Datorită căruia avionul se ridică în sus. Forța de respingere este antrenamentul la sol pe un pilot și modul în care zboară un avion. Fenomene fizice care stau la baza controlului zborului

Sosirea verii în unele colțuri fierbinți ale planetei noastre aduce cu ea nu numai căldură înăbușitoare, ci și întârzieri ale zborurilor pe aeroporturi. De exemplu, în Phoenix, Arizona, temperatura aerului a atins recent +48°C, iar companiile aeriene au fost nevoite să anuleze sau să reprogrameze peste 40 de zboruri. Care este motivul? Nu zboară avioanele când este cald? Zboară, dar nu la orice temperatură. Potrivit rapoartelor din presă, căldura reprezintă o problemă deosebită pentru aeronavele Bombardier CRJ, care au o temperatură maximă de operare la decolare de +47,5°C. În același timp, avioane mari de la Airbus și Boeing pot zbura la temperaturi de până la +52°С grade sau cam asa ceva. Să ne dăm seama ce cauzează aceste restricții.

Principiul de ridicare

Înainte de a explica de ce nu orice aeronavă este capabilă să decoleze la temperaturi ridicate ale aerului, este necesar să înțelegem însuși principiul modului în care zboară avioanele. Desigur, toată lumea își amintește răspunsul de la școală: „Totul este despre ridicarea aripii”. Da, acest lucru este adevărat, dar nu foarte convingător. Pentru a înțelege cu adevărat legile fizicii care sunt implicate aici, trebuie să acordați atenție legea impulsului. În mecanica clasică, impulsul unui corp este egal cu produsul dintre masa m a acestui corp și viteza lui v, direcția impulsului coincide cu direcția vectorului viteză.

În acest moment, ați putea crede că vorbim despre o schimbare a impulsului avionului. Nu, în schimb luați în considerare schimbarea impulsului aerului, lovind planul aripii. Imaginați-vă că fiecare moleculă de aer este o minge mică care se ciocnește cu un avion. Mai jos este o diagramă care arată acest proces.

Aripa în mișcare se ciocnește de baloane (adică molecule de aer). Bilele își schimbă impulsul, ceea ce necesită aplicarea forței. Deoarece acțiunea este egală cu reacția, forța pe care o exercită aripa asupra granulelor de aer este de aceeași magnitudine cu forța pe care o exercită granulele înseși asupra aripii. Acest lucru duce la două rezultate. În primul rând, este furnizată forța de ridicare a aripii. În al doilea rând, apare o forță inversă - împingerea. Nu poți obține ridicarea fără tracțiune..

Pentru a genera portanță, avionul trebuie să se miște, iar pentru a-și crește viteza, aveți nevoie de mai multă forță. Pentru a fi mai precis, aveți nevoie de suficientă forță pentru a echilibra forța de rezistență a aerului - apoi zburați cu viteza dorită. De obicei, această forță este furnizată de un motor cu reacție sau de o elice. Cel mai probabil, ați putea folosi chiar și un motor rachetă, dar, în orice caz, aveți nevoie de un generator de forță.

Ce legătură are temperatura cu ea?

Dacă aripa lovește doar o minge de aer (adică o moleculă), nu va produce multă portanță. Pentru a crește portanța, aveți nevoie de o mulțime de ciocniri cu moleculele de aer. Acest lucru poate fi realizat în două moduri:

misca mai repede, crescând numărul de molecule care vin în contact cu aripa pe unitatea de timp;
proiectează aripi cu suprafata mai mare, deoarece în acest caz aripa se va ciocni cu un număr mare de molecule;
O altă modalitate de a mări suprafața de contact este utilizarea unghi mai mare de atac datorită înclinării aripilor;
în sfârşit, este posibil să se realizeze un număr mai mare de ciocniri între moleculele aripii şi aerului dacă densitatea aerului în sine este mai mare, adică numărul de molecule în sine per unitate de volum este mai mare. Cu alte cuvinte, creșterea densității aerului crește portanța.

Această concluzie ne aduce la temperatura aerului. Ce este aerul? Acestea sunt multe microparticule, molecule care se mișcă în jurul nostru directii diferiteși cu viteze diferite. Și aceste particule se ciocnesc între ele. Pe măsură ce temperatura crește, crește și viteza medie a moleculelor. O creștere a temperaturii duce la expansiunea gazului și, în același timp - la o scădere a densității aerului. Amintiți-vă că aerul încălzit este mai ușor decât aerul rece principiul aeronauticii balonului cu aer cald se bazează pe acest fenomen.

