Откуда берется подъемная сила крыла?

Ср, 08/07/2013 - 22:18

Рис. 1. Две частицы, проходящие пути разной длины, но встречающиеся на задней кромке

Рис. 2. Листы бумаги действительно стремятся сблизиться. V — поток воздуха

Рис. 3. Две частицы могут прийти и не одновременно

Рис. 4. При нулевой толщине профиля пути частичек будут одинаковыми

Рис. 5. На плоском крыле нет центробежных сил


Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке (рис. 1).

На первый взгляд все действительно очень просто — верхняя часть профиля выпуклая, а нижняя — почти плоская, да еще и само крыло установлено под некоторым углом атаки a. Сверху путь получается явно длиннее, снизу — короче. Поэтому частица, движущаяся над крылом, для того, чтобы встретиться с «нижней», должна перемещаться быстрее. Затем в объяснении делается ссылка на уравнение Даниила Бернулли, отмечается безусловное снижение давления над крылом, проявляющееся в виде подъемной силы. Для большей убедительности вам предложат подуть между двумя листами бумаги (рис. 2).
Только бумагу надо брать потоньше, лучше всего папиросную, но все прекрасно получается и с копировальной бумагой для пишущих машинок. Правда, листы не просто сближаются, а трепыхаются, то сближаясь, то расходясь. Но это если дуть слишком сильно. Если же потренироваться, то легко получить плавное сближение листов, как и предсказывалось.
Вроде бы все понятно, просто и стройно, но все это безнадежно рушится от простого вопроса: «А почему?»

Действительно, а почему расставшиеся частички воздуха должны одновременно подойти к задней кромке? Ведь если вы с приятелем подойдете к болоту и, огибая его, пойдете разными тропинками, то тот, который попал на более короткий путь — придет раньше! И если не принять по каким-то причинам дополнительных мер, то так и будет — один впереди, а другой с отставанием. На крыле вроде бы тоже должна была получиться такая картина (рис. 3).

Такое обтекание, хоть оно и неправильное, похоже на правду. В этом случае легко объяснить и возникновение силы сопротивления. В самом деле, раз частица отстала, значит, ее кто-то притормозил... Но этот «кто-то» потратил энергию, приложил силу — силу сопротивления! Очень похоже на правду, но это чепуха...
Можно посадить оппонента в лужу и в том случае, если рассмотреть случай, когда пути у частичек будут одинаковыми, например, если рассмотреть тонкое крыло (рис. 4).

Действительно, пути одинаковые, а подъемная сила все равно есть. Причем вполне существенная, на таких крыльях начал летать Отто Лилиенталь. Жалкие попытки объяснить появление подъемной силы появлением на изогнутой пластинке центробежных сил рушатся, если предложить рассмотреть плоское крыло (рис. 5).

Такие крылья появились сотни, а может, и тысячи лет тому назад на воздушных змеях и ветряных мельницах и хорошо себя зарекомендовали.

Нет, что-то здесь не так! Начнем все сначала, аккуратно и математически безупречно. Для начала внимательно рассмотрим не только листы бумаги, но и силы, действующие на них (рис. 6).
Если придираться, то на нашем рисунке не совсем понятно, почему нет размеров... Но это легко объясняется тем, что уравнение Бернулли справедливо для любых размеров, и поэтому их можно не учитывать. Но тогда возникает «ехидный» вопрос: что будет с листом, если его напарника отодвинуть подальше, в принципе, совсем убрать, дуть только на один лист? Попробуйте, автор это делал (рис 7).
Убедились, что уравнение Бернулли справедливо и для одного листа, и тем самым упростили дальнейшие опыты. Но теперь специалист по механике отметит, что никогда не действует только одна сила, их всегда две (действие по латыни — акция и противодействие — реакция). Это учили еще в школе: если лошадь тянет телегу, то телега с равной, но противоположной силой тянет лошадь. В космическом полете ракета отталкивает газы, а газы отталкивают ракету. Винтовка отталкивает пулю, а пуля с такой же силой отталкивает винтовку. Даже воробей, прыгая по садовой дорожке, отталкивает Земной шар, который с такой же силой отталкивает воробья.

Но как же быть в нашем случае? Мы убрали правый лист бумаги (отодвинули в бесконечность), но где же теперь реакция?

Другие материалы рубрики


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2