Почему самолеты не машут крыльями?
Вы, наверное, не раз задавали себе вопрос: почему самолеты не машут крыльями? Для ответа на него, как ни странно, нужно вспомнить историю. С самых древних времен, с момента появления человека на земле, он видел, как летают птицы, насекомые, летучие мыши. Их полет происходит преимущественно за счет взмахов крыльев. А что же человек? Почему и ему не попробовать? Пробовали, и не раз.
Содержание
Первые попытки человека научиться летать
В Средние века одним из первых, кого заинтересовали вопросы полета людей, был Леонардо да Винчи. Он считал, что люди смогут летать при помощи больших искусственных крыльев.
Им было придумано и описано летательное устройство, которое, по его мнению, при помощи мускульной силы позволило бы человеку подняться в воздух и парить как птица. Для этого он внимательно изучал строение крыла птицы и механизм птичьего полета. В результате Леонардо да Винчи был предложен рисунок конструкции такого аппарата, названного впоследствии орнитоптером, однако, до реального воплощения этой идеи в жизнь, дело не дошло.
На Руси также интересовались вопросами полета человека при помощи искусственного крыла. Известен факт полета «холопа Никиты» при Иване Грозном. По словам очевидцев, он прыгнул с колокольни на искусственных крыльях и совершил полет. Но этот полет был, скорее планирующим, потому что первоначальная скорость набрана за счет прыжка с высоты колокольни.
Впоследствии подобные попытки полета, с прикрепленными к человеку крыльями, неоднократно предпринимались отдельными смельчаками, но все они тоже были планирующими, с возвышенностей, без первоначального набора высоты маховыми движениями.
А как летают птицы?
Первые эксперименты по созданию летательных аппаратов с машущими крыльями (махолетов) относятся к началу двадцатого века. Однако, все эти эксперименты оканчивались неудачей. В лучшем случае махолеты могли оторваться от земли и пролететь несколько метров. Настоящего полета не получалось.
Долго не могли понять, чего же не хватает? Оказалось, что создание подъемной силы, необходимой для полета, путем простого взмаха крыла вверх и вниз, в принципе невозможно. Потому что в верхних и нижних точках зависания крыла при простом взмахе, воздух остается неподвижным относительно крыла и подъемная сила отсутствует.
А как же летают птицы? Детальная расшифровка высокоскоростных видеосъемок взмаха крыла птиц, показала, что оно движется по сложной траектории вверх и вниз, а также вперед и назад, описывая фигуру восьмерки. Когда крыло птицы идет вверх оно немного разворачивается в высоту по направлению к потоку, таким образом, снижая сопротивление. Когда же крыло доходит до верхней точки, оно поворачивается всей плоскостью поперек потока.
Птица, как бы опирается о воздух. При этом большое значение имеет частота взмаха крыльев.
Чем она чаще, тем быстрее птица набирает высоту и может перейти к горизонтальному полету или планированию. Но перед полетом, чтобы «встать на крыло» птице необходим первоначальный толчок для набора скорости. Без скорости подъемная сила не образуется. Поэтому птицы отталкиваются от земли в самом начале полета – делают прыжок, а потом уже начинают работать крылья.
Некоторые птицы взлетают, начиная разбег. Особо это заметно по тяжелым водоплавающим птицам: лебедям, пеликанам, фламинго и др. Также с разбега стартуют фрегаты. Часто такой полет начинается против ветра. Другие птицы начинают свой полет, сидя на какой-либо высоте: дереве, здании, на краю отвесной скалы. Такие птицы, как бы ныряют вниз, расправляя крылья.
Побеждает крыло
Разобравшись с принципами полета птиц, можно переходить к вопросу о возможности создания махолетов. Известные варианты конструкции махолетов подразделяются:
- однокрылые;
- двукрылые.
Однокрылые аппараты используют для создания подъемной силы одну пару крыльев, осуществляющих симметричный взмах обоих крыльев. Двукрылые — предполагают асимметричный взмах. Одна пара крыльев делает взмах вверх, а расположенная за ними последовательно, другая — делает взмах вниз.
Самыми сложными при изготовлении махолетов являются крылья. Они должны иметь большую площадь, поворотный механизм для разворота крыла и двигатель, обеспечивающий необходимую частоту взмаха крыла на различных участках полета. В качестве двигателей махолетов используются:
- мускульная сила;
- велосипедная тяга;
- комбинированная ручная и ножная тяга;
- двигатели внутреннего сгорания.
Проведенные расчеты показали, что для полноценного полета мускульной силы человека недостаточно. Он может поддерживать усилия только небольшой промежуток времени. В свою очередь, устанавливаемые на махолеты двигатели, должны развивать большую мощность и иметь малую массу.
