Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации
Шрифт:
ФАНТАСТИЧЕСКИЙ ЛЕТАЮЩИЙ СОЛДАТ
Но почему непременно солдат? Такому чудесному аппарату наверняка можно найти лучшее применение!
Леонардо да Винчи во многом опережал свое время, и среди его проектов был своего рода предшественник вертолета. К сожалению, он вряд ли смог бы подняться в воздух, и не только потому, что должен был работать на мускульной
Кроме того, вертолету нужен дополнительный хвостовой пропеллер, который смотрит вбок (или что-то аналогичное), чтобы судно не вертелось, как волчок. По-видимому, это последнее дополнение Леонардо упустил. Штурмовикам “харриер” и их преемникам хвостовой пропеллер не нужен, поскольку у них нет винта. Они поднимаются за счет отражающих реактивных сопел, направленных вертикально вниз. Затем самолет направляет сопла назад, чтобы лететь вперед, подъемную силу он набирает при помощи крыльев, как любой нормальный самолет. А откуда берут подъемную силу нормальные самолеты? Тут все несколько сложнее.
Нормальные самолеты, в отличие от вертолетов, набирают подъемную силу за счет стремительного движения, они толкают себя вперед пропеллерами или реактивными двигателями. А поток воздуха, который мчится навстречу крыльям – над ними и под ними, – поднимает самолет двумя способами, причем оба актуальны не только для рукотворного летательного аппарата, но и для живых летающих существ. Очевидный и главнейший из двух способов называется ньютоновским. На переднюю кромку крыльев давит ветер, который по мере движения судна вперед приподнимает их за счет небольшого наклона вверх. Этот эффект можно ощутить, если высунуть руку в окно несущейся машины. Наклоните ладонь чуть-чуть вверх, и вы почувствуете, как вверх потянет всю руку. Это очевидное ньютоновское объяснение, почему крылья поднимают самолет, и основной способ для самолетов получить подъемную силу. Он сработал бы, даже если бы крылья представляли собой плоские доски, немного наклоненные вверх, поэтому можем называть его эффектом плоской доски.
ПОЖАЛУЙ, НЕ САМОЕ ГЕНИАЛЬНОЕ ИЗ ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ ЛЕОНАРДО
Даже если четыре человека будут бежать вокруг кабестана со всех ног, это устройство не поднимется над землей ни на сантиметр.
Но параллельно происходит и другой процесс, не такой очевидный. Есть второй способ, которым крылья дают подъемную силу при стремительном движении вперед. Он назван в честь Даниила Бернулли, швейцарского математика, жившего в XVIII веке. Многие не вполне понимают, как взаимодействуют эти два способа. К счастью, самолеты все равно не падают, даже если простыми словами трудно объяснить, как именно им это удается.
Итак, вот второй способ, бернуллиевский, которым крылья обеспечивают подъемную силу. Вы наверняка заметили, что у современных самолетов крылья не плоские, они искусно выгнуты. Передняя кромка толще задней. А форма сечения крыла – тщательно рассчитанная криволинейная фигура, продуманная так, чтобы воздух, обтекая поверхность крыла, давал подъемную силу согласно закону Бернулли.
Закон Бернулли гласит, что, если текучая среда (это выражение означает и газы, и жидкости) движется вдоль поверхности, давление на поверхность уменьшается. Именно поэтому занавеска в душе прилипает к телу. И чтобы этого не происходило, нередко вешают вторую занавеску снаружи бортика ванны. В этом случае поток Бернулли – это ветер, направленный сверху вниз, который генерирует текущая вода. Теперь представьте себе, что у вас есть две душевые
Естественно, ветер давит и на крыло самолета, который мчится вперед, рассекая воздух. Обычно самолеты стараются для усиления воздействия взлетать по возможности против доминирующего ветра. Тут есть некоторая тонкость. Согласно закону Бернулли, сила засасывания зависит от формы поверхности, вдоль которой дует ветер. Криволинейную верхнюю поверхность крыла воздух обтекает быстрее, чем более плоскую нижнюю поверхность. Вспомните поучительный пример занавески в душе. Ветер, в точности как занавеска, подсасывается вверх из-за более низкого давления на верхнюю поверхность крыла.
Объяснить, почему выгнутая верхняя поверхность крыла заставляет воздух двигаться быстрее, задача довольно сложная. Обычно говорят, что две молекулы воздуха, одновременно отправившиеся в путь от передней кромки крыла к задней, одна по верхней поверхности крыла, а другая по нижней, должны по какой-то загадочной причине достигнуть задней кромки одновременно. Иначе говоря, те молекулы, которые следуют по криволинейной верхней поверхности крыла, должны пройти более длинный путь, поэтому, как считается, им приходится двигаться быстрее. Но это не так. На самом деле молекулы вовсе не окажутся у задней кромки крыла одновременно. И не должны, собственно. Тем не менее молекулы воздуха действительно обтекают изогнутую верхнюю поверхность крыла, вместо того чтобы отлетать по касательной, и действительно движутся по криволинейной верхней поверхности быстрее, чем по более плоской нижней, так что эффект Бернулли и в самом деле обеспечивает некоторое количество подъемной силы как следствие.
САМОЛЕТ В РЕЖИМЕ СВАЛИВАНИЯ
Рисунок турбулентности вокруг самолета в режиме сваливания.
При всем при том вклад закона Бернулли в подъемную силу в обычных условиях не так важен, как первый из упомянутых эффектов – эффект плоской доски, он же ньютоновский. Если бы бернуллиевская подъемная сила была больше ньютоновской, самолеты не могли бы летать вверх ногами. А они могут – по крайней мере, небольшие.
Выше я описал, как молекулы воздуха обтекают искривленную верхнюю поверхность крыла и не отлетают по касательной. Но это верно лишь отчасти. Если угол набегающего потока слишком велик, то есть крыло наклонено вверх слишком резко, обтекание нарушается, молекулы воздуха перестают плавно огибать крыло и отрываются от него, и возникают жуткие турбулентные вихри. Давление Бернулли исчезает, и воздушное судно внезапно теряет подъемную силу и, как говорят специалисты, впадает в режим сваливания. Режим сваливания – это очень опасно, и пилот должен принять меры, чтобы снова набрать подъемную силу, то есть уменьшить угол набегающего потока (обычно для этого нужно немного наклонить нос вниз) и тем самым восстановить плавное обтекание воздухом верхней части крыла.
Я упомянул угол набегающего потока, это угол наклона крыла относительно направления воздушного потока. Не путайте это с наклоном (тангажем) самолета относительно поперечной оси, то есть относительно земли. Когда самолет взлетает, наклон очень крут, и поэтому, если вы нарушите правила и оставите на столике стакан с питьем, оно, вероятно, прольется. В этом случае велик и угол набегающего потока. Но так бывает не всегда. У истребителя, взлетающего почти вертикально, большой наклон, но маленький угол набегающего потока, поскольку ветер, дующий на крыло, направлен почти вертикально вниз.