Почему же эта хреновина летает?
su7bkl писал(а):
Сон потерял. Обьясните кто-нибудь просто по
деревенски почему же эта хреновина летает
(аэроплан, параплан, шарик в конце концов),
вроде как пора уже знать, но чего-то непонятно?
"Я знаю, что параллельные прямые не пересекаются.
Но почему?!"
"— Это мой первый парашютный прыжок. Какой полет,
какая скорость! И люди внизу маленькие, как муравьи.
— Дергай за кольцо, придурок, это и есть муравьи!!!"
Вступление
Итак, попытаюсь ответить просто и по-деревенски на вопрос: "почему
же эта хреновина летает (аэроплан, параплан, шарик в конце концов)"?
Как философ философу отвечу сразу: любая хреновина (из перечисленных
в вопросе) в воздухе летает из-за разницы давлений этого самого
воздуха на саму хреновину. Если этот тезис вас удивил — продолжаем
читать дальше. Собственно, изложению этого краткого вывода и посвящено
то множество буковков, которое приведено ниже.
Сразу приношу извинения за многословие. Конечно, Чехов написал
бы значительно короче, но если вам больше нравится Чехов —
читайте "Каштанку",
а мы тут про серьезные вещи рассуждать будем.
Если что не так — физики меня поправят.
Разбираться будем по частям. Итак, "хреновина летает".
В качестве хреновины мы будем рассматривать аэроплан, параплан
и шарик. Мы не будем рассматривать в качестве хреновины орбитальные
станции и летающие тарелки, поскольку почему они летают, для меня
самого загадка. Эти загадочные аппараты назовем "суперхреновины"
и оставим тему "почему летают суперхреновины" тому, кто
знает в ней толк. А сами вернемся к хреновинам обычным. Значит,
"хреновина летает".
Разбираться начнем с того, что договоримся, что будем понимать
под словом "летает". Для начала предлагаю за этот глагол
принять следующее: "летает" — движется в воздухе
с ускорением, равным нулю. Не спешите критиковать такое определение,
дальше мы его при необходимости уточним.
Пример 1
Самый простой случай: воздушный шарик диаметром полметра лениво
плывет по воздуху. К земле не спускается, вверх тоже не поднимается,
просто неторопливо "летит" (или "висит"?) вдоль
поверхности земли. Из этого располагающего к созерцанию явления
мы понимаем, что:
 на
шарик действует сила тяжести (направлена вниз);
на
шарик действует "сила воздуха" (какая — посмотрим
дальше);
эти
силы уравновешены.
Из того, что силы уравновешены, а сила тяжести направлена вниз,
мы делаем важный вывод, что "сила воздуха" направлена
вверх. Что это за сила? Сила давления воздуха на поверхность шарика
(как мы помним, сила равна произведению давления на площадь поверхности,
к которой это давление приложено).
Разберемся в природе этой силы, при этом сделаем одно упрощение:
допустим, что наш шарик идеально круглый. Теперь мысленно разобьем
поверхность шарика вдоль "экватора" на две половинки:
верхнюю и нижнюю. Результирующая сила давления воздуха будет складываться
из:
- силы давления воздуха на верхнюю половинку
шарика (погружающее давление), и
- силы давления воздуха на нижнюю половинку
шарика (выталкивающее давление).
Поскольку, как мы ранее установили, итоговая сила давления воздуха
на шарик направлена вверх, понимаем, что "выталкивающее"
давление несколько больше, чем "погружающее". И этой самой
разницы между "выталкивающим" и "погружающим"
давлением достаточно, чтобы шарик "летел".
Откуда же берется это самое давление? Из плотности воздуха. Помните,
давление столба жидкости:
p = r0 x g
x h
где:
p — давление
r0— плотность
жидкости (в нашем случае это воздух)
g — ускорение свободного
падения
h — высота столба жидкости?
