Vďaka čomu lietadlo stúpa nahor. Silou odmietnutia je pozemný výcvik pilota a to, ako lieta lietadlo. Fyzikálne javy, ktoré sú základom riadenia letu

Príchod leta do niektorých horúcich kútov našej planéty so sebou prináša nielen úmorné horúčavy, ale aj meškania letov na letiskách. Napríklad vo Phoenixe v Arizone nedávno teplota vzduchu dosiahla +48 °C a letecké spoločnosti boli nútené zrušiť alebo preplánovať viac ako 40 letov. Aký je dôvod? Nelietajú lietadlá, keď je horúco? Lietajú, ale nie pri akejkoľvek teplote. Podľa medializovaných informácií predstavuje teplo problém najmä pre lietadlá Bombardier CRJ, ktoré majú maximálnu prevádzkovú teplotu pri vzlete +47,5 °C. zároveň veľké lietadlá z Airbusu a Boeingu môže lietať pri teplotách do +52°С stupňov alebo tak. Poďme zistiť, čo spôsobuje tieto obmedzenia.

Princíp výťahu

Pred vysvetlením, prečo nie každé lietadlo dokáže vzlietnuť pri vysokých teplotách vzduchu, je potrebné pochopiť samotný princíp toho, ako lietadlá lietajú. Samozrejme, každý si pamätá odpoveď zo školy: "Je to všetko o zdvihu krídla." Áno, to je pravda, ale nie veľmi presvedčivá. Aby ste skutočne pochopili fyzikálne zákony, ktoré sú tu zahrnuté, musíte venovať pozornosť zákon hybnosti. V klasickej mechanike je hybnosť telesa rovná súčinu hmotnosti m tohto telesa a jeho rýchlosti v, smer hybnosti sa zhoduje so smerom vektora rýchlosti.

V tejto chvíli by ste si mohli myslieť, že hovoríme o zmene hybnosti lietadla. Nie, namiesto toho zvážte zmenu hybnosti vzduchu, narážajúce na rovinu krídla. Predstavte si, že každá molekula vzduchu je malá gulička, ktorá sa zrazí s lietadlom. Nižšie je uvedený diagram, ktorý znázorňuje tento proces.

Pohybujúce sa krídlo naráža na balóny (teda molekuly vzduchu). Loptičky menia svoju hybnosť, čo si vyžaduje použitie sily. Keďže akcia sa rovná reakcii, sila, ktorou krídlo pôsobí na vzduchové balóny, má rovnakú veľkosť ako sila, ktorou na krídlo pôsobia samotné balóny. To vedie k dvom výsledkom. Po prvé, je poskytnutá zdvíhacia sila krídla. Po druhé, objaví sa reverzná sila - ťah. Bez trakcie nedosiahnete zdvíhanie..

Na generovanie vztlaku sa lietadlo musí pohybovať a na zvýšenie jeho rýchlosti potrebujete väčší ťah. Presnejšie povedané, potrebujete akurát taký ťah, aby ste vyrovnali silu odporu vzduchu – potom letíte rýchlosťou, ktorú chcete. Typicky tento ťah zabezpečuje prúdový motor alebo vrtuľa. S najväčšou pravdepodobnosťou by ste mohli použiť aj raketový motor, ale v každom prípade potrebujete generátor ťahu.

Čo s tým má spoločné teplota?

Ak krídlo zasiahne iba jednu guľu vzduchu (t. j. molekulu), nevytvorí veľký vztlak. Na zvýšenie vztlaku potrebujete veľa zrážok s molekulami vzduchu. To možno dosiahnuť dvoma spôsobmi:

  • pohybovať sa rýchlejšie zvýšenie počtu molekúl, ktoré prídu do kontaktu s krídlom za jednotku času;
  • dizajnové krídla s väčšia plocha, pretože v tomto prípade sa krídlo zrazí s veľkým počtom molekúl;
  • Ďalším spôsobom, ako zväčšiť kontaktnú plochu, je použitie väčší uhol nábehu v dôsledku sklonu krídel;
  • napokon je možné dosiahnuť väčší počet zrážok medzi krídlom a molekulami vzduchu ak samotná hustota vzduchu je vyššia, to znamená, že počet samotných molekúl na jednotku objemu je väčší. Inými slovami, zvýšená hustota vzduchu zvyšuje vztlak.

