Подъёмная сила крыла самолёта

Сила Магнуса

В футболе одним из коварных ударов для вратаря считается так называемый «сухой лист» - мяч, вращаясь одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, меняет вдруг траекторию движения, чем-то и вправду напоминая полет листа в ветреную погоду. Похожий подрезанный удар — «спин» применяют в теннисе и других играх с мячом. При этом ударе мяч в полёте быстро вращается, и его траектория становится значительно сложнее по сравнению с траекторией мяча, посланного обычным ударом. Предвидеть, куда направится такой кручёный мяч, неопытному спортсмену довольно трудно. «Виновата» во всём сила Магнуса, проявляющаяся при движении закрученного вдоль своей оси симметричного тела — мяча, цилиндра и т. п. Конечно, она действует отнюдь не только на спортивные мячи.

Снаряд или пуля, вращаясь в полёте, также испытывают силу Магнуса, которая приводит к тому, что ось снаряда или пули стремится приблизиться к касательной к траектории. Очень похожее на эффект Магнуса явление наблюдается и у крыла. Стоя на мосту и наблюдая течение реки, можно заметить, что вода обтекает стойки моста и образует завихрения возле них. В середине XIX столетия Герман Гёльмгольц обнаружил устойчивость вихревых движений идеальной жидкости. Он показал, что такие вихри после возникновения становятся самостоятельными и могут взаимодействовать друг с другом. При обтекании любого тела элементы жидкости или газа тормозятся и ускоряются внешним потоком. Это приводит к тому, что они приобретают вращательное движение, при этом верхняя поверхность элемента жидкости закручивается по часовой стрелке, а нижняя — против, если набегающий поток движется слева направо. На задней кромке тела эти два завихренных течения встречаются. Если обтекание симметричное, то они могут компенсировать друг друга и ничего интересного не произойдёт, либо маленькие вихри будут поочерёдно сходить то с нижней, то с верхней поверхности. Если же тело, как и крыло, не обладает плоскостью симметрии, то с одной из сторон - наиболее выпуклой - завихренность потока будет сильнее.

Для потока жидкости или газа, обтекающего тело, неважно, чем вызвано завихрение — вращением тела или его несимметричностью. Такой поток будет создавать силу, направленную перпендикулярно его набеганию. Если вращается само тело, эта сила называется силой Магнуса, а если завихренность вызвана его формой — сила называется подъёмной.

Подъемная сила крыла

"Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума". Н.Жуковский

Н.Е.Жуковский - создатель теории подъемной силы крыла и автор одного из первых курсов по авиации " Теоретические основы воздухоплавания ". Его статья " О присоединенных вихрях ", опубликованная в 1906 г., явилась итогом большой работы в области исследования подъемной силы крыла. Активное участие в разработке этой проблемы принимал С.А.Чаплыгин, автор монографии " О газовых струях ", на основе которой были созданы впоследствии разделы аэродинамики больших скоростей. Еще осенью 1898 г. на Х съезде русских естествоиспытателей и врачей Н.Е.Жуковский организовал воздухоплавательную подсекцию и выступил с обзорным докладом " О воздухоплавании ", в котором решительно высказался за развитие летательных аппаратов тяжелее воздуха. Докладчик говорил: "...Глядя на летающие живые существа, на стрижей и ласточек, которые со своим ничтожным запасом энергии носятся в продолжение нескольких часов в воздухе со скоростью, достигающей 50 км/ч , и могут пересекать моря, на орлов, которые описывают в синем небе красивые круги с неподвижно распростертыми крыльями, на неуклюжую летучую мышь, которая бесшумно переносится ветром во всевозможных направлениях, невольно задаешься вопросом: неужели для людей нет возможности подражать этим существам?" В 1904 г. русский учёный, основоположник современной аэродинамики Николай Егорович Жуковский (1847—1921), опираясь на идеи Гельмгольца, установил связь величины завихренности и подъёмной силы.

Чрезвычайно плодотворными и перспективными оказались работы Н. Е. Жуковского по созданию новых крыльевых профилей. Возможность получения большой подъёмной силы при малом лобовом сопротивлении зависит от формы крыльевого профиля. Поэтому очень важно уметь теоретически рассчитывать выгодные формы профилей крыла, прибегая к эксперименту лишь для проверки результатов расчёта и для определения характеристик этих профилей на нерасчётных режимах работы: при возникновении явлений срыва потока на больших углах атаки или волнового кризиса на высоких скоростях полёта.

Представим себе для простоты, что самолет летит горизонтально, равномерно и прямолинейно. В этом случае на него действуют следующие четыре силы:

-Сила тяги винта или реактивного потока. То, что она движет самолет вперед, ясно из третьего закона Ньютона: винт самолета отбрасывает воздух назад, а сам винт и самолет вместе с ним перемешается вперед, реактивный поток продуктов сгорания топлива вырывается из сопла двигателя назад. Так как самолет движется горизонтально, она равна весу самолета.

-Сила сопротивления воздуха движению самолета, направленная навстречу полету самолета. Так как самолет движется равномерно, эта сила должна быть равной силе тяги двигателя, а равнодействующая двух данных сил должна быть равна нулю.

-Сила тяжести, действующая вертикально вниз и стремящаяся прижать самолет к земле. Она равна по модулю весу самолета.

-Подъемная сила крыла, направленная вертикально вверх и противостоящая силе тяжести. Так как самолет движется горизонтально, она равна весу самолета.