Deci, pentru o portanță mai mare, aveți nevoie fie de o viteză mai mare, fie de o suprafață mai mare a aripii, fie de un unghi mai mare de atac al moleculelor de pe aripă. O altă condiție: cu cât densitatea aerului este mai mare, cu atât ridicarea este mai mare. Dar este și opusul adevărat: cu cât densitatea aerului este mai mică, cu atât liftul este mai mic. Și acest lucru este valabil pentru părțile fierbinți ale planetei. Din cauza temperaturilor ridicate, densitatea aerului este prea scăzută pentru unele aeronave, nu este suficient ca ei să decoleze.

Desigur, puteți compensa scăderea densității aerului prin creșterea vitezei. Dar cum se poate face acest lucru în realitate? În acest caz, este necesar să instalați motoare mai puternice pe aeronavă sau să măriți lungimea pistei. Prin urmare, este mult mai ușor pentru companiile aeriene să anuleze pur și simplu unele zboruri. Sau, cel puțin, mutați-l seara, dimineața devreme, când temperatura ambientală este sub limita maximă admisă.

Este destul de ciudat să vezi cum un vehicul de mai multe tone se ridică ușor de pe pista aerodromului și câștigă fără probleme altitudine. S-ar părea că ridicarea în aer a unei structuri atât de grele este o sarcină imposibilă. Dar, după cum vedem, nu este așa. De ce nu cade avionul și de ce zboară?

Răspunsul la această întrebare constă în legile fizice care fac posibilă ridicarea aeronavelor în aer. Acestea sunt valabile nu numai pentru planoare și aeronave sport ușoare, ci și pentru aeronavele de transport de mai multe tone care sunt capabile să transporte încărcătură utilă suplimentară. Și, în general, zborul unui elicopter pare fantastic, care nu poate doar să se miște în linie dreaptă, ci și să planeze într-un singur loc.

Zbor aeronave a devenit posibil datorită utilizării combinate a două forțe - forțele de ridicare și de tracțiune ale motoarelor. Și dacă totul este mai mult sau mai puțin clar cu forța de tracțiune, atunci cu forța de ridicare totul este ceva mai complicat. În ciuda faptului că suntem cu toții familiarizați cu această expresie, nu toată lumea o poate explica.

Deci, care este natura aspectului liftului?

Să aruncăm o privire atentă la aripa avionului, datorită căreia acesta poate rămâne în aer. De jos este complet plat, iar de sus are o formă sferică, cu o convexitate spre exterior. În timp ce aeronava se mișcă, fluxurile de aer trec calm pe sub partea inferioară a aripii fără a suferi modificări. Dar pentru a trece peste suprafața superioară a aripilor, fluxul de aer trebuie să fie comprimat. Drept urmare, obținem efectul unei țevi strânse prin care trebuie să treacă aerul.

Pentru a ocoli suprafața sferică a aripii, aerul va dura mai mult decât atunci când trece pe sub suprafața inferioară, plană. Din acest motiv, se deplasează mai repede peste aripă, ceea ce duce la rândul său la o diferență de presiune. Este mult mai mare sub aripă decât deasupra aripii, ceea ce cauzează portanța. În acest caz, se aplică legea lui Bernoulli, cu care fiecare dintre noi este familiarizat de la școală. Cel mai important lucru este că, cu cât viteza obiectului este mai mare, cu atât diferența de presiune este mai mare. Așadar, se dovedește că ridicarea poate avea loc numai atunci când aeronava se mișcă. Ea pune presiune pe aripă, forțând-o să se ridice.

Pe măsură ce avionul accelerează pista, crește și diferența de presiune, ceea ce duce la apariția portanței. Pe măsură ce viteza crește, crește treptat, devine egală cu masa aeronavei și de îndată ce o depășește, decolează. După ce au câștigat altitudine, piloții reduc viteza, forța de ridicare este comparată cu greutatea aeronavei, ceea ce o face să zboare într-un plan orizontal.

Pentru ca avionul să avanseze, acesta este echipat cu motoare puternice care antrenează fluxul de aer în direcția aripilor. Cu ajutorul lor, puteți regla intensitatea fluxului de aer și, în consecință, forța de tracțiune.

Adesea, privind un avion care zboară pe cer, ne întrebăm cum ajunge avionul în aer. Cum zboară? La urma urmei, un avion este mult mai greu decât aerul.

De ce se ridică dirijabilul

Știm că baloanele și aeronavele sunt ridicate în aer forța lui Arhimede . Legea lui Arhimede pentru gaze spune: " Niar un corp scufundat în gaz experimentează o forță de flotabilitate egală cu forța de gravitație a gazului deplasat de acest corp.” . Această forță este opusă în direcția gravitației. Adică forța lui Arhimede este îndreptată în sus.