Tento záver nás privádza k teplote vzduchu. čo je vzduch? Je to veľa mikročastíc, molekúl, ktoré sa pohybujú okolo nás rôznymi smermi a pri rôznych rýchlostiach. A tieto častice sa navzájom zrážajú. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje aj priemerná rýchlosť molekúl. Zvýšenie teploty vedie k expanzii plynu a súčasne - k zníženiu hustoty vzduchu. Pamätajte, že ohriaty vzduch je ľahší ako studený vzduch, princíp teplovzdušnej balónovej aeronautiky je založený na tomto jave.

Takže pre väčší vztlak potrebujete buď vyššiu rýchlosť, alebo väčšiu plochu krídla, alebo väčší uhol nábehu molekúl na krídlo. Ďalšia podmienka: čím vyššia hustota vzduchu, tým väčší zdvih. Ale platí to aj opačne: čím nižšia je hustota vzduchu, tým nižší je zdvih. A to platí pre horúce časti planéty. Kvôli vysokým teplotám je hustota vzduchu pre niektoré lietadlá príliš nízka, nestačí im vzlietnuť.

Pokles hustoty vzduchu môžete samozrejme kompenzovať zvýšením rýchlosti. Ale ako sa to dá urobiť v skutočnosti? V tomto prípade je potrebné do lietadla namontovať výkonnejšie motory, prípadne zväčšiť dĺžku pristávacej dráhy. Pre letecké spoločnosti je preto oveľa jednoduchšie niektoré lety jednoducho zrušiť. Alebo ho aspoň presuňte na večer, skoro ráno, keď je teplota okolia pod maximálnou povolenou hranicou.

Je celkom zvláštne sledovať, ako niekoľkotonové vozidlo ľahko stúpa z pristávacej dráhy letiska a plynule naberá výšku. Zdalo by sa, že zdvihnúť takú ťažkú ​​konštrukciu do vzduchu je nemožná úloha. Ale ako vidíme, nie je to tak. Prečo lietadlo nespadne a prečo letí?

Odpoveď na túto otázku spočíva vo fyzikálnych zákonoch, ktoré umožňujú zdvihnúť lietadlo do vzduchu. Platí to nielen pre vetrone a ľahké športové lietadlá, ale aj pre viactonové dopravné lietadlá, ktoré sú schopné niesť dodatočný náklad. A vôbec, fantasticky pôsobí let helikoptéry, ktorá sa dokáže nielen pohybovať po priamke, ale aj vznášať sa na jednom mieste.

Let lietadla sa stalo možným vďaka kombinovanému použitiu dvoch síl - zdvíhacej a ťažnej sily motorov. A ak je všetko viac-menej jasné s ťažnou silou, potom so zdvíhacou silou je všetko o niečo komplikovanejšie. Napriek tomu, že tento výraz všetci poznáme, nie každý si ho vie vysvetliť.

Aká je teda povaha vzhľadu výťahu?

Pozrime sa zblízka na krídlo lietadla, vďaka ktorému sa dokáže udržať vo vzduchu. Zospodu je úplne plochý a zhora má guľovitý tvar s konvexnosťou smerom von. Počas pohybu lietadla prúdenie vzduchu pokojne prechádza pod spodnú časť krídla bez toho, aby došlo k zmenám. Aby však mohol prejsť cez horný povrch krídel, musí byť prúd vzduchu stlačený. V dôsledku toho dostaneme efekt stlačeného potrubia, cez ktoré musí prechádzať vzduch.