Казалось бы, какой там размер шарика, и, тем более, какая там плотность
воздуха! Но вот этих самых малюсеньких величин уже становится достаточно,
чтобы уравновесить вес шарика.
Не верится? Давайте попробуем посчитать. Здесь я предлагаю для
большей очевидности картины и простоты подсчетов временно заменить
шарик цилиндром того же объема.
Итак, пусть мы имеем вертикально ориентированный "летящий"
цилиндр, высотой полметра и диаметром чуть больше тридцати сантиметров.
Подсчитаем "рожэаш": плотность воздуха при нуле градусов
на уровне моря составляет 1,29 кг/м3, высота "столба"
воздуха — полметра (ровно такой высоты наш цилиндр). Отсюда
"пэ" равно 6,3 Паскаля, а результирующая сила давления
воздуха, уравновешивающая силу тяжести, составляет 0,465 Ньютона
(столько примерно "весят" 47,5 граммов).
Итак, наш цилиндр весит 47 граммов, то есть столько весят оболочка
и газ внутри цилиндра. Что за газ, спросите вы? Любой, имеющий плотность
меньшую, чем плотность воздуха, находящегося снаружи цилиндра. Может
быть это водород, гелий, или, на худой конец, очень нагретый воздух!
Несмотря на то, что считали мы для цилиндра, результаты справедливы
для нашего исходного шарика, занимающего тот же объем. Шарик (оболочка
и внутренний газ) имеет массу 47 граммов, и его вес уравновешивается
подъемной силой в 0,465 Ньютона. Именно такова разница силы давления
воздуха на верхнее полушарие нашего шарика, и его нижнее полушарие.
Поскольку поверхность верхнего полушария равна поверхности нижнего
полушария, то единственной причиной подъемной силы для нашего примера,
когда "летает" шарик, является разница давления воздуха,
окружающего шарик, на верхнее полушарие и на нижнее полушарие.
Главный вывод — чтобы "лететь" такой хреновине,
как шарик, нужна разница давлений!
В заключение этого примера отметим, что поскольку воздух вокруг
шарика малоподвижен, то наш пример иллюстрирует "аэростатическое"
летание. Далее мы будем рассматривать "аэродинамическое"
летание, но и там, как увидим, мы неизбежно придем к тому, что причиной
"летания" является разница давлений.
Главное — ее найти!
Пример 2
Теперь попробуем рассмотреть пример "аэродинамического"
летания (напомним себе, что слово "аэродинамический" приплетают
тогда, когда хотят сказать, что хреновина "летает", двигаясь
относительно окружающего ее воздуха) на примере "хреновины",
не вошедшей в исходный список.
Для нашего примера попросим "полетать" безумного парашютиста,
одетого в костюм белки-летяги ярко розового цвета (конечно, безумный,
иначе надел бы он розовый костюм? лучше бы сразу — коричневый!)
и снаряженного управляемым (т.е. похожим на параплан) парашютом
(он же все-таки парашютист!), который бережно упакован в ранец за
спиной летуна.
На высоте нескольких километров наш безумный герой выпадает из
чего-нибудь (например, из воздушного шара) и начинает свой храбрый
полет. Разберем это увлекательное путешествие к центру земли по
фазам.
Фаза 1: начальное падение
Сначала наш отважный повелитель бури, сжавшись в комок (в шарик!),
устремляется к поверхности земли с ускорением свободного падения.
В этот момент он пока не "летает" в нашем определении
(ускорение-то не нулевое), а просто падает. И вот тут начинается
то, что Вадим и прочие маевцы называют "аэродинамикой".
По-нашему, по-деревенски, это хитрое слово примерно можно перевести
как "сила [движения] воздуха". В общем, все равно: ты
движешься, а воздух стоит (как у нашего с чего-то рухнувшего героя),
или воздух движется относительно тебя — тому, кто "летит"
предстоит ощутить всю силу движущегося воздуха!