Dacă forța gravitației este egală cu forța lui Arhimede, atunci corpul este în echilibru. Dacă forța lui Arhimede este mai mare decât forța gravitației, atunci corpul se ridică în aer. Deoarece cilindrii baloanelor și ale aeronavelor sunt pline cu gaz, care este mai ușor decât aerul, forța lui Arhimede îi împinge în sus. Astfel, forța Arhimede este forța de ridicare pentru aeronavele mai ușoare decât aerul.

Dar gravitația aeronavei depășește semnificativ forța lui Arhimede. Prin urmare, ea nu poate ridica avionul în aer. Deci de ce mai decolează?

Liftarea aripii avionului

Apariția portanței este adesea explicată prin diferența de presiuni statice ale fluxurilor de aer pe suprafețele superioare și inferioare ale aripii aeronavei.

Să luăm în considerare o versiune simplificată a aspectului forței de ridicare a unei aripi, care este situată paralel cu fluxul de aer. Designul aripii este astfel încât partea superioară a profilului său are o formă convexă. Fluxul de aer care curge în jurul aripii este împărțit în două: superior și inferior. Viteza fluxului inferior rămâne aproape neschimbată. Dar viteza celui de sus crește datorită faptului că trebuie să parcurgă o distanță mai mare în același timp. Conform legii lui Bernoulli, cu cât viteza de curgere este mai mare, cu atât presiunea în ea este mai mică. În consecință, presiunea deasupra aripii devine mai mică. Datorită diferenței dintre aceste presiuni, lift, care împinge aripa în sus, iar odată cu ea se ridică avionul. Și cu cât această diferență este mai mare, cu atât este mai mare forța de ridicare.

Dar în acest caz, este imposibil de explicat de ce apare portanța atunci când profilul aripii are o formă simetrică concav-convexă sau biconvexă. La urma urmei, aici fluxurile de aer parcurg aceeași distanță și nu există nicio diferență de presiune.

În practică, profilul unei aripi de avion este situat într-un unghi față de fluxul de aer. Acest unghi se numește unghiul de atac . Iar fluxul de aer, ciocnind cu suprafața inferioară a unei astfel de aripi, este teșit și începe să se miște în jos. Conform legea conservării impulsului aripa va fi acționată de o forță îndreptată în sens opus, adică în sus.

Dar acest model, care descrie apariția ridicării, nu ia în considerare fluxul din jurul suprafeței superioare a profilului aripii. Prin urmare, în acest caz, mărimea forței de ridicare este subestimată.

În realitate, totul este mult mai complicat. Susținerea unei aripi de avion nu există ca mărime independentă. Aceasta este una dintre forțele aerodinamice.

Fluxul de aer care se apropie acționează asupra aripii cu o forță numită forța aerodinamică totală . Iar forța de ridicare este una dintre componentele acestei forțe. A doua componentă este forța de tragere. Vectorul forță aerodinamică totală este suma vectorilor forței de susținere și de tracțiune. Vectorul de ridicare este direcționat perpendicular pe vectorul viteză al fluxului de aer de intrare. Și vectorul forță de tracțiune este paralel.

Forța aerodinamică totală este definită ca integrala presiunii din jurul conturului profilului aripii:

Y – forta de ridicare

R – tracțiune

dΩ – limita profilului

r – cantitatea de presiune în jurul conturului profilului aripii

n – normal la profil

teorema lui Jukovski

Cum se formează forța de ridicare a unei aripi a fost explicat pentru prima dată de omul de știință rus Nikolai Egorovich Jukovsky, care este numit părintele aviației ruse. În 1904, el a formulat o teoremă privind forța de ridicare a unui corp care curge în jurul unui flux plan-paralel al unui lichid sau gaz ideal.

Jukovski a introdus conceptul de circulație a vitezei curgerii, care a făcut posibilă luarea în considerare a pantei curgerii și obținerea unei valori mai precise a forței de ridicare.

Portanța unei aripi cu deschidere infinită este egală cu produsul dintre densitatea gazului (lichid), viteza gazului (lichid), viteza fluxului de circulație și lungimea unei secțiuni selectate a aripii. Direcția de acțiune a forței de ridicare se obține prin rotirea vectorului viteză a curgerii care se apropie într-un unghi drept față de circulație.

