Почему самолёты летают, а крыльями не машут? Инфографика

Полёт самолётов обеспечивается действием подъёмной силы крыла, вызванной разницей между давлением воздуха под крылом и над крылом. Эта разница возникает благодаря особой форме крыла, многочисленные расчёты и эксперименты с которой осуществили братья Райт перед своим знаменитым полётом.

Подъёмная сила крыла

Аэростаты и дирижабли поднимаются и держатся в воздухе благодаря силе Архимеда: на любой предмет, находящийся в атмосфере, действует подъёмная сила, равная весу воздуха, вытесненного этим предметом. Если баллон аэростата заполнен газом легче воздуха, то сила Архимеда будет выталкивать его вверх — так же как предмет, который легче воды, выталкивается на её поверхность. Однако для аппаратов тяжелее воздуха этот способ не подходит — самолётам требовался иной принцип создания подъёмной силы.

Статья по теме

Как изменились летательные аппараты за 230 лет?

Основой теории крылатого полёта стал закон Бернулли, согласно которому при увеличении скорости воздушного потока статическое давление воздуха снижается. Следовательно, если скорость воздуха над крылом будет выше скорости воздуха под крылом, то давление воздуха на крыло сверху будет меньше давления воздуха, действующего на крыло снизу — а значит, возникнет подъёмная сила, толкающая крыло вверх. Для этого нужна особая форма крыла, более выпуклая сверху — таким образом воздуху, обтекающему крыло сверху, приходится пройти большее расстояние, чем нижнему воздушному потоку, т. е. скорость потока над крылом становится больше, что и требуется для создания подъёмной силы крыла.

Однако применение этого теоретического принципа на практике зависит от множества условий: плотности воздуха и скорости набегания воздушного потока, геометрии крыла и угла атаки крыла, значения числа Рейнольдса и других факторов. Определение коэффициентов подъёмной силы для разных типов крыла и управление самолётом за счёт её изменения стали вкладом братьев Райт в науку о полёте самолётов.

Изобретения братьев Райт

17 декабря 1903 года братья Райт совершили первый задокументированный полёт самолёта. Полёт братьев Райт стал результатом не только многочисленных экспериментов, но и тщательных предварительных расчётов, касающихся подъёмной силы крыла и управления летательных аппаратов с её помощью. Ключевым достижением братьев Райт стала управляемость полёта. 

Статья по теме

12 секунд неба. Как братья Райт научили людей летать

Их предшественники рассматривали воздушный полёт как плоскостной, аналогичный движению автомобиля или корабля по земной поверхности — только над поверхностью земли. Крен или вращение самолёта не рассматривались или считались нежелательными, которыми пилот управлять не может. В то же время братья Райт видели в этом способ абсолютного контроля над летательным аппаратом. Основываясь на своих наблюдениях, Уилбер Райт обнаружил, что птицы поворачивают влево или вправо, изменяя угол окончаний своих крыльев. Подобный способ позволил бы самолёту создавать крен в сторону поворота — как это делают птицы или мотоциклисты на повороте, а также восстановить равновесие при наклоне самолёта порывом бокового ветра (что стало причиной гибели многих первых авиаторов). В стремлении повторить этот эффект братья Райт изобрели метод перекоса крыла: перекос крыльев или их искривление увеличивает подъёмную силу на одном конце крыла, которое поднимается, начиная поворот в направлении более низкого конца. Сочетание этого метода (в т. ч. с помощью элеронов) с традиционными рулями высоты обеспечило полный контроль над летательным аппаратом и стало, по сути, началом истории современных самолётов.

В ходе экспериментов братья Райт столкнулись с тем, что существовавшие на тот момент формулы расчёта подъёмной силы крыла оказались весьма неточными. Для расчётов требовались значения коэффициента подъёмной силы, который зависит от формы крыла. Для их определения братья Райт создали аэродинамическую трубу, в которой испытали около 200 миниатюрных моделей разных крыльев. Внутри трубы находились изобретённые ими «весы» для крыльев. Это устройство позволило сделать расчёт коэффициентов подъёмной силы для каждого типа крыла.