, и между воздухом и крылом должна быть относительная скорость. В безвоздушной среде крыло бесполезно, а если воздух не обтекает крыло, подъёмной силы тоже нет. (Даже стоящая на земле модель может создавать подъёмную силу при сильном ветре; поэтому в ветреную погоду модели на земле закрепляют.)

3. Сопротивление: противодействие воздуха

Сопротивление — это противодействие воздуха движению; оно направлено ровно против направления полёта. Оно зависит от формы самолёта, плотности воздуха и скорости. С ростом скорости сопротивление быстро увеличивается; при той же форме и том же угле атаки удвоение скорости увеличивает сопротивление примерно в четыре раза. («Индуктивное сопротивление», побочный продукт подъёмной силы, наоборот, уменьшается с ростом скорости; об этом позже.)

Сила, которую вы чувствуете, выставив руку в сторону на едущем велосипеде, — тоже разновидность сопротивления.

4. Тяга: сила, преодолевающая сопротивление

Тяга — это сила, которую создаёт двигатель и которая толкает самолёт вперёд. У винтовых самолётов воздушный винт разгоняет воздух назад; в реактивных двигателях горячие газы с большой скоростью выбрасываются из двигателя. В обоих случаях, когда воздух или газ отталкивается в одну сторону, самолёт отталкивается в противоположную.

Что происходит, когда силы уравновешены?

Здесь вступает в силу первый закон Ньютона: если силы, действующие на тело, уравновешены, тело либо покоится, либо продолжает двигаться с постоянной скоростью в том же направлении.

То есть если подъёмная сила равна весу, а тяга — сопротивлению, самолёт не останавливается; он продолжает лететь с той же скоростью на той же высоте. Это называется установившимся горизонтальным полётом.

Если же одна сила больше другой, самолёт ускоряется в направлении большей силы:

• Если тяга больше сопротивления, самолёт разгоняется.
• Если сопротивление больше тяги, самолёт замедляется.
• Если подъёмная сила больше веса, самолёт ускоряется вверх и начинает набирать высоту.
• Если вес больше подъёмной силы, самолёт начинает снижаться.

Что это значит для авиамоделиста?

• Каждый грамм важен. Чем тяжелее модель, тем больше подъёмной силы должны создавать крылья. Это означает более высокую скорость полёта и более высокую скорость сваливания.
• Двигатель и винт должны с запасом преодолевать сопротивление. Со слабым двигателем самолёт не достигнет взлётной скорости или не сможет набирать высоту.
• Важно и то, где находится вес. Смещение аккумулятора на несколько сантиметров вперёд или назад меняет поведение самолёта.

Попробуйте сами

Задайте четыре силы сами в инструменте ниже. Сделав подъёмную силу равной весу, а тягу — сопротивлению, посмотрите, почему самолёт не останавливается, а продолжает лететь с постоянной скоростью.

Следующий шаг

Мы сказали, что самолёт в воздухе удерживает подъёмная сила; но как крыло её создаёт? Распространённое объяснение, которое до сих пор встречается в интернете и в некоторых учебниках, на самом деле неверно. На следующем шаге мы вместе разберём эту ошибку и правильное объяснение.