Forța de ridicare

Densitate medie

Viteza curgerii la infinit

Viteza de circulație a curgerii (vectorul este îndreptat perpendicular pe planul profilului, direcția vectorului depinde de direcția de circulație),

Lungimea segmentului de aripă (perpendicular pe planul profilului).

Cantitatea de susținere depinde de mulți factori: unghiul de atac, densitatea și viteza fluxului de aer, geometria aripii etc.

Teorema lui Jukovski formează baza teoriei moderne a aripilor.

Un avion poate decola numai dacă forța de ridicare este mai mare decât greutatea sa. Dezvolta viteza cu ajutorul motoarelor. Pe măsură ce viteza crește, crește și liftul. Și avionul se ridică.

Dacă portanța și greutatea unui avion sunt egale, atunci acesta zboară orizontal. Motoarele de avioane creează tracțiune - o forță a cărei direcție coincide cu direcția de mișcare a aeronavei și este opusă direcției de tracțiune. Impingerea împinge avionul mediul aerian. În zborul orizontal cu o viteză constantă, forța și forța sunt echilibrate. Dacă creșteți tracțiunea, avionul va începe să accelereze. Dar și dragul va crește. Și în curând se vor echilibra din nou. Și avionul va zbura cu o viteză constantă, dar mai mare.

Dacă viteza scade, atunci forța de ridicare devine mai mică, iar avionul începe să coboare.

Dacă zburați des sau urmăriți des avioanele pe servicii precum , probabil că v-ați pus întrebări despre motivul pentru care avionul zboară așa și nu altfel. Care este logica? Să încercăm să ne dăm seama.

De ce un avion zboară nu în linie dreaptă, ci într-un arc?

Dacă te uiți la traiectoria de zbor pe afișajul din cabină sau pe computerul de acasă, nu arată drept, ci arcuit, curbat spre cel mai apropiat pol (nord în emisfera nordică, sud în emisfera sudică). De fapt, pe aproape întregul traseu (și cu cât este mai lung, cu atât este mai corect) încearcă să zboare în linie dreaptă. Doar că afișajele sunt plate, iar Pământul este rotund, iar proiecția unei hărți tridimensionale pe una plată îi modifică proporțiile: cu cât mai aproape de poli, cu atât „arcul” va fi mai curbat. Acest lucru este foarte ușor de verificat: luați un glob și întindeți un fir pe suprafața sa între două orașe. Acesta va fi cel mai scurt traseu. Dacă transferați acum linia firului pe hârtie, veți obține un arc.

Adică avionul zboară întotdeauna în linie dreaptă?

Avionul nu zboară după bunul plac, ci de-a lungul rutelor aeriene care sunt așezate, desigur, în așa fel încât să se minimizeze distanța. Traseele constau din segmente între punctele de control: pot fi folosite ca balize radio, sau pur și simplu coordonate pe hartă, cărora li se atribuie desemnări din cinci litere, cel mai adesea ușor de pronunțat și, prin urmare, memorabile. Sau, mai degrabă, trebuie să le pronunți literă cu literă, dar, vezi tu, să-ți amintești combinații precum DOPIK sau OKUDI este mai ușor decât GRDFT și UOIUA.

La trasarea unei rute pentru fiecare zbor specific, sunt utilizați diverși parametri, inclusiv tipul de aeronavă în sine. Deci, de exemplu, pentru aeronavele cu două motoare (și înlocuiesc în mod activ aeronavele cu trei și patru motoare), se aplică ETOPS (standarde de performanță operațională cu două motoare cu gamă extinsă), care reglementează planificarea rutei în așa fel încât aeronava, care traversează oceane, deșerturi sau poli, se află în același timp într-un anumit timp de zbor până la cel mai apropiat aerodrom capabil să primească acest tip de aeronave. Datorită acestui fapt, dacă unul dintre motoare se defectează, acesta va putea ajunge în mod fiabil la locul în care a fost comis. aterizare de urgență. Avioane diferite iar companiile aeriene sunt certificate pentru timpuri diferite zbor, poate fi 60, 120 și chiar 180 și în cazuri rare 240 (!) minute. Între timp, este planificată certificarea Airbus A350XWB pentru 350 de minute, iar Boeing 787 pentru 330; acest lucru ar elimina nevoia de avioane cu patru motoare chiar și pe rute precum Sydney-Santiago (cea mai lungă rută comercială peste mare din lume).

După ce principiu se deplasează avioanele în jurul aeroportului?