Фаза 2: скорость больше не растет. "Я уже лечу?"
Наша "хреновина", сжавшись в комок, все еще падает. Страшно
шумит рвущийся вокруг воздух; скорость — просто бешенная! Но
прибор (какой же "летун" без прибора?) отмечает, что скорость
вдруг расти перестала. По нашему определению, теперь, когда ускорение
равно нулю, парашютист, уютно свернувшийся в клубок и несущийся
вниз со скоростью 220 км/ч, по-настоящему "летит"!
Итак, наблюдаем движение шарика (шарик — не имя отважного
парашютиста, а форма, которую он принял — комок нервов и всего-всего,
что еще осталось в нашем герое) вертикально вниз с пугающе ненулевой
скоростью, но нулевым ускорением. Из этого завораживающего по своему
экстриму явления "полета" мы со всей очевидностью выводим
следующее:
на
шарик действует сила тяжести (направлена вниз);
на
шарик действует "сила воздуха" (какая — увидим дальше);
эти
силы уравновешены.
Опять же для очевидности картины допустим, что наша "хреновина",
которая "летит", имеет форму идеальной сферы. Как и в
примере 1, рассмотрим давление воздуха на нижнее полушарие и на
верхнее полушарие. Каким будет это давление по сравнению с давлением
на "экваторе"?
С нижним полушарием все более-менее очевидно. Кому не очевидно
— выставьте свою голову из окна автомобиля, едущего со скоростью
220 км/ч (ВНИМАНИЕ! Это
шутка, голову из движущегося автомобиля никому не выставлять —
опасно для жизни!). Просто поверьте на слово, на нижнее полушарие
давление воздуха значительно больше давления на "экваторе".
С верхним полушарием все не так очевидно. По моим ощущениям, на
верхнее полушарие давление воздуха будет меньше, чем на "экваторе",
и виной тому являются "бурбуляки", которые образуются
из-за турбулентности обтекания нашего шарика. Если кто-то аргументировано
возразит — с удовольствием послушаю, но одно очевидно: по сравнению
с давлением на нижнее полушарие, давление на верхнее полушарие просто
ничтожно.
Чтобы прочувствовать происходящее и поразиться, давайте осознаем,
что вес нашего героя (масса 98 кг вместе с парашютом) уравновешивается
силой, образующейся за счет разницы в давлениях воздуха на верхнее
полушарие отважного героя, свернувшегося в форме шара диаметром
один метр (кто сможет свернуться с парашютом в меньший диаметр —
осознавайте для своего диаметра самостоятельно), и нижнее его полушарие.
Снова вывод — чтобы "лететь" такой хреновине, как
парашютист, свернувшийся в шарик, нужна разница давлений.
Фаза 3: распускаем хвост (и крылья)!
Несправедливый критик скажет: "Какой же это полет? Просто
падает камнем вниз, и все! Где движение вдоль поверхности земли?".
Словно услышав эти слова, наш шарик разворачивается и превращается
в белку-летягу.
Что это?! Суровая белка-летяга, страшная как розовая чума, несется
с горизонтальной (т.е. вдоль поверхности земли) скоростью 110 км/ч.
Скорость снижения, хоть и осталась о-го-го какой, но все же уменьшилась
(м.б. даже до 190 км/ч).
Итак, это уже настоящий "полет", мало чем отличающийся
от полета всего того, что имеет в своем названии корень "план"
(да, "план" — это 5!). Нет смысла повторять цепь
рассуждений, которые приведут нас к тому, что розовая (это еще заметно)
белка-летяга "летит" совсем по-настоящему не потому, что
она белка-летяга, и уж совсем не потому, что она розовая, а опять
таки из-за разницы давлений.
Единственное, что хочется отметить для этой фазы, что в сравнении
с предыдущей фазой разница давлений обеспечивает нам возможность
горизонтального полета. Да, наш одиноко одинокий одиночка в отличие
от безвольного шарика уже смещается вдоль поверхности земли со скоростью
аж 110 км/ч, хоть и несется к земле со скоростью 190 км/ч! Это,
безусловно, прорыв!
Фаза 4: дергай за кольцо, это и есть муравьи!
И вот, наконец, наш герой приступил к заключительной фазе своего
полета — вытряхнул из заплечного рюкзака свой купол, очень
напоминающий летающий матрац: две поверхности, наполнившиеся воздухом
из воздухозаборников и образовавшие подобие аэродинамического профиля.
Вот, наконец, счастье! Скорость снижения — 15 км/ч. Горизонтальная
скорость — 30 км/ч. Тянешь "левую" — поворачиваешь
налево, тянешь "другую левую" — поворачиваешь направо.
Зачем нам понадобилось описание этой идиллии? Основное, ради чего
мы обратили свое внимание на эту фазу, кроется в форме "крыла",
точнее, в его особом (асимметричном) аэродинамическом профиле. Особенность
"аэродинамического профиля", обеспечивающего подъемную
силу, состоит в асимметричности его поверхностей: верхняя поверхность
больше нижней. И что это дает, спросите вы? А вот что.
Для начала представьте себе крыл, профиль которого напоминает каплю
(вытянутую горизонтально). Если воздух будет набегать на такой крыл
горизонтально (в морду), то возникнет аэродинамическая сила, для
которой подъемная составляющая будет отсутствовать. Разница давлений
на верхнюю поверхность крыла и на его нижнюю поверхность, конечно,
присутствует, но она имеет аэростатический характер, рассмотренный
нами в примере 1, и ее "выталкивающей" силы явно будет
недостаточно, чтобы крыл "летел".
Теперь уберем нижнюю половинку нашего крыла, оставив ему только
верхнюю половинку (профиль "верхняя полукапля"). Что будет,
если воздух начнет набегать на такой крыл горизонтально? Очевидно,
что воздушный поток будет рассечен на две части в передней кромке
крыла, чтобы вновь встретиться после его задней кромки. Над верхней
(выпуклой) поверхностью крыла проходит то же количество воздуха,
что под его нижней (прямой) поверхностью. И что?
А то, что если количество воздуха, огибающего верхнюю и нижнюю
поверхности, одинаковое, то и количество молекул воздуха, проходящих
вдоль этих поверхностей тоже одинаковое. Но "нижние" молекулы
распределяются вдоль более короткой нижней поверхности более плотно,
чем "верхние", которые вынуждены "вытянуться"
вдоль более протяженной верхней поверхности нашего крыла.
Поскольку давление на поверхность крыла создают именно молекулы
воздуха, то на верхней поверхности крыла, где молекулы встречаются
менее часто, давление на поверхность будет меньше, чем на его нижней
поверхности. То есть, снова возникает столь полюбившаяся нам разница
давлений, создающих подъемную силу.
Главный вывод — во всех фазах примера 2 "полет"
происходит из-за разницы давлений.
Заключение
Когда мы наблюдаем тело, которое "летит" по воздуху,
знайте: оно летит благодаря разнице давлений.
Это происходит и с аэропланом, и с парапланом, и с шариком. А также
с вертолетом, с экранопланом, с машиной на воздушной подушке, с
воздушным змеем и со всем-всем-всем, что можно заставить "летать".
Конечно, примеры и рассуждения, которые мы провели, примитивны,
но, на мой взгляд, позволят любознательному философу проникнуть
в "природу вещей". Более правильно и подробно написано
в умных книжках. А кому и книжек мало — тем прямая дорога в
МАИ, там вам расскажут, "почему хреновина летает".
Так, "почему хреновина летает"? Правильно, "по
воздуху"!
Всего вам доброго!
В. Андреев
11 ноября 2010 г.
Парапланерный клуб
Летная школа "Первый шаг"
|