Obísť sférickú plochu krídla bude vzduchu trvať dlhšie ako pri prechode popod spodnú, rovnú plochu. Z tohto dôvodu sa cez krídlo pohybuje rýchlejšie, čo následne vedie k rozdielu tlaku. Pod krídlom je oveľa väčší ako nad krídlom, čo spôsobuje vztlak. V tomto prípade platí Bernoulliho zákon, ktorý každý z nás pozná zo školy. Najdôležitejšie je, že čím vyššia je rýchlosť objektu, tým väčší je tlakový rozdiel. Ukazuje sa teda, že zdvih môže nastať len vtedy, keď sa lietadlo pohybuje. Vyvíja tlak na krídlo a núti ho stúpať.

Ako lietadlo zrýchľuje cez dráha, zvyšuje sa aj tlakový rozdiel, čo vedie k vzniku zdvihu. Pri zvyšovaní rýchlosti sa postupne zvyšuje, porovnáva sa s hmotnosťou lietadla a akonáhle ju prekročí, vzlietne. Po nabratí výšky piloti znížia rýchlosť, vztlaková sila sa porovnáva s hmotnosťou lietadla, čo spôsobí jeho let v horizontálnej rovine.

Aby sa lietadlo mohlo pohybovať vpred, je vybavené výkonnými motormi, ktoré poháňajú prúdenie vzduchu v smere krídel. S ich pomocou môžete regulovať intenzitu prúdenia vzduchu a tým aj trakčnú silu.

Často sa pri sledovaní lietadla letiaceho na oblohe čudujeme, ako sa lietadlo dostane do vzduchu. Ako to lieta? Koniec koncov, lietadlo je oveľa ťažšie ako vzduch.

Prečo vzducholoď stúpa

Vieme, že balóny a vzducholode sa dvíhajú do vzduchu Archimedova sila . Archimedov zákon pre plyny hovorí: " Na na teleso ponorené do plynu pôsobí vztlaková sila rovnajúca sa gravitačnej sile plynu vytlačeného týmto telesom.“ . Táto sila má opačný smer ako gravitačná sila. To znamená, že Archimedova sila smeruje nahor.

Ak sa gravitačná sila rovná Archimedovej sile, potom je teleso v rovnováhe. Ak je Archimedova sila väčšia ako gravitačná sila, telo stúpa vo vzduchu. Keďže valce balónov a vzducholodí sú naplnené plynom, ktorý je ľahší ako vzduch, Archimedova sila ich tlačí nahor. Archimedova sila je teda zdvíhacou silou pre lietadlá ľahšie ako vzduch.

Ale gravitácia lietadla výrazne prevyšuje silu Archimeda. Preto nemôže zdvihnúť lietadlo do vzduchu. Tak prečo to stále vzlieta?

Zdvih krídla lietadla

Vznik vztlaku sa často vysvetľuje rozdielom statických tlakov prúdenia vzduchu na hornej a dolnej ploche krídla lietadla.

Uvažujme o zjednodušenej verzii vzhľadu zdvíhacej sily krídla, ktoré je umiestnené rovnobežne s prúdom vzduchu. Konštrukcia krídla je taká, že horná časť jeho profilu má konvexný tvar. Prúd vzduchu prúdiaci okolo krídla je rozdelený na dva: horné a spodné. Rýchlosť spodného toku zostáva takmer nezmenená. Rýchlosť toho najvyššieho sa však zvyšuje, pretože musí za rovnaký čas prejsť väčšiu vzdialenosť. Podľa Bernoulliho zákona platí, že čím vyššia je rýchlosť prúdenia, tým nižší je tlak v ňom. V dôsledku toho sa tlak nad krídlom zníži. Vzhľadom na rozdiel v týchto tlakoch, výťah, ktorý tlačí krídlo nahor a s ním stúpa aj lietadlo. A čím väčší je tento rozdiel, tým väčšia je zdvíhacia sila.

Ale v tomto prípade nie je možné vysvetliť, prečo sa objaví zdvih, keď má profil krídla konkávne-konvexný alebo bikonvexný symetrický tvar. Koniec koncov, vzduchové prúdy tu prechádzajú na rovnakú vzdialenosť a neexistuje žiadny tlakový rozdiel.

V praxi je profil krídla lietadla umiestnený v uhle k prúdeniu vzduchu. Tento uhol sa nazýva uhol nábehu . A prúd vzduchu, ktorý naráža na spodnú plochu takéhoto krídla, je skosený a začína sa pohybovať smerom nadol. Podľa zákon zachovania hybnosti na krídlo bude pôsobiť sila smerujúca opačným smerom, teda nahor.

Ale tento model, ktorý popisuje výskyt vztlaku, neberie do úvahy prúdenie okolo hornej plochy profilu krídla. Preto je v tomto prípade veľkosť zdvíhacej sily podhodnotená.

V skutočnosti je všetko oveľa komplikovanejšie. Vztlak krídla lietadla neexistuje ako nezávislá veličina. Toto je jedna z aerodynamických síl.

Prichádzajúci prúd vzduchu pôsobí na krídlo silou tzv celková aerodynamická sila . A zdvíhacia sila je jednou zo zložiek tejto sily. Druhá zložka je ťahová sila. Celkový vektor aerodynamickej sily je súčtom vektorov sily zdvihu a odporu. Vektor zdvihu je nasmerovaný kolmo na vektor rýchlosti prichádzajúceho prúdu vzduchu. A vektor ťahovej sily je rovnobežný.

Celková aerodynamická sila je definovaná ako integrál tlaku okolo obrysu profilu krídla:

Y - zdvíhacia sila

R – trakcia

dΩ – hranica profilu

r – veľkosť tlaku okolo obrysu profilu krídla

n – normálna k profilu

Žukovského teorém

Ako vzniká zdvíhacia sila krídla ako prvý vysvetlil ruský vedec Nikolaj Egorovič Žukovskij, ktorý je označovaný za otca ruského letectva. V roku 1904 sformuloval vetu o zdvíhacej sile telesa obtekajúceho rovinne paralelné prúdenie ideálnej kvapaliny alebo plynu.

Zhukovsky predstavil koncept cirkulácie rýchlosti prúdenia, ktorý umožnil zohľadniť sklon prúdenia a získať presnejšiu hodnotu zdvihovej sily.

Vztlak krídla s nekonečným rozpätím sa rovná súčinu hustoty plynu (kvapaliny), rýchlosti plynu (kvapaliny), rýchlosti cirkulačného prúdenia a dĺžky zvolenej časti krídla. Smer pôsobenia zdvíhacej sily sa získa otáčaním vektora rýchlosti prúdenia v pravom uhle proti cirkulácii.

Zdvíhacia sila

Stredná hustota

Rýchlosť prúdenia v nekonečne

cirkulácia rýchlosti prúdenia (vektor je nasmerovaný kolmo na rovinu profilu, smer vektora závisí od smeru cirkulácie),

Dĺžka segmentu krídla (kolmo na rovinu profilu).

Veľkosť vztlaku závisí od mnohých faktorov: uhol nábehu, hustota a rýchlosť prúdenia vzduchu, geometria krídla atď.

Žukovského teorém tvorí základ modernej teórie krídel.

Lietadlo môže vzlietnuť len vtedy, ak je vztlaková sila väčšia ako jeho hmotnosť. Rýchlosť rozvíja pomocou motorov. So zvyšujúcou sa rýchlosťou sa zvyšuje aj zdvih. A lietadlo stúpa.

Ak sú vztlak a hmotnosť lietadla rovnaké, letí vodorovne. Motory lietadla vytvárajú ťah - silu, ktorej smer sa zhoduje so smerom pohybu lietadla a je opačný ako smer odporu. Ťah pretlačí lietadlo cez vzdušné prostredie. Pri horizontálnom lete konštantnou rýchlosťou sú ťah a odpor vyvážené. Ak zvýšite ťah, lietadlo začne zrýchľovať. Zvýši sa však aj odpor. A čoskoro budú opäť bilancovať. A lietadlo bude lietať konštantnou, ale vyššou rýchlosťou.

Ak sa rýchlosť zníži, zdvíhacia sila sa zníži a rovina začne klesať.

Ak lietate často alebo často sledujete lietadlá na službách ako , určite ste si položili otázky, prečo lietadlo letí tak, ako letí, a nie inak. Aká je logika? Skúsme na to prísť.

Prečo lietadlo neletí po priamke, ale v oblúku?

Ak sa pozriete na dráhu letu na displeji v kabíne alebo na počítači doma, nevyzerá priamo, ale oblúkovito, zakrivená smerom k najbližšiemu pólu (sever na severnej pologuli, juh na južnej). V podstate takmer po celej trase (a čím je dlhšia, tým je férovejšia) sa snaží letieť v priamom smere. Ide len o to, že displeje sú ploché a Zem je guľatá a projekcia trojrozmernej mapy na plochú mení jej proporcie: čím bližšie k pólom, tým bude „oblúk“ zakrivenejší. Dá sa to veľmi ľahko skontrolovať: vezmite glóbus a natiahnite niť po jeho povrchu medzi dvoma mestami. Toto bude najkratšia trasa. Ak teraz prenesiete líniu nite na papier, získate oblúk.

To znamená, že lietadlo letí vždy v priamom smere?

Lietadlo nelieta tak, ako sa mu zachce, ale po vzdušných trasách, ktoré sú položené, samozrejme, tak, aby sa vzdialenosť minimalizovala. Trasy pozostávajú zo segmentov medzi kontrolnými bodmi: môžu byť použité ako rádiové majáky alebo jednoducho súradnice na mape, ktorým sú priradené päťpísmenové označenia, najčastejšie ľahko vysloviteľné, a preto zapamätateľné. Alebo skôr, musíte ich vyslovovať písmeno po písmene, ale ako vidíte, zapamätať si kombinácie ako DOPIK alebo OKUDI je jednoduchšie ako GRDFT a UOIUA.

Pri vykresľovaní trasy pre každý konkrétny let sa používajú rôzne parametre vrátane samotného typu lietadla. Takže napríklad pre dvojmotorové lietadlá (a aktívne nahrádzajú troj- a štvormotorové lietadlá) platia normy ETOPS (Extended range twin engine operation performance standard), ktoré upravujú plánovanie trás tak, že lietadlá križujú oceány, púšte alebo póly, je zároveň v určitom čase letu na najbližšie letisko schopné prijať tento typ lietadla. Vďaka tomu sa pri výpadku jedného z motorov spoľahlivo dostane na miesto, kde bol spáchaný. núdzové pristátie. Rôzne lietadlá a letecké spoločnosti sú certifikované pre rôzne časy letu, môže to byť 60, 120 a dokonca 180 a v ojedinelých prípadoch 240 (!) minút. Medzitým sa plánuje certifikovať Airbus A350XWB na 350 minút a Boeing 787 na 330; tým by sa eliminovala potreba štvormotorových lietadiel aj na trasách ako Sydney-Santiago (najdlhšia obchodná trasa na svete po mori).

Na akom princípe sa pohybujú lietadlá po letisku?

Po prvé, všetko závisí od skupiny, z ktorej ste momentálne vzlietnuť na letisku odletu a pristáť na letisku príletu. Ak existuje niekoľko možností, potom pre každú z nich existuje niekoľko schém výstupu a vstupu: ak to vysvetlíte slovami, lietadlo musí pokračovať do každého z bodov schémy v určitej nadmorskej výške v určitej (v medziach) rýchlosť. Výber dráhy závisí od aktuálneho vyťaženia letiska a predovšetkým od vetra. Faktom je, že počas vzletu aj pristátia musí byť vietor protivietor (alebo fúkať zboku, ale stále spredu): ak vietor fúka zozadu, potom lietadlo, aby sa udržala požadovaná rýchlosť vzhľadom na vzduch. , bude musieť mať príliš vysokú rýchlosť voči zemi - možno pás nie je dostatočne dlhý na vzlet alebo brzdenie. Lietadlo sa preto pri vzlete a pristávaní pohybuje v závislosti od smeru vetra buď jedným alebo druhým smerom, pričom dráha má dva kurzy vzletu a pristátia, ktoré sa zaokrúhlene na desiatky stupňov používajú na označenie dráhy. . Napríklad, ak je kurz 90 v jednom smere, potom v druhom bude 270 a pás sa bude nazývať „09/27“. Ak, ako sa to často stáva v veľké letiská, sú dva paralelné pruhy, sú označené ako ľavý a pravý. Napríklad v Sheremetyevo 07L/25R a 07R/25L a v Pulkove - 10L/28R a 10R/28L.

