Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 9.14. Подъемная сила крыла самолета

• Современный самолет — это сложнейшее сооружение, состоящее из сотен тысяч деталей, электронно-вычислительных устройств. Полетная масса самолетов достигает нескольких сотен тонн. Как же возникает подъемная сила, удерживающая самолет в воздухе?

Со стороны атмосферы на крылья и корпус самолета действуют огромные силы давления. К примеру, площадь нижней поверхности крыла современного пассажирского самолета Ил-62 равна 240 м², а вместе с поверхностью стабилизаторов достигает 280 м². Атмосферное давление равно 10⁵ Па, поэтому на крылья воздух действует с силой 2,8 • 10⁷ Н. Эта сила в 18 раз превышает вес самолета с пассажирами (полетный вес самолета Ил-62 равен 1,54 • 10⁶ Н).

Для возникновения подъемной силы давление воздуха на нижнюю поверхность крыла должно быть больше, чем на верхнюю.

Такое перераспределение давления обычно происходит при обтекании крыла воздушным потоком. Рассчитаем избыточное давление, необходимое для того, чтобы возникла подъемная сила, равная силе тяжести, действующей на самолет Ил-62:

Это избыточное давление составляет примерно 0,05 от нормального атмосферного давления. Пример показывает, что для взлета самолета достаточно создать небольшое избыточное давление. Как же оно возникает?

Когда воздушный поток начинает обтекать крыло, то из-за действия сил трения у задней кромки крыла образуется вихрь, в котором воздух вращается против часовой стрелки, если крыло движется влево (рис. 9.51). Но по законам механики при возникновении вращения против часовой стрелки должно возникнуть вращение по часовой стрелке(1).

Рис. 9.51

Такое вращение воздуха и возникает вокруг крыла. На обтекающий крыло поток накладывается циркуляция воздуха вокруг крыла. В результате скорость воздушного потока над крылом, так как над крылом скорость циркуляции имеет такое же направление, как и скорость набегающего на крыло потока, а под крылом эти скорости противоположны по направлению. Но согласно закону Бернулли давление должно быть больше там, где скорость меньше. Следовательно, под крылом давление больше, чем над ним. Из-за этого и возникает подъемная сила.

Теория возникновения подъемной силы крыла при обтекании его потоком газа была впервые разработана русским ученым Н. Е. Жуковским.

Можно приближенно оценить, от чего зависит перепад давлений вокруг крыла. Если самолет движется со скоростью v относительно воздуха, то в системе координат, связанной с самолетом, крыло неподвижно, а на него набегает воздушный поток с такой же по модулю скоростью. Обозначим модуль скорости циркулирующего потока через u. Тогда модуль скорости воздуха над крылом будет равен v₁ = v + u, а под крылом v₂ = v - u. Запишем закон Бернулли:

Откуда

В нижних слоях атмосферы, где плотность воздуха больше, достаточная подъемная сила может возникнуть и при малых скоростях движения самолета . На больших высотах плотность воздуха уменьшается, но там могут быть развиты значительные скорости и за счет этого будет возникать необходимая подъемная сила.

Скорость самолета Ил-62 равна 900 км/ч, а на тех высотах, где он летает, плотность воздуха порядка 1 кг/м³. Поэтому при скорости циркуляции порядка 10 м/с возникает необходимый для полета перепад давлений:

Закон Бернулли дает возможность понять, почему возникает подъемная сила у крыла самолета. Скорость обтекания воздухом верхней кромки крыла больше, чем нижней. Поэтому давление воздуха на нижнюю кромку крыла больше, чем на верхнюю.

Жуковский Николай Егорович (1847— 1921) — знаменитый русский ученый, основоположник современной гидро- и аэродинамики. Он создал теорию подъемной силы крыла самолета, разработал вихревую теорию воздушного винта и теорию гидравлического удара. Созданный Жуковским в 1918 г. Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) сыграл исключительную роль в развитии современной авиации.

(1) Это следует из закона сохранения момента импульса, о котором шла речь в главе 7.