Перечисленные выше требования к созданию махолетов, делают их чрезвычайно сложными по конструкции и дорогими при изготовлении. Все предпринимаемые попытки их создания, которые продолжаются и до сих пор, потерпели неудачу. В лучшем случае удавалось создать небольшую летающую модель. О полноценном летательном аппарате с пилотом и грузом, речь пока не идет.
Поэтому человеку пришлось пойти другим путем. Однако начало этого пути тоже было связано с изучением полета птиц. Этим вопросом занимались такие ученые, как Луи Пьер Муйяр (Франция), Лилиенталь (Германия) и другие. В России эти исследования проводил Николай Егорович Жуковский. Будучи начинающим ученым, он всесторонне изучил динамику полета птиц и в 1891 году сделал научный доклад «О парении птиц». В нем были математически сформулированы физические основы движений парящих птиц. Эта работа стала одной из первых работ, положившей начало формулированию законов динамики полета.
Продолжив свои исследования в области теории полета, Жуковский вместе со своим учеником Чаплыгиным математически описали профиль крыла, необходимый для создания подъемной силы.
Такой профиль получил название профиля Жуковского. В разрезе крыло профиля Жуковского напоминает вытянутую каплю, округлую спереди и сужающуюся к концу. При такой форме крыла, набегающий поток воздуха в нижней его части создает зону повышенного давления, а в верхней – пониженного. Формируемая при этом сила, толкает крыло вверх, из зоны повышенного давления в зону пониженного давления.
Так, впервые была математически описана и объяснена природа подъемной силы. Однако, для создания подъемной силы обязательным условием служит набегающий воздушный поток. А как создать набегающий поток воздуха при его неподвижном состоянии? Ответ — заставить само крыло двигаться. Значит, надо было придумать конструкцию, которая могла бы придавать крылу скорость. Необходим был тягловый мотор. Крыло должно было крепиться к нему. Для управления получившейся конструкцией понадобился пилот. Таким образом, прорисовываются очертания самолета.
Работы Жуковского показали, для того, чтобы летать, необязательно махать крыльями, такая конструкция громоздка и сложна в изготовлении, гораздо проще и экономичнее прямое крыло с аэродинамическими характеристиками.
Эта концепция и была принята в начале прошлого века для дальнейшего развития авиации во всем мире. Вот поэтому самолеты летают, а крыльями не машут. Для их конструкции предпочтительнее стационарное крыло аэродинамического профиля. Дальнейшие исследования профилей крыла показали, что для создания подъемной силы для различных скоростей и режимов полета, необходим свой профиль. Наиболее распространенные формы профиля крыла:
Для дозвуковых скоростей оптимальный профиль крыла каплеобразный или линзообразный. Для сверхзвуковых скоростей крыло желательно треугольного профиля.
И все-таки они машут крыльями
Однако однозначно сказать, что самолет совсем не машет крыльями, было бы, не совсем верно. Самолеты машут крыльями, но это происходит не для того, чтобы создать подъемную силу. Она, как мы выяснили, создается аэродинамическим профилем крыла и набегающим потоком воздуха. Причины этих движений в другом.
Если смотреть на крыло летящего самолета из иллюминатора, то видно, что оно как бы дышит. Качается, изгибается вверх и вниз. Не понимая, что происходит можно подумать, что у самолета с крылом что-то неладно.
На самом деле, не происходит ничего страшного, так крыло работает. Оно приспосабливается к набегающему воздушному потоку, его завихрениям, нагрузкам от работы двигателя. Все это создает всевозможные изгибающие и скручивающие нагрузки. При проектировании крыла все эти нагрузки учитываются. Конструкция крыла и материалы, из которых оно изготовлено, выбираются таким образом, чтобы они многократно и безопасно выдерживали все режимы полета самолета.
Колебания крыла под действием внешних и внутренних сил возникают на всех без исключения самолетах.
Однако, в зависимости от самой конструкции крыла, его размеров, жесткости, амплитуда этих колебаний сильно отличается. У некоторых самолетов такие колебания могут зафиксировать только чуткие приборы, у других они хорошо видны визуально и могут достигать нескольких метров.
Мечта остается
Надеюсь, мы получили ответ на вопрос, почему самолеты летают, а крыльями не машут. В первую очередь это связано со сложностью конструкции летательных аппаратов с машущими крыльями. Природа создала механизм полета, который трудно скопировать. Современные материалы позволяют изготавливать такие аппараты только в виде летающих моделей небольших размеров. Может быть в будущем, когда будут созданы материалы на новых физических принципах, человек вернется к своей давней мечте.