Na niektorých letiskách fungujú dráhy iba v jednom smere - napríklad v Soči sú hory na jednej strane, takže môžete vzlietnuť iba smerom k moru a pristáť iba z mora: ktorýmkoľvek smerom bude vietor fúkať zozadu buď pri štarte či pristávaní, takže piloti zaručene zažijú trochu extrému.

Letové schémy v oblasti letiska zohľadňujú početné obmedzenia - napríklad zákaz lietania lietadiel priamo nad mestami alebo špeciálnymi zónami: môžu to byť citlivé aj banálne objekty. chatové dediny Rublyovka, ktorej obyvatelia nemajú radi hluk nad hlavou.

Prečo lietadlo letí v jednom smere rýchlejšie ako v druhom?

Toto je „dovolenková“ otázka – možno sa rozbilo viac kópií len okolo problému s lietadlom stojacim na pohyblivom páse – „či vzlietne alebo nie“. Lietadlo skutočne letí rýchlejšie na východ ako na západ a ak sa z Moskvy do Los Angeles dostanete za 13 hodín, môžete sa vrátiť za 12.

To znamená, že je rýchlejšie lietať zo západu na východ ako z východu na západ.

Humanista si myslí, že Zem sa točí a keď letíte jedným smerom, cieľ sa približuje, pretože planéta sa pod vami stihne otočiť.

Ak počujete takéto vysvetlenie, súrne dajte dotyčnému učebnicu zemepisu pre šiesty ročník, kde mu vysvetlia, že po prvé, Zem sa otáča zo západu na východ (t. j. podľa tejto teórie by malo byť všetko naopak okolo) a po druhé, atmosféra rotuje so Zemou. Inak by bolo možné vzniesť sa do vzduchu teplovzdušný balón a visieť na mieste a čakať na odbočku na miesto, kde musíte pristáť: bezplatné cestovanie!

Technik sa snaží vysvetliť tento jav Coriolisovou silou, ktorá pôsobí na rovinu v neinerciálnej referenčnej sústave „Rovina Zeme“: pri pohybe v jednom smere sa jej hmotnosť zväčšuje a v druhom naopak znižuje. . Jediným problémom je, že rozdiel v hmotnosti lietadla vytvorený Coriolisovou silou je veľmi malý, dokonca aj v porovnaní s hmotnosťou užitočného zaťaženia na palube. Ale to nie je také zlé: odkedy hmotnosť ovplyvňuje rýchlosť? S autom môžete jazdiť rýchlosťou 100 km/h buď sami, alebo s piatimi ľuďmi. Rozdiel bude len v spotrebe paliva.

Skutočný dôvod, prečo lietadlo letí rýchlejšie na východ ako na západ, je ten, že vetry vo výške niekoľkých kilometrov najčastejšie fúkajú zo západu na východ, a tak sa v jednom smere ukáže ako zadný vietor, čím sa zvyšuje rýchlosť oproti Zem a v druhej - blížiace sa, spomaľujúce. Prečo fúkajú vetry napríklad takto? Mimochodom, štúdium vysokohorských tryskových prúdov (sú to silné vetry vo forme relatívne úzkych prúdov vzduchu v určitých zónach atmosféry) umožňuje vytýčiť trasy tak, že raz „v prúde, ” môžete maximalizovať rýchlosť a ušetriť palivo.

 

Môže byť užitočné prečítať si: