Club Aurora

Да изпревариш звука…

 Днес ще хвърлим светлина върху една тема, която за почти всеки неспециалист е пълна мъгла, а именно – движението със свръхзвукова скорост. Ще разширим ерудицията ви с екзотични термини като „критично число на Мах”, „скок на уплътнение”,  и „вълново съпротивление” , но преди всичко…

Както обикновено ще започнем от по-далеч. Най-напред трябва да изясним какво му е особеното на звука и на скоростта, с която се разпространява. Отваряйки Уикипедия, научаваме, че „звукът е надлъжна механична вълна – трептене на материята, което се предава като периодична промяна на налягането (поради сгъстяване и разреждане на средата)”. Често се изтъква, че звукът е пример за механично трептение, тоест, за да се разпространява звуковата вълна, й е необходима физическа среда, съставена от атоми и молекули. Тя няма как да се разпространява във вакуум за разлика от електромагнитните вълни. Ако разполагаме с такава среда (въздух, вода, скала), в която молекулите са сравнително равномерно разпространени, трябва да си представим звуковата вълна като сферична област около източника, в която молекулите ту се сгъстяват (повишава им се налягането), ту се разреждат (намалява им се налягането). Ето така:

В атмосферата изменението на налягането на въздушните молекули вследствие на звука варира в големи граници – от 20 микропаскала, колкото е слуховият праг на човешкото ухо, до стотици и дори хиляди паскали, колкото създават ракетните двигатели на метър от тях. Всъщност този огромен динамичен диапазон на звуковия интензитет е причината той да се измерва с децибели. Но стига сме се отплесвали! За аеродинамиката скоростта на звука е важна поради друга причина. Оказва се, че ако в някакъв въздушен поток възникне някакво слабо смущение на параметрите му (скорост, налягане, плътност), това смущение ще се разпространява в потока със скоростта на звука (който също е пример за „слабо смущение”). Такива слаби смущения се получават при ламинарното обтичане на някакъв обект (ако терминът „ламинарно обтичане” ви затруднява, моля, запознайте се със статията „Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите”). Ето какво имам предвид. На долната картинка виждате ламинарното обтичане с въздушен поток на крилен профил. Токовите линии на потока са визуализирани посредством дим.

Както можете сами да се убедите, въздушният поток започва да се отмества още преди да е срещнал повърхността на профила. Откъде той научава за него? От молекулите, контактуващи непосредствено с профила, които предават движението си на молекулите, намиращи се по-назад, и то, забележете, това става със скоростта на звука.

А какво ще стане, ако започнем да придвижваме профила срещу въздушния поток или, което е същото, да увеличаваме скоростта на потока? Очевидно картинката на обтичането ще се промени. Тъй като скоростта на звука остава същата, молекулите въздух, намиращи се пред профила, ще разполагат с все по-малко време да „научат” за съществуването му от молекулите, контактуващи с него, така че изменението на вектора на скоростите им ще става все по-рязко с нарастване на скоростта на профила.Ако скоростта на въздушния поток, обдухващ профила, стане равна на скоростта на звука, връхлитащите го молекули няма да има откъде да разберат за него. Те трябва да се сблъскат непосредствено с него и при това налягането, температурата и плътността на въздуха ще се увеличи драстично и изведнъж – явление, известно в аеродинамиката като скок на уплътнение.Получава се така, че при сблъсъка с обтекаемия обект, въздухът се изтиква рязко в концентрична област около него, която се нарича ударна вълна. А след задната част на свръхзвуковия обект възниква още една ударна вълна, тъй като зад него остава вакуум, който трябва да се запълни от околния въздух.

Експериментален модел на NASA, обтичан от свръхзвуков поток. Виждате ударната вълна, която се формира. Изображение: http://nasa.gov

Ударната вълна притежава редица особени характеристики. В непосредствена близост около свръхзвуковия обект тя се разпространява със скоростта на обекта – тоест със скорост по-голяма или равна на тази на звука. Отдалечавайки се от обекта, скоростта й обаче намалява с намаляване на интензитета на вълната и в някакъв момент деградира до обикновена звукова вълна. Поради тази причина, както можете да видите и на долната анимация, взета назаем от Уикипедия, ударната вълна се разпространява в конична област, наричана конус на Мах, в чиито връх се намира самият свръхзвуков обект.

Практическото следствие – чувате звука от преминаващия свръхзвуков самолет, след като мине и замине над главите ви. Колкото по-далеч е от вас самолетът, толкова по-късно ще чуете звука от него.

Физическият процес, който опсахме по-горе, оказва огромно влияние върху повдението на летателните апарати. Един от най-важните параметри, описващи аеродинамиката им е, всеизвестното число на Мах (M), което е чисто и просто съотношението на скоростта на летателния апарат (V) към скоростта на звука във въздушната среда (a), в която лети, или M = V / a. Сами разбирате, че при М = 1 (Мах 1) скоростта на движение на летателния апарат е равна на скоростта на звука.

Числото на Мах е основният показател за измерване на скоростта на самолетите и е напълно достатъчно, ако се интересуваме колко бързо се движи даден самолет, да се задоволим с числото му на Мах. Неслучайно един от основните измервателни уреди в пилотската кабина е махметърът. Така например обикновните пътнически реактивни самолети от типа на Еърбъс и Боинг имат крейсерска скорост (обичайната им скорсост в установен полет) от около М = 0,8, което между другото е много близко до максималната им скорост. За височината, на която летят тези самолети в установен полет (около 11-12 км), това отговаря на въздушна скорост (т.е. измерена спрямо въздушната маса, в която лети самолетът) от около 460 възела (стандатната измервателна единица за скорост във въздухоплаването) или 850 km/h.

Тук му е мястото да уточним, че изразено в количествени единици (например km/h) М = 0,8 на морското равнище изобщо не е равно на М = 0,8 на височина 12 km. В първия случай имаме скорост от 980 km/h, а във втория – 850 km/h. Няма нищо странно – с височина скоростта на звука намалява и за да запазим съотношението 0,8, трябва да намалим и скоростта си на движение.

Причината, поради която числото на Мах е толкова важно за летателните апарати, е че от него зависи свиваемостта на обтичащия го въздушен поток, а свиваемостта оказва драматично влияние върху подемната сила и челното съпротивление. До скорости от порядъка на 0,3 М свиваемостта се пренебрегва и са в сила простички формули, по които се определят споменатите сили. Обаче колкото повече се приближаваме към скоростта на звука, толкова по-забележими стават едни ефекти, които са твърде сложни за да бъдат обяснени с няколко изречения. Най-общо казано те се отразяват зле на аеродинамичните характеристики на летателните апарати.

Както знаем от историческите снимки, в зората на авиацията първите самолети са били снабдени с т.нар. „право крило“ (тоест перпендикуляно на тялото на самолета), при това с дебел профил, чиято кривина осигурявала доста подемна сила (и челно съпротивление). Много често се използвали биплани, триплани и пр., чиито няколко наредени крила едно върху друго осигурявали още повече подемна сила (и още повече челно съпротивление). В началото тази практика била ОК – при ниските скорости, с които се движели самолетите тогава (100 – 200 km/h), било оправдано да се създава подемна сила по всякакъв начин, независимо от съпътстващото я челно съпротивление.

Класически ранен биплан

 Само че двигателите се усъвършенствали, скоростта на самолетите се увеличавала, което принудило авиопроектантите да се откажат от многопланите и дебелия профил, за да намалят челното съпротивление и да се постигне още по-висока скорост. Изглеждало, че тези мерки са напълно достатъчни, за да се постигне колкото си искаш висока скорост, при условие че имаш достатъчно мощен двигател и разполагаш с достатъчно здрава конструкция, която да не се разруши от въздушния напор. Оказало се обаче, че нещата не стоят така. Изобщо. През 30-те и 40-те години, когато самолетите вече били достатъчно усъвършенствани, за да се движат със скорости далеч по-високи от 0,3 М, пилотите забелязали следните странно-неприятни ефекти – при доближаване на скоростта на звука, челното съпротивление рязко се увеличавало, подемната сила рязко се губела, а упраляемостта на самолета също отивала на кино. Някъде по това време се зародил слухът, че звуковата бариера е непреодолима, за която и да е летяща машина.

Докато преминава през трансзвуковата област този изтребител F-18 създава около себе си области, в които въздухът го обтича свръхзвуково. Тъй като в тези области налягането на въздуха намалява, намалява и температурата му, така че може да се стигне до условия, в които водните молекули на въздуха да кондензират. На английски това явление е наречено „vapor cone“.

Разбира се само десетилетие след това америкаският самолет Bell X-1 направил на пух и прах това подозрение, извършвайки първият успешен управляем звуков полет. Но успехът дошъл след цялостно преосмисляне на дотогавашните конструкторски принципи  и малка революция в аеродинамиката. Анализът на прехода от дозвуков към свръхзвуков полет показал, че това е процес, който се  случва постепенно и започва още при скорости по-ниски от звуковата.

 Еволюцията на самолетите през 20-ти век, илюстрирана тук, показва нагледно какво е трябвало да се промени в дизайна на самолетите, за да се достигнат по-високи скорости. 

Ето как се случва това. Тъй като въздухът обтича самолета с различна скорост в различните му части, звуковата бариера няма да бъде достигната едновременно по всичките му повърхности. Например, за да се създава подемна сила, по горната изпъкнала повърхност на крилото въздухът се движи много по-бързо, отколкото по долната повърхност. Като увеличаваме скоростта на самолета се стига до момент, в който въздухът по най-изпъкналата му повърхност започва да се движи със скоростта на звука. Обикновено това започва да се случва още при М = 0,6, конкретната стойност е различна за различните стойности и в аеродинамиката е прието да се нарича критично число М. Критично е, защото оттам насетне самолетът започва да се обтича смесено – едновременно дозвуково и свръхзвуково. При това свръхзвуковото обтичане е свързано с възникването на локални ударни вълни, за които говорихме по-горе. Всичко това преобръща с краката нагоре разпределението на въздушното налягане под и над крилото. В предната част на крилото то непрекъснато се увеличава, заради разширяващата се с увеличаване на скоростта свръхзвукова област отгоре и свързаната с нея ударна вълна, докато в задната част намалява. Резултатът – самолетът посреща повишено въздушно съпротивление (наречено вълново съпротивление), а освен това ламинарното обтичане на крилото се нарушава, появявят се завихрания и самолетът започва да тресе (бафтинг). Всичко това е обобщено под термина „вълнови кризис“.

Възникване и развитие на вълновото съпротивление.

 Любопитното е, че вълновият кризис изчезва щом като самолетът стане изцяло свръхзвуков – тогава бафтингът спира, съпротивлението намалява и отново имаме управляем полет. Основната пречка при свръхзвуковите полети е именно тази преходна трансзвукова област.  Стремежът е през нея  да се премине максимално бързо , а вредните ефекти се минимизират, доколкото е възможно, с внимателен дизайн на крилото. То трябва да е максимално тънко, с неголяма площ, стреловидно или делтаобразно. „Правото“ крило е напълно неприемливо. 

Ако сте се чудели някога защо съвременната гражданска авиация е дозвукова, то може би вече се досещате за отговора на този въпрос. Каквото и да се прави, преминаването през трансзвуковата граница е икономически неизгодно (повече съпротивление = повече гориво) и е свързано с нуждата от допълнителни инженерни способи, които да се справят с неприятните аеродинамични ефекти.  В резултат проектът за свръхзвуков граждански самолет се усложнява, а това води до допълнително оскъпяване и намалява безопасността на полетите му (справка – Конкорд).

И все пак всяка авиокомпания иска самолетите й да летят максимално бързо. В съвременната авиация това се постига  чрез подходящ дизайн на самолетите, забавящ възникването на вълнови кризис и позволяващ им да летят със скорости много близки до максималните. Ключова роля тук играе т.нар.свръхкритичен профил на крилото, който днес масово се използва от повечето модерни самолети.

 Разлика между обикновен крилен профил свръхкритичен крилен профил

Магията на този вид профил се крие в особената му форма – почти плоска горна повърхност и вдлъбната долна повърхност. Благодарение на това въздухът по горната повърхност се ускорява в много по-малка степен спрямо обикновения профил и той става звуков при по-високи скорости на самолета. Извивката  на долната повърхност пък компенсира загубата на подемна сила от намалената скорост на въздуха по горната повърхност. Според данни на NASA свръхкритичният профил на крилото намалява с до 15 процента разхода на гориво и повишава максималната скорост на самолета до 0,85 М (за сравнение – същият самолет с обикновен профил би имал максимална скорост от 0,7 М ).

Използвана литература: Гешев, Д.Н., Аеродинамика на летателните апарати – основен курс, С., КИНГ-2001, 2002

 

Една от най-древните мечти на човека е да полети волно като птица. Само че от създаването на легендата за Дедал и Икар до първия успешен полет на братя Райт ни делят няколко хилядолетия. Причината за това е тривиална – да полетиш (и да кацнеш невредим!) хич не е проста задача, независимо колко лесно изглежда, като гледаме птиците. Историята показва, че контролираният полет на хора е невъзможен без добре да се познават законите на механиката на флуидите и в частност на въздушния й клон – аеродинамиката. А тези клонове от физиката винаги са били и си остават и до ден-днешен едни от най-трудните за усвояване и анализиране. В тази статия ще се опитаме да ви дадем бегла представа за главните принципи, залегнали в аеродинамиката, принципи, върху които се основава полета на всяко едно летателно средство без ракетите.

Важни свойства на въздуха


Движението на въздуха е предметът, който изучава аеродинамиката. Въздухът е газообразен флуид, съставен от молекули, които непрекъснато се движат хаотично насам-натам поради топлинната енергия, която получават предимно от Слънцето. Аеродинамиката не се интересува от това и не се занимава със строежа на въздуха или блуждаещите му молекули. Тя разглежда въздуха като непрекъснато вещество, не отчитайки дискретния му характер.

Всичкитe физически проявления на молекулите се отчитат чрез други свойства, най-важните от които са:

Инертност – това е аеродинамичното проявление на  Първия закон на Нютон. Въздухът се съпротивлява на изменението на състоянието си и предпочита да си остане в покой, ако досега е бил в покой, или да се движи, ако досега се е движел. И точно както в Нютоновата механика масата на телата е мярка за тяхната инертност, в случая на флуидите показател за инертността им е масовата плътност. Колкото по-плътен е въздухът, толкова по-инертен е.

Вискозитет – или по народному гъстота. Най-просто казано вискозитетът е мярка за триене между различните слоеве на флуидите. Проявява се, когато има разлика между скоростта на два съседни слоя флуид или между флуид и твърдо тяло. Стремежът е скоростите да се уеднаквят. Защо? Класическата аеродинамика мълчи по този въпрос, но за разлика от нея ние знаем за съществуването на молекулите. Фактът, че те прескачат от един слой в друг е причина за съществуването на вискозитета. Това е и причината с увеличаване на температурата, вискозитетътна газовете да се увеличава. Течностите пък се държат наопаки – колкото по-горещо е, толкова по-нисък е вискозитетът им.

Свиваемост – за разлика от течностите, въздухът може да променя обема си, при което се променят и плътността, и температурата му.Установено е, че въздухът е толкова по-свиваем, колкото по-ниска е скоростта на звуковите вълни в него. А скоростта на звука също не е константа – тя пък се влияе от температурата и намалява с увеличаване на височината и намаляване на температурата, следвайки температурния профил на атмосферата. Звучи малко абстрактно, но свиваемостта на въздуха всъщност играе важнo практическо значение за полета на летателните апарати. Ако скоростта на летателният апарат е много по-малка от скоростта на звука във въздуха, който го обтича, то свиваемостта му може да се пренебрегне. Силите, въздействащи на летателния апарат в този случай, се определят по сравнително простички формули.Но ако скоростта на апарата доближава скоростта на звука, ефектите от свиваемостта не могат да не се отчетат и простичките формули се нуждаят от поправъчни коефициенти. Мерило за свиваемостта е един безразмерен коефициент, известен като число на Мах (М) и определящ се като М=V/a , където V e скоростта на летателния апарат, а а – скоростта на звука. Изследванията показват, че при М < 0,4 свиваемостта може да се
пренебрегне.

 

Стационарен въздух


Преди да раздвижим въздуха, нека прескочим към аеростатиката и да разгледаме една стационарна въздушна маса. От гледна точка на въздухоплаването най-интересното, което може да се кажеза нея, е законът на Архимед. На всяко тяло „потопено“ в атмосферата, включително и на вашето собствено тяло ей сега в момента, му действа Архимедова сила, пропорционална на изтласкания от тялото въздух и стремяща се да го издигне нагоре. Количествено тази сила може да се определи като: F = ρgV, където ρ е плътността на въздуха, g e земното ускорение, а V е обемът на тялото.Така ако приемем, че тялото ви заема обем от 0,0664 m^2, и пренебрегнем въздуха, съдържащ се в него,то при средна плътност на въздуха от 1,2 kg/m^3 на морското равнище, вас се опитва да ви издигне сила с размер от около 0,8 N. Или иначе казано, когато следващият път застанете на кантара, имайте предвид, че сте с 80 грама по-тежки от онова, което виждате на скáлата.

Условието да излетите е Архимедовата сила да е по-голяма от силата на теглото или: ρgV > mg. Тъй като m = ρ1*V , където ρ1 е плътността на тялото, то условието за излитане може да се сведе доρ > ρ1. Това е причината да летят балоните, разполагащи с големи обеми, пълни с по-лек от въздуха газ (горещ въздух, хелий, водород или метан). 

Нестационарен въздух


Както винаги картинката става много по-интересна, когато нещата се раздвижат.При това няма значение кои точно неща са се раздвижили, т.е. дали дадено тяло се движи спрямо въздуха или въздухът го обдухва, или и въздухът, и тялото се движат едновременно. В аеродинамиката движението е относително и за удобство независимо от реалната ситуация винаги се разглежда движението на въздушен поток, обтичащ неподвижно тяло. Затова в авиацията се срещат термини от сорта на „въздушна скорост“, въпреки че всъщност несмутеният въздух е неподвижен, а в него се движи летателният апарат.
Движещият се въздушен поток е нещо много сложно за математическа интерпретация. Движението му в най-простия случай се описва от система частни диференциални уравнения, известни като уравнения на Навие-Стокс, които отчитат нормалните напрежения в потока от налягането на въздуха и тангенциалните напрежения от вискозното триене. Реалната ситуация обаче е доста по-комплицирана, тъй като вискозитетът от своя страна зависи от температурата, а при отчитане на свиваемостта е необходимо да се знае и как се изменя плътността… В цялата си красота уравненията на Навие-Стокс излглеждат по този симпатичен начин:

Практически тези уравнения са с прекалено много неизвестни и са нерешими аналитически. Затова сред известни опростявания въз основа на тях се изготвят модели на въздушни потоци, с които всъщност се работи. Какви точно са тия модели няма да задълбаваме, за да не оплетем конците, най-важното е да разберете, че има два основни типа въздушни (и изобщо флуидни) течения – ламинарни и турбулентни. 

  • Ламинарно течение – Ако разгледаме движението на някакви частици в течението, техните траектории (наричат се токови линии) винаги остават успоредни една на друга, подобно на силовите линии, описващи електростатичното поле между два плоски електрода. Ако течението обтича някакво препятствие (например сфера), то токовите линии плавно заобикалят сферата, не се пресичат и след нея отново стават успоредни една на друга. С други думи течението е слоисто и неговите слоеве не се смесват. 

Пример за водно ламинарно течение. Снимка: flikr.com/photos/localsurfer/2431850641

  • Турбулентно течение – вихрово течение, в което частиците непрекъснато променят посоката си на движение и скоростта си, смесват се и изобщо се държат хаотично. При обтичане на препятствие се образуват завихряния около него. 

Пример за водно турбулентно течение. Снимка: flikr.com/photos/localsurfer/2431850641

Ламинарните и турбулентните течения са взаимно свързани – едно течение може да стане от ламинарно турбулентно и обратно. Критерият, който определя дали течението е ламинарно или турбулентно, е известен като критерий на Рейнолдс и заема централно място вхидро и аеродинамиката. Та критерият на този Рейнолдс е съотношение на инерциалните сили в едно течение към вискозните сили (триенето) на това течение. При ниски стойности на това съотношение (голям вискозитет, ниска плътност и скорост, малък изминат път от течeнието), течението е ламинарно. При високи – турбулентно. Чудесна илюстрация на критерия на Рейнолдс е димящата цигара. В началото димът от цигарата се издига като тънка нишка и течението му е ламинарно. В дадена точка (на около 10cm от цигарата) димът внезапно се „накъдря” в бели кълба, т.е. течението му става турбулентно. Какво се случва? Докато димът се издига числото на Рейнолдс също се увеличава с изминатото разстояние. В момента на турбулизиране числото на Рейнолдс достига критична стойност, бележеща преминаването на ламинарния поток в турбулентен. 

Малко се поувлякохме в темата, но няма как иначе – въпросът за вида на теченията е наистина от първостепенно значение за аеродинамиката. Ламинарното течение е склонно да се завихря при обтичането на обекти, ако рязко се промени скоростта му и се създадат условия инерцията на въздуха да надделее над вискозитета му, който образно казано осигурява „прилепчивостта“ на въздуха около формата на обекта. От гледна точка на летателните апарати турбулентното обтичане води до поява на въздушно съпротивление, намаляване на подемната сила и влошаване на устойчивостта на полета. Но за това – по-нататък. 

 Пример за турбулизаране (оранжевото оцветяване) на ламинарен въздушен поток (зеленото оцветяване) при обтичане на физически обекти.

Флуид в тръба


Нека имаме течение (няма значение дали турбулентно или ламинарно) и го вкараме в една тръба с променливо напречно сечение – например стесняваща се в изхода си. За да обогатим общата ви култура, ще кажем, че такава една тръба е известна в съответните среди като тръба на Вентури.  Та докато протича през нея флуидът проявява едно забележително свойство, което е залегнало в основата на дизайна на реактивните двигатели и соплата. Течението се забързва в стеснения участък спрямо скоростта, която има там, където тръбата е широка. Оказва се, че произведението на скоростта на течението по сечението на тръбата винаги е константа. Това е причината речни бързеи да се образуват там, където коритото на реката е тясно.

 Тръба на Вентури. Изображение: http://www.solitaryroad.com/

Така че, ако искаме да променим скоростта на флуид е достатъчно да променим сечението, през което протича. При което освен скоростта ще се промени и налягането на течението. И като стана дума за налягане…

Закон на Бернули


Друг ключов елемент от аеродинамиката е т. нар. уравнение на Бернули, изведено на базата на Закона за запазване на енергията и приложено за енергията на една токова линия от течението.Енергията на течението в случая се отчита чрез налягането му, което се оказва, че е съставено от три части:

  • динамично налягане (или скоростен напор) – налягането, което изпитва една твърда повърхност, поставена перпендикулярно на течението;
  • статично налягане –  налягането, което оказва флуидът равномерно във всички посоки. Ако разглеждаме атмосферата, в този случай статичното налягане е известно като атмосферно;
  • налягане от разликата във височината – ако течението започва от някаква по-висока точка спрямо тази, в която мерим налягането, то имаме и налягане, пропорционално на разликата от височините.

В най-простия си вид уравнението на Бернули разглежда несвиваем невискозен флуид, при което то приема следния елементарен вид: 


Тук първият член е динамичното налягане (ρ e плътността на флуида, V е скоростта му), вторият е статичното налягане (р), а третият – налягането от разликата във височините (g e земното ускорение, h – разликата във височините). В аеродинамиката третият член често се пренебрегва, тъй като е с много малка стойност поради малката плътност на въздушните маси и малката промяна на височината на две точки от течението при практическите случаи (разглеждат се основно хоризонтални течения). Тоест, законът на Бернули може да се изрази простичко като:

 ,,Сумата на динамичното и статичното налягане не се изменя в никоя точка от течението.“

Когато увеличаваме скоростта на въздуха, ние намаляваме статичното му налягане, а ако липсва движение, въздухът притежава единствено статично налягане. Съществува лесен експеримент за проверката на този толкова важен принцип, който можем да си направим в домашни условия. Вземете два листа хартия, доближете ги близо един срещу друг и духайте в пространството между тях. Здравата ежедневна логика ни подсказва, че листовете ще се раздалечат един от друг, но в някои случаи като този тя не струва пет пари. Най-добре пробвайте сами, за да се убедите в правотата на Бернули.

И защо летят самолетите?


Самолетите могат да тежат някоклостотин тона и на въпроса как подобни гиганти изобщо отлепят от земята, повярвайте ми, никак не е лесно да се отговори. Принципът на Бернули е набъркан тук, но той е само част от решението на задачата. Добра изходна точка при всички случаи е да разгледаме силите, които действат на един самолет в полет. Те са три:

  • Сила на теглото – правопропорционална на масата на самолета;
  • Теглителна сила – теглителната сила на самолетите се създава от двигатели. Предназначението й е двояко – от една страна теглителната сила движи самолета натам, накъдето сме тръгнали, от друга страна тя води до появата на аеродинамична сила.  
  • Аеродинамичната сила се появява, когато самолетът се обтича от движещ се въздух или когато той се движи във въздушна среда. Основната част от аеродинамичната сила идва от обтичането на главния носещ елемент от конструкцията на самолета – неговото крило (в специализираната литература лявото и дясното крило на самолета се разглеждат като едно общо крило, а когато се говори за едно от тях се използва понятието полукрило). Ако представим аеродинамичната сила като вектор, той винаги е насочен нагоре и назад, т.е. тази сила условно се разделя на две сили. Проекцията на вектора в хоризонтала, насочена право назад, е прието да се нарича сила на челно съпротивление. Проекцията на аеродинамичната сила, насочена нагоре, се нарича подемна сила.

За да излети един летателен апарат, е необходимо подемната му сила да е по-голяма от силата на теглото. Тази подемна сила, както казахме, я осигурява крилото и то по два начина.

  1. Ако разгледаме едно стандартно сеченеие на крило (нарича се профил на крилото), ще открием, че горната му повърхност е изкривена (изпъкнала) за разлика от долната. Сега нека пуснем въздух да обтича предния ръб на крилото. Той ще трябва да обтече доната повърхност на крилото за същото време, за което обтича и горната повърхност. Само че горната повърхност е по-крива от доната, тоест пътят който трябва да измине въздухът отгоре е по-голям и следователно скоростта му също е по-голяма от тази на въздуха, обтичащ долната повърхост. Или казано иначе динамичното налягане на „горния“ въздух е по-голямо от динамичното налягане на „долния“ въздух. Следите ли ми мисълта? Ами довършете я де! За да е изпълнен постулатът на Бернули, следва, че статичното налягане на въздуха върху долната повърхност е по-високо от статичното налягане върху горната повърхност. Резултатът в крайна сметка е, че разликата в наляганията води до сила която бута крилото отдолу. Подемна сила.

    Разликата в скоростите на въздуха под и над крилото води до появата на аеродинамична сила, насочена „нагоре“.

  2. Подемната сила, която се създава по описания по-горе начин, не е твърде голяма. Тя може да се увеличи количествено като се увеличи кривината на профила обаче при това той става по-дебел и съответно създава ужасно много челно съпротивление. Подобно крило е подходящо за малки, бавни самолети, но е почти неприложимо за съвременните самолети, движещи със скорости, близки до тези на звука, а още по-малко за свръхзвуковите самолети. Практически профилите на крилата на бързите самолети са близки до симетричните (кривината на долния и горния контур е една и съща) и дори са с отрицателна кривина – т.е. подемната им сила е насочена надолу.

     Профил на крило и основни негови параметри.

    За да летят, тези самолети разчитат на много по-елементарен принцип. Те променят ъгъла, сключен между линията свързваща предния и задния ръб на профила на крилото (нарича се хорда) и обтичащият крилото поток. Нормално този ъгъл (нарича се ъгъл на атака) е 0 градуса и въздухът заобикаля крилото успоредно на хордата, създавайки единствено ефектите на Бернули. Когато обаче ъгълът на атака се увеличи  с няколко градуса, въздушният поток вече не е успореден на хордата, а се бута в долната повърхност и за да я обтече променя посоката си. Сега освен Бернули се появява и още един ефект – Третия закон на Нютон, според който всяко действие има равно по-големина и обратно по посока противодействие. В случая потокът се отклонява от крилото надолу и противодействието, приложено в него, е насочено нагоре. Така получихме още една подемна сила.

На тази анимация виждате профил на крило, отклонен на положителен ъгъл на атака. Освен ефекта на Бернули, тук вече е намесен и  закона за равнодействието. Виждате как посоката на потока се отклонява от профила и това води до повишаване на налягането в долния контур на профила (тъмно синьото). Изображение: https://www.physicsforums.com/insights/airplane-wing-work-primer-lift/

Заключение


Аеродинамиката е мъчна наука, в която взаимно се преплитат много ефекти. Това е положението. Тук се опитахме да изложим свръхопростено някои нейни базови постулати и пак се получи нелека статия. Никак не е случайно, че първите успешни самолети са изработени чак в ХХ век, само няколко десетилетия преди компютрите. Принципите, върху които почива полета им, са сложни и е невъзможно да бъдат разгледани набързо. Сега само ще вметна, че задачата за баланса на силите в полет, за постигането на устойчив и управляем полет е също толкова важна, ако не и по-важна от задачата за генериране на подемна сила. Но с това ще се занимаем друг път.