Взрослые люди привыкли воспринимать мир таким, какой он есть, и не задаются вопросами о том, почему что-то происходит именно так, а не иначе. Зато дети в своём стремлении познать мир часто озадачивают вопросами, на который сложно сразу найти ответ. Например, почему самолёт летит, а крыльями не машет? Сначала взрослые вспоминают школьный курс физики, пытаясь выстроить ответ, а потом озадачиваются и сами - а действительно, почему?
Вопрос, может ли человек летать, как птица, беспокоил людей с древних времен. Люди наблюдали за птицами, летучими мышами и летающими насекомыми, они видели, что полёт происходит благодаря взмахам крыльями и их интересовало - может ли и человек полететь так? Стоит ли попробовать? И не раз пробовали.
Немного исторических фактов
Мечта о покорении воздуха беспокоила человека всегда. Достаточно вспомнить древнегреческих миф о Дедале и Икаре, отправившихся в путь через море на самодельных крыльях. Это, разумеется, только миф, однако подобную мысль о возможности полётов с использованием искусственных крыльев большого размера развивал в средние века Леонардо да Винчи.
Гениальный учёный придумал и описал летательное устройство, которое позволило бы человеку подняться в воздух и парить подобно птице. Для разработки да Винчи изучал механизм полёта и строение птичьих крыльев. Результатом работы стал рисунок конструкции под названием орнитоптер. Для подъёма в воздух человек должен был бы использовать собственную мускульную силу. Но реального воплощения разработки в жизнь не произошло.
Схожими разработками занимались и на Руси. И речь не только о сказочных полётах на деревянном орле. Известен факт: при царе Иване Грозном некий холоп Никита совершил полёт на искусственных крыльях, прыгнув с колокольни. Здесь речь скорее не о полёте, а о планировании - первоначальная скорость была набрана не мускульной силой или чем-то подобным, а за счёт прыжка с высоты.
Подобных попыток история знает немало. Но это всё было планирование. Человек начинал полёт с возвышенности, то есть набор необходимой первоначальной скорости происходил без маховых движений.
В XX веке начались эксперименты по созданию моделей с машущими крыльями, но результата они не приносили. Самый лучший результат - человек с махолётом отрывался от земли и пролетал несколько метров. Но полететь по-настоящему не получалось. Тщательное наблюдение за движением птичьих крыльев помогло понять причину.
Крылья птицы в полёте движутся по сложной траектории. Это не просто частые движения вверх и вниз. Во время полёта крылья описывают восьмёрку - вверх и вниз и в то же время вперёд и назад. Расшифровка высокоскоростной видеосъёмки взмаха крыла позволила увидеть, что в то время, когда крыло поднимается вверх, оно ещё и разворачивается по направлению к потоку для снижения сопротивления. В верхней точке оно поворачивается всей плоскостью поперёк потока.
Проще говоря, во время полёта птица опирается на воздух. При этом важна частота взмахов - чем она выше, тем быстрее набирает птица высоту и переходит к планированию. Но и это не всё. Простых взмахов недостаточно для подъёма от земли - необходим первоначальный толчок для образования подъёмной силы. Именно для набора скорости и подъёма в воздух птицы сначала отталкиваются от земли, а затем начинают работать крыльями.
Крупным птицам одного прыжка не достаточно, поэтому свой полёт они начинают с разбега или с высоты - дерева, здания, скалы. В этом случае получается нырок в воздух с последующим раскрытием крыльев для планирования на высоте.
Махолёты не могли летать потому, что отсутствовала подъёмная сила. Воздух относительно крыла оставался неподвижным.
Полеты на махолётах
Мечты о махолётах до сих пор будоражат умы учёных. Попытки создать действующую модель летательных крыльев продолжаются и сегодня. Но полноценной модели, позволяющей человеку именно летать благодаря крыльям, да ещё и с дополнительным грузом, создать пока не удалось.
Понимая принцип птичьего полёта, можно попробовать разобраться, почему так сложно создать махолёт. Конструкций такого устройства было две:
- однокрылые махолёты - для создания подъёмной силы используется одна пара крыльев, которая делает симметричный взмах обоими крыльями;
- двукрылые махолёты - в этом случае одна пара крыльев делает взмах вверх, а вторая, расположенная последовательно за ними, вниз.
Самая сложная часть работы: изготовление крыльев, так как для полёта необходимо, чтобы крылья были большими, имели поворотный механизм и двигатель. Последний должен обеспечивать необходимую частоту взмахов на каждом участке полёта. В качестве двигателей в разное время использовались:
- собственная мускульная сила пилота;
- велосипедная тяга;
- комбинированная ручная и ножная тяга;
- двигатель внутреннего сгорания.
Физических усилий человека для полёта недостаточно, даже человек с отличной физической подготовкой и высоким уровнем выносливости не сможет долго поддерживать необходимые для полёта усилия. А устанавливаемый двигатель должен быть очень лёгким и при этом мощный.
Конечная конструкция выходит очень сложной и дорогой, и к сожалению, попытки воплощения конструкции в жизнь не увенчались успехом.
Дело решают крылья
Потерпев поражение на одном поприще, человек попробовал покорить воздух другим путём. Но и здесь не обошлось без птиц. Исследованием занимались многие учёные - во Франции это был Луи Пьер Муйяр, в Германии - Лилиенталь, в России - Николай Егорович Жуковский.
На заре своей деятельности будущий «отец русской авиации» занимался всесторонним изучением динамики полёта птиц. Его исследования птичьего полёта легли в основу научного доклада «О парении птиц», в котором были математически сформулированы физические основы движений парящих птиц. Эта работа, увидевшая свет в 1891 году, стала началом формирования законов динамики полёта.
Дальнейшая работа Жуковского и его ученика Чаплыгина была связана с математическим описанием профиля крыла, необходимого для создания подъёмной силы. Именно их разработки позволили описать и объяснить природу подъёмной силы научным языком.
Разработанная модель профиля крыла в разрезе похожа на вытянутую каплю - спереди округлая и сужающаяся к концу. Такая форма позволяет сформировать силу, которая толкает крыло вверх. Это происходит от того, что набегающий сверху воздух создает зону пониженного давления, а снизу - повышенного. Сегодня такой профиль называется профилем Жуковского.
Разработка была всем хороша, но появились новые вопросы, ведь для создания подъёмной силы обязательно нужен набегающий воздушный поток. Сделать его в неподвижном состоянии невозможно. Значит, крыло должно двигаться само, а значит нужно разработать конструкцию, которая могла бы придать крылу скорость. Так разработка крыла потянула за собой создание тяглового мотора, к которому должно было прикрепиться крыло. Всё это не могло работать самостоятельно, потребовался человек, который смог бы управлять получившейся конструкцией - пилот. Постепенно из отдельных частей стала прорисовываться цельная конструкция - самолёт.
Благодаря аэродинамической форме профиля, действующему на крыло повышенному давлению и мощи двигателя, самолёт опирается на воздух, как автомобиль на дорогу. Непосвящённому человеку такое может показаться странным, однако это так и есть, если объяснять простыми словами.
Работы Жуковского показали, что самый простой вариант крыльев: не сложная конструкция, требующая силы для взмахов, а прямое стационарное крыло с аэродинамическими характеристиками. И по сей день такая конструкция используется в самолётостроении во всем мире.
Исследования аэродинамического профиля крыла не ограничились работами Жуковского. В дальнейшем выяснилось, что для разных режимов полёта и различной скорости требуются разные профили. Самолёты, летающие на дозвуковых скоростях, оснащаются каплеобразным профилем крыла, а для сверхзвуковых самолётов предпочтительно крыло треугольного профиля.
И всё-таки они машут!
Вроде бы стационарное крыло и не машет, как птичье, но всё-таки сказать, что оно не машет совсем - значит соврать. Да, самолёты не машут для того, чтобы создать подъёмную силу, это за него делает аэродинамическое крыло и набегающий поток воздуха.
Если вы полетите в самолёте и ваши места будут рядом с крыльями, обратите внимание - крылья как будто бы дышат, чуть качаются и изгибаются верх и вниз. Может даже показаться, что с крылом какие-то проблемы. На самом деле, никаких проблем нет, эти движения - работа крыла, необходимость. Так крылья самолёта приспосабливаются к набегающему потоку воздуха, завихрениям, нагрузкам от работающего двигателя.
Проектировка крыла учитывает все нагрузки, которые может испытывать самолёт в воздухе. Сами материалы подбираются таким образом, чтобы будущая конструкция выдерживала любой режим полёта.
Выходит, что самолёт всё же машет крыльями, но по-своему и для других целей. И так у любой модели самолёта. Отличаться может только амплитуда колебаний - на одним моделях эти «взмахи» видны невооруженным глазом, некоторые пассажиры не на шутку пугаются, видя эти взмахи. В других моделях почувствовать колебания могут только приборы.
Мечты человека о полётах на крыльях пока не осуществились. Созданный природой механизм полётов птиц и насекомых сложен для повтора. В живом существе все приспособлено для этого - от строения скелета до мышления. Но даже современные материалы и технологии не позволяют создать полноценную модель для полёта человека с прикрепленными крыльями. Возможно, пока. В конце концов полёты в космос всего сто лет назад были фантастикой, а сегодня это реальность.