În primul rând, totul depinde de ce trupă ești în acest moment decolează pe aeroportul de plecare și aterizează pe aeroportul de sosire. Dacă există mai multe opțiuni, atunci pentru fiecare dintre ele există mai multe scheme de ieșire și de intrare: dacă o explicați în cuvinte, atunci avionul trebuie să treacă la fiecare dintre punctele schemei la o anumită altitudine la o anumită (în limite) viteză. Alegerea pistei depinde de sarcina curentă a aeroportului, precum și, în primul rând, de vântul. Cert este că atât la decolare, cât și la aterizare, vântul trebuie să fie în față (sau să sufle din lateral, dar tot din față): dacă vântul bate din spate, atunci avionul, pentru a menține viteza necesară față de aer. , va trebui să aibă o viteză prea mare față de sol - poate banda nu este suficient de lungă pentru decolare sau frânare. Prin urmare, în funcție de direcția vântului, avionul se deplasează fie într-o direcție, fie în alta în timpul decolării și aterizării, iar pista are două curse de decolare și aterizare, care, rotunjite la zeci de grade, sunt folosite pentru a desemna pista. . De exemplu, dacă cursul este 90 într-o direcție, atunci în cealaltă va fi 270, iar banda se va numi „09/27”. Dacă, așa cum se întâmplă adesea în marile aeroporturi, există două dungi paralele, ele sunt desemnate drept stânga și dreapta. De exemplu, în Sheremetyevo 07L/25R și, respectiv, 07R/25L, iar în Pulkovo – 10L/28R și 10R/28L.

La unele aeroporturi, pistele funcționează doar într-o singură direcție - de exemplu, în Soci sunt munți pe o parte, așa că nu poți decola decât spre mare și ateriza doar dinspre mare: în orice direcție vântul va sufla fie din spate. în timpul decolării sau aterizării, astfel încât piloții au garanția de a experimenta un pic extrem.

Modelele de zbor din zona aeroportului iau în considerare numeroase restricții - de exemplu, interzicerea aeronavelor care zboară direct peste orașe sau zone speciale: acestea pot fi atât obiecte sensibile, cât și banale. sate de cabane Rublyovka, ai cărui locuitori nu prea le place zgomotul deasupra capului.

De ce un avion zboară mai repede într-o direcție decât în cealaltă?

Aceasta este o întrebare „de sărbători” - poate că mai multe copii au fost sparte doar în jurul problemei cu un avion care stă pe o centură în mișcare - „dacă va decola sau nu”. Într-adevăr, avionul zboară mai repede spre est decât spre vest, iar dacă ajungi de la Moscova la Los Angeles în 13 ore, te poți întoarce în 12.

Adică, este mai rapid să zbori de la vest la est decât de la est la vest.

Umanistul crede că Pământul se învârte, iar când zbori într-o direcție, destinația se apropie, pentru că planeta reușește să se întoarcă sub tine.

Dacă auziți o astfel de explicație, dați-i de urgență persoanei un manual de geografie pentru clasa a șasea, unde îi vor explica că, în primul rând, Pământul se rotește de la vest la est (adică, conform acestei teorii, totul ar trebui să fie invers. în jurul valorii de), iar în al doilea rând, atmosfera se rotește cu Pământul. Altfel ar fi posibil să se ridice în aer balon cu aer caldși stai pe loc, așteptând rândul spre locul unde trebuie să aterizezi: călătorie liberă!

Tehnicianul încearcă să explice acest fenomen prin forța Coriolis, care acționează asupra planului în cadrul de referință non-inerțial „Planul Pământului”: atunci când se deplasează într-o direcție, greutatea sa devine mai mare, iar în cealaltă, în consecință, mai puțin. . Singura problemă este că diferența de greutate a aeronavei creată de forța Coriolis este foarte mică chiar și în comparație cu masa încărcăturii utile de la bord. Dar asta nu este atât de rău: de când afectează masa viteza? Puteți conduce o mașină cu 100 km/h, fie singur, fie cu cinci persoane. Singura diferență va fi în consumul de combustibil.

Motivul real pentru care un avion zboară mai repede spre est decât spre vest este că vânturile la o altitudine de câțiva kilometri bat cel mai adesea de la vest la est și astfel, într-o direcție, vântul se dovedește a fi vântul din spate, crescând viteza în raport cu Pământul, iar în celălalt - se apropie, încetinind. De ce bat vântul în acest fel? Întrebați-o pe Coriolis, de exemplu. Apropo, studiul fluxurilor cu jet de mare altitudine (acestea sunt vânturi puternice sub formă de curenți de aer relativ îngusti în anumite zone ale atmosferei) face posibilă trasarea rutelor în așa fel încât, odată „în jet, ” puteți maximiza viteza și puteți economisi combustibil.

Ar putea fi util să citiți: