Как сделать самолет летающий: Как сделать далеко летающий самолет из бумаги. Оригами самолет который летает 100 метров смотреть онлайн видео от Хочу Творить в хорошем качестве.

поэтапные мастер-классы с фото примерами

Вряд ли найдется человек, не запускавший в детстве крохотные бумажные самолетики. Такое занятие приводит в восторг мальчишек. Любой взрослый и ребенок, наверняка, знают, как быстро его смастерить из бумаги.

До того, как гаджеты прочно внедрились в жизнь людей, любимым увлечением во дворах и в школе на переменах был запуск таких незатейливых игрушек.

Оказывается, что из обычного листа формата А4 можно сложить множество разных вариантов самолетов, включая те, которые далеко летают. В интернете можно найти всевозможные гражданские и военные модели.

Используя технику оригами, а также видео уроки и фото-инструкции, дети охотно создают их своими руками. Творческий подход и изобретательность превратят поделку в настоящие шедевры.

Содержание:

Обеспечение долготы полета

Каждый ребенок хочет, чтобы его самолетик летал долго. Чтобы реализовать мечту, понадобится немного терпения, усидчивость и желание воплотить свою идею в жизнь. Приведенные схемы самолетов помогут без труда решить задачу.

Прежде всего нужно знать, что летные характеристики определяются габаритами воздушного судна.

Полету препятствует избыточная масса. Это означает, что излишне длинные крылья снижают скорость и замедляют самостоятельный беспрепятственный полет. У планера всегда короткие широкие крылья.

Другой нюанс, который необходимо учитывать для успешного планирования — совершенная симметричность. Ошибочно бросать его вперед, а не вверх. Именно высоко он будет долго парить в небе и затем плавно спускаться.

Улучшат летные характеристики и правильно подобранная бумага. Лист должен быть абсолютно ровным. Лучше взять офисный для принтеров без помятости и складок, которые во много раз ухудшают аэродинамические свойства.

Фото detkisovet.ru.

При изготовлении не нужно торопиться, тщательно проглаживать сгибы при помощи линейки для более четкого контура. Следует обратить внимание, что, хотя острый нос повышает скорость, но расстояние полета при этом уменьшается.

Превратить незамысловатую модель в штурмовик или истребитель суперкласса поможет раскраска.

Материал для работы

Самолетик делается из прямоугольного белого бумажного листа или другого понравившегося цвета. Подойдет любая бумага: из тетради, газеты или, предназначенная для ксерокопирования.

Часто пользуются той, которая имеется под рукой. Плотность должна приближаться к среднему значению. Такой показатель обеспечит дальность и облегчит работу. На очень плотной бумаге трудно фиксировать сгибы, которые к тому же получаются неровными.

Простейшие фигурки

Для тех, кто только пробует себя в технике оригами, предпочтительнее начать с простой модели.

Дальнобойщик

Во избежание трудностей, при выполнении поделки хорошо пользоваться схемой сложения:

1. Прямоугольный лист складывают пополам. Верхние углы загибают. Получившийся угол отворачивают долиной, что означает по направлению к себе.
2. Уголки образовавшегося прямоугольника сгибают, чтобы образовался треугольник.
3. Его нужно отогнуть наверх, поскольку именно он удерживает самолетик.
4. Далее складывают по оси симметрии вдвое так, чтобы треугольник оказался снаружи.
5. С боков делают, чтобы крылья направлялись к основанию.
6. Для большей дальности запуска крылья располагают под прямым углом.

Получился великолепный бумажный самолетик, способный преодолевать огромную дистанцию!

Сверхзвуковой бомбардировщик

Инструкция складывания скоростного самолета:

1. Бумажный лист стандартного формата складывают пополам вдоль большей стороны.
2. 2 расположенных сверху угла сгибают к середине на себя.
3. Далее следует завернуть углы долиной. На рисунке они изображены пунктирной линией.
4. Фигурку складывают вдвое, чтобы уголки находились снаружи. Обязательно нужно убедиться, чтобы контуры частей совпали, поскольку это отражается на полете.
5. Загибают крылья.
6. Следует проконтролировать, чтобы угол между крылом и фюзеляжем равнялся 90°.

Получился прекрасно и быстро летающий самолетик!

Бомбовоз

Пошаговая инструкция для такой военной модели:

1. В прямоугольном листе верхнюю часть складывают двойным треугольником, направляют, чтобы верхняя сторона совпала с левым боком.
2. Аналогично загибают левый угол, совмещая верх с правой стороной.
3. В месте пересечения линий делают сгиб, расположенный параллельно меньшей по размеру стороне.
4. Боковые треугольники складывают внутрь.
5. Лист сгибают по всем отмеченным на картинке пунктирным полосам.
6. Заготовку переворачивают и отгибают угол на себя. Перекладывают на другую сторону и фиксируют углы вверх.
7. Угол загибают от себя и складывают по средней линии.
8. Края заводят вовнутрь, вновь складывают вдвое и на себя.

В результате получается способная летать, оснащенная снарядами, боевая машина!

Истребитель «Планирующий ястреб»

Подробный мастер класс:

1. У прямоугольного листа бумаги отмечают середину и складывают пополам вдоль большей стороны.
2. Верхние углы загибают внутрь к середине.
3. Заготовку переворачивают, складки загибают к центральной линии.
4. Верхнюю часть квадрата сворачивают по диагонали по направлению к себе.
5. Получившуюся фигуру складывают пополам.
6. Намечают складку, как изображено на рисунке.
7. Загибают внутрь прямоугольную часть корпуса будущей боевой машины.
8. Крылья отгибают вниз по линии пунктира под углом в 90°.

Получился симпатичный планирующий истребитель из бумаги!

Правила запуска

Чтобы самолетик резко взмывал и сразу не опускался вниз, нужно совершить своеобразный апгрейд, увеличив вес носа. Этого достигают, чуть загнув его вовнутрь, или прикрепив обычную канцелярскую скрепку.

При полете не прямо, как изначально задумано, а в сторону, следует добавить руль поворота, загнув часть крыла. Если же модель уходит в штопор, ее оснащают хвостом, используя ножницы.

Иногда при испытаниях самолетик норовит завалиться набок, что свидетельствует об отсутствии стабилизаторов. Для оснащения ими конструкции крылья загибают по краям.

Выполнив такие несложные манипуляции, можно обеспечить красивый и правильный полет. Освоив простые образцы, можно приступать к созданию более сложных конструкций.

Игра с самолетиком будет занимательным проведением досуга, который доставит одинаково много радостных минут детишкам и их родителям!

Фото самодельных самолетов для детей

Как сделать летающий самолет?

#1

Сегодня раскрываются секреты самолетостроения. Самолет своими руками сделать довольно просто. Достаточно иметь малость терпения, некоторые навыки работы с бумагой и клеем… и вуа-ля! – самолет готов! Простые, примитивные самолетики, которые все дети складывают в школе из тетрадных листов, давно отошли на второй план. Многие еще в раннем детстве задавались вопросом: «Как сделать самолет из бумаги чтобы хорошо летал? ». Для этого обязательно необходим правильный чертеж. Модель самолета «Альбатрос» можно скачать в сети. Она несомненно понадобиться в работе, т. к. ее элементы будут выступать в качестве шаблона. Также следует подготовить картон, бумагу, ножницы, клей и другие элементы, которые могут пригодиться. Это основой перечень используемых материалов, но некоторые детали самолета могут быть изготовлены из других материалов.

#2

Помимо этого во время работы необходимо будет провести некоторые несложные расчеты, чтобы окончательно убедиться в том, что самолет действительно сможет летать, а не только красоваться на полке. Подготовив все шаблонные детали, следует заняться проведением расчетов центра тяжести модели. Обычно, необходимые сведения по этому поводу и расчетные данные можно найти на чертеже. Когда расчет будет окончен, можно приступать к изготовлению самолета. В первую очередь изготавливают фюзеляж. Его можно сделать простым или с прозрачной кабинкой. Ориентироваться можно полностью на собственных вкусовых предпочтениях. Что касается возможности самолета летать, то от того будет прозрачная кабина или нет, ничего не измениться. Выполнять все работы по изготовлении самолета нужно аккуратно и выверено, чтобы конечный результат был положительным.

#3

Чтобы сделать «стекло» кабины, можно использовать прозрачную фотопленку. Итак, основная часть самолета готова. Работа с фюзеляжем завершена, теперь необходимо принять решение относительно материала, из которого будет изготовлен груз. В качестве заготовки отлично подойдет как картон, так и оргалит. Груз приклеивается с внутренней стороны к фюзеляжу. Во время этого этапа работы не следует торопиться, лучше приклеить груз сначала к одной стороне, а затем, когда клей высохнет, ко второй. Теперь можно склеивать фюзеляж – отгибается, дно и язычки соединяются друг с другом. Пока клей на фюзеляже высыхает, по контуру необходимо вырезать киль самолета. Склеивать его рекомендуется по задней кромке. Длина шва не должна быть более пяти мм.

#4

В хвостовую часть фюзеляжа необходимо продеть язычки киля, чтобы позже их там приклеить. Двигатель самолета крепиться к боковым стенкам фюзеляжа. Изначально, кажется, довольно сложно понять, как сделать летающий самолет, но вот работа практически подходит к концу. Теперь подошла очередь заняться стабилизатором. Необходимо вырезать его, если это не было сделано ранее. После чего, его следует склеить по задней кромке. Крепиться стабилизатор под килем в хвостовой части фюзеляжа. Следующий этап работы – установка крыльев. Когда крылья будут вырезаны, их необходимо очень тщательно приклеить к фюзеляжу. Все отгибы и стыки должны быть хорошо проклеены. Пусть это займет лишнее время, но это важно.

#5

Работа постепенно движется, остаются лишь мелкие дополнения, без которых полет будет неосуществим. Речь идет о крючке. Изготовить его можно из обычной канцелярской скрепки. Для этого ее концы необходимо разжать. Крепится крючок впереди крыла на фюзеляж. Сделать это можно с помощью клея. Вот модель, наконец-то, и собрана полностью! Теперь необходимо подождать, пока все детали хорошенько приклеятся. Особо важно, чтобы были хорошо закреплены крылья и стабилизатор. Для уверенности можно закрепить их положение чем-то тяжелым, например, книгами. Пусть самолет высыхает не меньше 8 часов. Самолет к запуску готов! Отправить его в первый полет можно при помощи простой рогатки. Если все сделано правильно, то он вполне может пролететь около 30 метров на высоте до 10 м.

Динамика полета

пропустить навигацию

Что такое воздухоплавание?
| Динамика полета | Самолеты
| Двигатели | История
полета | Что такое УЭТ?
Словарь | Веселье
и игры | Образовательные ссылки | Урок
Планы | Индекс сайта | Дом

Что такое воздух?

Воздух
это физическое вещество, которое
имеет вес. В нем есть молекулы, которые постоянно движутся. Давление воздуха создается
молекулами, движущимися вокруг. Движущийся воздух обладает силой, которая поднимет воздушных змеев
и воздушные шары вверх и вниз. Воздух представляет собой смесь различных газов; кислород, углерод
диоксид и азот. Всему, что летает, нужен воздух. Воздух имеет силу толкать и
натяните птиц, воздушные шары, воздушных змеев и самолеты.

В 1640 году Евангелиста Торричелли открыла
что воздух имеет

масса.
При экспериментировании
измеряя ртуть, он обнаружил, что воздух оказывает давление на ртуть.

Франческо Лана б/у
это открытие, чтобы начать планировать дирижабль в конце 1600-х годов. Он нарисовал
дирижабль на бумаге, в котором использовалась идея о том, что воздух имеет вес. Корабль был пустым
шар, из которого будет удален воздух. После того, как воздух был удален,
сфера будет иметь меньший вес и сможет взлететь в воздух. Каждый
из четырех сфер прикрепляли к конструкции, похожей на лодку, а затем весь
машина бы плавала. Фактический дизайн никогда не пробовали.

Горячий воздух расширяется и распространяется, и он становится легче холодного
воздух. Когда воздушный шар наполнен горячим воздухом, он поднимается вверх, потому что горячий воздух расширяется.
внутри баллона. Когда горячий воздух остывает и выходит из баллона,
воздушный шар возвращается вниз.

Как крылья поднимают самолет

Крылья самолета имеют такую ​​форму, чтобы воздух двигался быстрее
над верхней частью крыла. Когда воздух движется быстрее, давление воздуха уменьшается.
Таким образом, давление на верхнюю часть крыла меньше, чем на нижнюю часть крыла.
Разность давлений создает на крыле силу,

лифты
крыло в воздух.

Вот простой

компьютерное моделирование
которые вы можете использовать, чтобы изучить, как крылья создают подъемную силу.

Законы движения

Сэр Исаак Ньютон предложил три закона движения в 1665 году.

Законы движения
помогите объяснить как летает самолет.

1. Если объект не движется, он не начнет двигаться сам по себе. Если
объект движется, он не остановится и не изменит направление, если что-то не толкнет
это.

2. Объекты будут двигаться дальше и быстрее, если на них надавить сильнее.

3. Когда объект толкают в одном направлении, всегда возникает сопротивление
такого же размера в противоположном направлении.

Силы полета

Управление полетом самолета

Как летает самолет? Давайте представим, что наши руки — это крылья.
Если мы поместим одно крыло вниз и одно крыло вверх, мы можем использовать кувырок.
к

изменить направление
самолета. Мы помогаем поворачивать самолет
рысканием в одну сторону. Если мы поднимем нос, как
пилот может

поднять нос
самолета, мы поднимаем шаг
самолета. Все эти измерения вместе позволяют управлять полетом.
самолета. У пилота самолета есть специальные элементы управления, которые можно использовать для полета
самолет. Есть рычаги и кнопки, которые пилот может нажать, чтобы изменить
рыскание, тангаж и крен самолета.

Кому

рулон
самолет вправо или влево, элероны подняты на один
крыло и опущено на другом. Крыло с опущенным элероном поднимается при этом
крыло с поднятыми элеронами опускается.

Подача
заставляет самолет снижаться или подниматься. Пилот настраивается
лифты на хвосте, чтобы самолет снижался или поднимался. Опускание лифтов
вызвало падение носа самолета, что привело к падению самолета. Повышение
лифты заставляют самолет подниматься.

рыскание
это поворот самолета. Когда руль повернут
в одну сторону самолет движется влево или вправо. Нос самолета заострен
в том же направлении, что и направление руля. Руль направления и элероны
используются вместе для поворота

Как пилот управляет самолетом?

Для управления самолетом пилот использует несколько приборов…

Пилот управляет мощностью двигателя
с помощью дроссельной заслонки. При нажатии на педаль газа увеличивается
мощность, и вытягивание его уменьшает мощность.

элероны
поднять и
опустить крылья. Пилот контролирует крен
самолет, поднимая один или другой элерон штурвалом. Включение
штурвал по часовой стрелке поднимает правый элерон и опускает левый элерон,
который катит самолет вправо.

л

Изображение самолета в рулоне

руль
работает, чтобы
контролировать рыскание самолета. Пилот перемещает руль направления влево и вправо, при этом левый
и правые педали. Нажатие на правую педаль руля перемещает руль вправо.
Это отклоняет самолет вправо. Используемые вместе,
руль направления и элероны используются для поворота самолета.

Изображение самолета Yaw

лифты
которые
на хвостовой части используются для управления шагом
самолет. Пилот использует штурвал, чтобы поднять
и опустите рули высоты, перемещая их вперед-назад. Опускание лифтов
заставляет нос самолета опускаться и позволяет самолету опускаться. Подняв
лифты пилот может заставить самолет подняться.

Изображение шага плоскости

Пилот самолета нажимает на верхнюю часть педалей руля направления, чтобы использовать тормоза .
Тормоза используются, когда самолет находится на земле, чтобы замедлить самолет и
будьте готовы остановить его. Верхняя часть левого руля управляет левым тормозом.
а верхняя часть правой педали управляет правым тормозом.

Если вы посмотрите на эти движения вместе, вы увидите, что каждый тип движения
помогает контролировать направление и уровень самолета, когда он летит.

Звуковой барьер

Звук состоит из движущихся молекул воздуха. Они толкаются вместе и собираются
вместе, чтобы сформировать

звуковые волны
. Звук
волны распространяются со скоростью около 750 миль в час на уровне моря. Когда летит самолет
в

скорость звука
воздушные волны собираются вместе
и сжимайте воздух перед самолетом, чтобы он не двигался вперед. Этот
компрессия вызывает

ударная волна
формироваться перед
самолет.

Чтобы лететь быстрее скорости звука, самолет должен быть в состоянии
пробить ударную волну. Когда самолет движется по волнам,
это заставляет звуковые волны распространяться, и это создает громкий шум или звук .
стрела . Звуковой удар вызван внезапным изменением атмосферного давления.
Когда самолет движется быстрее звука, он движется со сверхзвуковой скоростью.
Самолет, летящий со скоростью звука, летит со скоростью

1 Маха
или около 760 миль в час. 2 Маха в два раза больше скорости звука.

Режимы полета

Иногда называют скоростей полета ,
каждый режим — это разный уровень скорости полета.

Вернуться к началу

Что такое воздухоплавание?
| Динамика полета | Самолеты
| Двигатели | История
полета | Что такое УЭТ?
Словарь | Веселье
и игры | Образовательные ссылки | Урок
Планы | Индекс сайта | Дом

Никто не может объяснить, почему самолеты остаются в воздухе

В декабре 2003 года, в ознаменование 100-летия первого полета братьев Райт, New York Times опубликовал статью под названием «Оставаясь наверху; Что удерживает их там?» Суть статьи заключалась в простом вопросе: что удерживает самолеты в воздухе? Чтобы ответить на него, Times обратился к Джону Д. Андерсону-младшему, куратору отдела аэродинамики в Национальном музее авиации и космонавтики и автору нескольких учебников в этой области.

Однако Андерсон сказал, что на самом деле нет единого мнения о том, что создает аэродинамическую силу, известную как подъемная сила. «На этот вопрос нет простого однострочного ответа, — сказал он раз . Люди дают разные ответы на этот вопрос, некоторые с «религиозным рвением». Спустя более 15 лет после этого заявления все еще существуют разные версии того, что создает подъемную силу, и у каждой есть свой значительный ряд ревностных защитников. На данном этапе истории полета эта ситуация вызывает некоторое недоумение. Ведь естественные процессы эволюции, действуя бездумно, наобум и без всякого понимания физики, эоны назад решили механическую проблему аэродинамической подъемной силы для парящих птиц. Почему ученым должно быть так сложно объяснить, что удерживает птиц и авиалайнеры в воздухе?

Путаницу усугубляет тот факт, что описания подъемной силы существуют на двух отдельных уровнях абстракции: техническом и нетехническом. Они скорее дополняют друг друга, чем противоречат друг другу, но различаются по своим целям. Одна существует как строго математическая теория, область, в которой среда анализа состоит из уравнений, символов, компьютерных симуляций и чисел. Серьезных разногласий относительно того, что представляют собой соответствующие уравнения или их решения, практически нет. Цель технической математической теории состоит в том, чтобы делать точные прогнозы и прогнозировать результаты, полезные для авиационных инженеров, занимающихся сложным делом проектирования самолетов.

Но сами по себе уравнения не являются объяснениями, равно как и их решения. Существует второй, нетехнический уровень анализа, который предназначен для того, чтобы дать нам физическое, основанное на здравом смысле объяснение подъемной силы. Цель нетехнического подхода состоит в том, чтобы дать нам интуитивное понимание реальных сил и факторов, которые действуют, удерживая самолет в воздухе. Этот подход существует не на уровне чисел и уравнений, а на уровне понятий и принципов, знакомых и понятных неспециалистам.

Именно на этом втором, нетехническом уровне лежат разногласия. Для объяснения подъемной силы обычно предлагаются две разные теории, и сторонники обеих сторон аргументируют свою точку зрения в статьях, книгах и в Интернете. Проблема в том, что каждая из этих двух нетехнических теорий верна сама по себе. Но ни один из них не дает полного объяснения подъемной силы, которое обеспечивает полный учет всех основных сил, факторов и физических условий, управляющих аэродинамической подъемной силой, без каких-либо нерешенных, необъяснимых или неизвестных проблем. Существует ли вообще такая теория?

Две конкурирующие теории

Безусловно, наиболее популярным объяснением подъемной силы является теорема Бернулли, принцип, сформулированный швейцарским математиком Даниэлем Бернулли в его трактате 1738 года Hydrodynamica . Бернулли происходил из семьи математиков. Его отец, Иоганн, внес свой вклад в исчисление, а его дядя Якоб ввел термин «интеграл». Многие работы Даниэля Бернулли были связаны с потоком жидкости: воздух — это жидкость, и теорема, связанная с его именем, обычно выражается в терминах гидродинамики. Проще говоря, закон Бернулли гласит, что давление жидкости уменьшается по мере увеличения ее скорости, и наоборот.

Теорема Бернулли пытается объяснить подъемную силу как следствие искривления верхней поверхности аэродинамического профиля — так называется крыло самолета. Идея заключается в том, что из-за этой кривизны воздух, движущийся по верхней части крыла, движется быстрее, чем воздух, движущийся по нижней поверхности крыла, которая является плоской. Теорема Бернулли гласит, что увеличение скорости на верхней части крыла связано с наличием там области более низкого давления, то есть подъемной силы.

Предоставлено: L-Dopa

Горы эмпирических данных по линиям тока (линиям частиц дыма) в аэродинамических испытаниях, лабораторных экспериментах с соплами и трубками Вентури и т. д. предоставляют неопровержимые доказательства того, что, как сказано, принцип Бернулли верен и верен. Тем не менее есть несколько причин, по которым теорема Бернулли сама по себе не представляет собой полное описание лифта. Хотя опыт показывает, что воздух движется быстрее по искривленной поверхности, одна только теорема Бернулли не объясняет, почему это так. Другими словами, теорема не говорит, как возникла более высокая скорость над крылом.

Предоставлено: L-Dopa

Существует множество неверных объяснений более высокой скорости. Согласно наиболее распространенной — теории «равного времени прохождения» — порции воздуха, разделяющиеся на передней кромке крыла, должны одновременно соединиться на задней кромке. Поскольку верхняя посылка проходит дальше, чем нижняя, за заданное время, она должна двигаться быстрее. Заблуждение здесь состоит в том, что нет физической причины, по которой две посылки должны достичь задней кромки одновременно. И действительно, это не так: эмпирический факт состоит в том, что воздух наверху движется намного быстрее, чем могла бы объяснить теория равного времени прохождения.

Есть и пресловутая «демонстрация» принципа Бернулли, повторяющаяся во многих популярных аккаунтах, видео на YouTube и даже в некоторых учебниках. Он заключается в том, чтобы держать лист бумаги горизонтально у рта и дуть на его изогнутую верхнюю часть. Страница поднимается вверх, якобы иллюстрируя эффект Бернулли. Противоположный результат должен получиться, когда вы дуете на нижнюю часть листа: скорость движущегося под ним воздуха должна тянуть страницу вниз. Вместо этого, как это ни парадоксально, страница поднимается.

Подъем изогнутой бумаги при подаче потока на одну сторону «не потому, что воздух движется с разными скоростями с двух сторон», — говорит Хольгер Бабинский, профессор аэродинамики Кембриджского университета, в своей статье « Как работают крылья?» Чтобы продемонстрировать это, подуйте на прямой лист бумаги — например, на лист, который держится так, что он свисает вертикально — и убедитесь, что бумага не двигается ни в ту, ни в другую сторону, потому что «давление с обеих сторон бумаги является одинаково, несмотря на очевидную разницу в скорости».

Второй недостаток теоремы Бернулли заключается в том, что она не говорит, как и почему более высокая скорость на вершине крыла приводит к более низкому, а не к более высокому давлению. Было бы естественно думать, что когда кривизна крыла вытесняет воздух вверх, этот воздух сжимается, что приводит к повышенному давлению на крыло. Такое «узкое место» обычно замедляет процессы в обычной жизни, а не ускоряет их. На шоссе, когда две или более полос движения сливаются в одну, задействованные автомобили не едут быстрее; вместо этого происходит массовое замедление движения и, возможно, даже пробка. Молекулы воздуха, обтекающие крыло, не ведут себя так, но теорема Бернулли не объясняет почему.

Третья проблема дает самый решающий аргумент против того, чтобы рассматривать теорему Бернулли как полное объяснение подъемной силы: самолет с искривленной верхней поверхностью может летать перевернутым. В перевернутом полете криволинейная поверхность крыла становится нижней поверхностью и, согласно теореме Бернулли, создает пониженное давление ниже крыла. Это более низкое давление, добавленное к силе тяжести, должно в целом тянуть самолет вниз, а не удерживать его. Более того, самолеты с симметричными аэродинамическими профилями, с одинаковой кривизной сверху и снизу или даже с плоскими верхней и нижней поверхностями, также способны летать перевернутыми, если профиль встречает встречный ветер под соответствующим углом атаки. Это означает, что одной теоремы Бернулли недостаточно для объяснения этих фактов.

Другая теория подъемной силы основана на третьем законе движения Ньютона, принципе действия и противодействия. Теория утверждает, что крыло удерживает самолет, толкая воздух вниз. Воздух имеет массу, и из третьего закона Ньютона следует, что толчок крыла вниз приводит к равному и противоположному толчку вверх, то есть к подъемной силе. Ньютоновское объяснение применимо к крыльям любой формы, изогнутым или плоским, симметричным или нет. Это справедливо для самолетов, летящих перевернутым или правым боком вверх. Действующие силы также знакомы из обычного опыта — например, когда вы высовываете руку из движущегося автомобиля и наклоняете ее вверх, воздух отклоняется вниз, и ваша рука поднимается. По этим причинам третий закон Ньютона является более универсальным и исчерпывающим объяснением подъемной силы, чем теорема Бернулли.

Но сам по себе принцип действия и противодействия также не может объяснить более низкое давление в верхней части крыла, которое существует в этой области независимо от того, изогнут ли аэродинамический профиль. Только когда самолет приземляется и останавливается, область более низкого давления в верхней части крыла исчезает, возвращается к атмосферному давлению и становится одинаковой как вверху, так и внизу. Но пока самолет летит, эта область более низкого давления является неизбежным элементом аэродинамической подъемной силы, и ее необходимо объяснить.

Историческое понимание

Ни Бернулли, ни Ньютон, конечно, сознательно не пытались объяснить, что удерживает самолеты, потому что они жили задолго до фактического развития механического полета. Их соответствующие законы и теории были просто переработаны после того, как братья Райт летали, что сделало для ученых серьезной и неотложной задачей понять аэродинамическую подъемную силу.

Большинство этих теоретических отчетов пришло из Европы. В первые годы 20-го века несколько британских ученых разработали технические и математические описания подъемной силы, в которых воздух рассматривался как идеальная жидкость, что означает, что он несжимаем и имеет нулевую вязкость. Это были нереалистичные предположения, но, возможно, понятные для ученых, столкнувшихся с новым феноменом управляемого механического полета. Эти допущения также сделали лежащую в основе математику более простой и прямолинейной, чем она могла бы быть в противном случае, но за эту простоту пришлось заплатить: какими бы успешными ни были расчеты аэродинамических профилей, движущихся в идеальных газах, с эмпирической точки зрения они оставались ошибочными.

В Германии одним из ученых, занимавшихся проблемой подъемной силы, был не кто иной, как Альберт Эйнштейн. В 1916 году Эйнштейн опубликовал в журнале Die Naturwissenschaften короткую статью под названием «Элементарная теория волн на воде и полета», в которой пытался объяснить, чем объясняется несущая способность крыльев летательных аппаратов и парящих птиц. «Эти вопросы окружены неясностью», — писал Эйнштейн. «Действительно, должен признаться, что я никогда не встречал на них простого ответа даже в специальной литературе».

Затем Эйнштейн дал объяснение, предполагающее несжимаемую жидкость без трения, то есть идеальную жидкость. Не называя Бернулли по имени, он дал описание, которое согласуется с принципом Бернулли, заявив, что давление жидкости больше там, где ее скорость меньше, и наоборот. Чтобы воспользоваться этой разницей давлений, Эйнштейн предложил аэродинамический профиль с выпуклостью наверху, чтобы такая форма увеличивала скорость воздушного потока над выпуклостью и, таким образом, также снижала там давление.

Эйнштейн, вероятно, думал, что его анализ идеальной жидкости будет одинаково хорошо применим к реальным потокам жидкости. В 1917 году на основе своей теории Эйнштейн сконструировал аэродинамический профиль, который позже стал известен как крыло «кошачья спина» из-за его сходства с горбатой спиной растянувшейся кошки. Он представил проект производителю самолетов LVG (Luftverkehrsgesellschaft) в Берлине, который построил на его основе новый летательный аппарат. Летчик-испытатель сообщил, что аппарат ковылял в воздухе, как «беременная утка». Гораздо позже, в 19В 54 года сам Эйнштейн назвал свой экскурс в аэронавтику «юношеской глупостью». Человек, который дал нам радикально новые теории, проникающие как в самые маленькие, так и в самые большие компоненты Вселенной, тем не менее не смог внести положительный вклад в понимание подъемной силы или разработать практическую конструкцию аэродинамического профиля.

На пути к полной теории подъемной силы

Современные научные подходы к конструированию самолетов относятся к сфере вычислительной гидродинамики (CFD) и так называемых уравнений Навье-Стокса, которые полностью учитывают фактическую вязкость реального воздуха. Решения этих уравнений и результаты моделирования CFD дают прогнозы распределения давления, модели воздушного потока и количественные результаты, которые являются основой для современных высокотехнологичных конструкций самолетов. Тем не менее, они сами по себе не дают физического, качественного объяснения подъемной силы.

Однако в последние годы ведущий специалист по аэродинамике Дуг Маклин попытался выйти за рамки чисто математического формализма и разобраться с физическими причинно-следственными связями, которые объясняют подъемную силу во всех ее проявлениях в реальной жизни. Маклин, большую часть своей профессиональной карьеры проработавший инженером в Boeing Commercial Airplanes, где он специализировался на разработке кода CFD, опубликовал свои новые идеи в тексте 2012 года Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics 9.0257 .

Учитывая, что книга состоит из более чем 500 страниц довольно плотного технического анализа, удивительно видеть, что она включает раздел (7.3.3), озаглавленный «Основное объяснение подъемной силы аэродинамического профиля, доступное для нетехнической аудитории». ” Создание этих 16 страниц было непростым для Маклина, мастера предмета; действительно, «вероятно, это была самая трудная часть книги для написания», — говорит автор. «Он претерпел больше изменений, чем я могу сосчитать. Я никогда не был полностью доволен этим».

Сложное объяснение подъемной силы Маклина начинается с основного предположения всей обычной аэродинамики: воздух вокруг крыла действует как «непрерывный материал, который деформируется, повторяя контуры аэродинамического профиля». Эта деформация существует в виде глубокой полосы потока жидкости как над, так и под крылом. «Аэродинамический профиль влияет на давление на большой площади в так называемом поле давления », — пишет Маклин. «При создании подъемной силы над аэродинамическим профилем всегда образуется диффузное облако низкого давления, а внизу обычно образуется диффузное облако высокого давления. Там, где эти облака касаются аэродинамического профиля, они создают разность давлений, которая создает подъемную силу на аэродинамическом профиле».

Испытание водяного канала в NASA Ames Fluid Mechanics Labuses с флуоресцентным красителем для визуализации поля потока над крылом самолета. Линии тока, движущиеся слева направо и изгибающиеся при встрече с крылом, помогают проиллюстрировать физику подъемной силы. Предоставлено: Ян Аллен

Крыло толкает воздух вниз, в результате чего воздушный поток поворачивается вниз. Воздух над крылом ускоряется в соответствии с принципом Бернулли. Кроме того, под крылом имеется область повышенного давления, а над ним — область пониженного давления. Это означает, что в объяснении подъемной силы Маклина есть четыре необходимых компонента: направление потока воздуха вниз, увеличение скорости потока воздуха, область низкого давления и область высокого давления.

Но именно взаимосвязь между этими четырьмя элементами является наиболее новым и отличительным аспектом рассказа Маклина. «Они поддерживают друг друга во взаимной причинно-следственной связи, и ни один из них не мог бы существовать без других», — пишет он. «Разность давлений воздействует на аэродинамический профиль подъемной силой, в то время как поворот потока вниз и изменения скорости потока поддерживают разницу давлений». Именно эта взаимосвязь составляет пятый элемент объяснения Маклина: взаимность между остальными четырьмя. Как будто эти четыре компонента вместе возникают и поддерживают себя одновременными актами взаимного творения и причинности.

Кажется, в этом синергии есть намек на магию. Процесс, который описывает Маклин, кажется похожим на четырех активных агентов, которые тянут друг друга за шнурки, чтобы коллективно удержаться в воздухе. Или, как он признает, это случай «круговой причинно-следственной связи». Каким образом каждый элемент взаимодействия может поддерживать и усиливать все остальные? И что вызывает это взаимное, взаимное, динамическое взаимодействие? Ответ Маклина: второй закон движения Ньютона.

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение тела или порции жидкости пропорционально приложенной к нему силе. «Второй закон Ньютона говорит нам, что когда разность давлений оказывает результирующую силу на жидкую массу, это должно вызывать изменение скорости или направления (или того и другого) движения этой частицы», — объясняет Маклин. Но, наоборот, разница давлений зависит и существует из-за ускорения посылки.

Разве мы здесь ничего не получаем? Маклин говорит нет: если бы крыло находилось в покое, не существовало бы ни одной части этого кластера взаимоусиливающих действий. Но тот факт, что крыло движется по воздуху, причем каждая частица влияет на все остальные, приводит к возникновению этих взаимозависимых элементов и поддерживает их на протяжении всего полета.

Включение взаимности подъемной силы

Вскоре после публикации Понимание аэродинамики Маклин понял, что он не полностью учел все элементы аэродинамической подъемной силы, потому что он не объяснил убедительно, что вызывает давление на крыло изменение от окружающего. Так, в ноябре 2018 года Маклин опубликовал в The Physics Teacher статью, состоящую из двух частей, в которой он предложил «всестороннее физическое объяснение» аэродинамической подъемной силы.

Хотя статья в значительной степени повторяет более раннюю аргументацию Маклина, она также пытается добавить лучшее объяснение того, почему поле давления неоднородно, и принять физическую форму, которую оно имеет. В частности, его новый аргумент вводит взаимное взаимодействие на уровне поля потока, так что неоднородное поле давления является результатом приложенной силы, направленной вниз силы, действующей на воздух со стороны аэродинамического профиля.

Является ли раздел 7.3.3 Маклина и его последующая статья успешными в обеспечении полного и правильного описания подъемной силы, остается открытым для интерпретации и обсуждения. Есть причины, по которым трудно дать ясное, простое и удовлетворительное описание аэродинамической подъемной силы. Во-первых, потоки жидкости более сложны и трудны для понимания, чем движения твердых тел, особенно потоки жидкости, которые расходятся на передней кромке крыла и подвергаются воздействию различных физических сил сверху и снизу. Некоторые споры о подъемной силе связаны не с самими фактами, а скорее с тем, как эти факты следует интерпретировать, что может включать вопросы, которые невозможно решить экспериментальным путем.

Тем не менее, на данный момент есть лишь несколько нерешенных вопросов, требующих объяснения. Подъемная сила, как вы помните, является результатом разности давлений между верхней и нижней частями аэродинамического профиля. У нас уже есть приемлемое объяснение того, что происходит в нижней части аэродинамического профиля: встречный воздух давит на крыло как вертикально (создавая подъемную силу), так и горизонтально (создавая сопротивление). Толчок вверх существует в виде более высокого давления под крылом, и это более высокое давление является результатом простого ньютоновского действия и противодействия.

Однако в верхней части крыла все обстоит иначе. Там существует область более низкого давления, которая также является частью аэродинамической подъемной силы. Но если ни принцип Бернулли, ни третий закон Ньютона не объясняют этого, то что? Из линий тока мы знаем, что воздух над крылом плотно прилегает к нисходящей кривизне аэродинамического профиля. Но почему порции воздуха, движущиеся по верхней поверхности крыла, должны следовать его нисходящей кривизне? Почему они не могут отделиться от него и лететь обратно?

Марк Дрела, профессор гидродинамики в Массачусетском технологическом институте и автор книги «Аэродинамика летательного аппарата », предлагает ответ: «Если бы посылки на мгновение отлетели по касательной к верхней поверхности аэродинамического профиля, то буквально образовался бы вакуум. под ними», — объясняет он. «Этот вакуум будет засасывать посылки до тех пор, пока они в основном не заполнят вакуум, то есть пока они снова не начнут двигаться по касательной к аэродинамическому профилю. Это физический механизм, который заставляет посылки двигаться по форме аэродинамического профиля. Небольшой частичный вакуум остается, чтобы посылки оставались на криволинейном пути».

Это оттягивание или опускание этих воздушных пакетов от соседних вышестоящих пакетов создает область более низкого давления на крыле. Но этому действию сопутствует еще один эффект: более высокая скорость воздушного потока над крылом. «Пониженное давление над подъемным крылом также «притягивает» воздушные массы горизонтально, когда они приближаются вверх по течению, поэтому к тому времени, когда они достигают над крылом, они имеют более высокую скорость», — говорит Дрела. «Поэтому увеличение скорости над подъемным крылом можно рассматривать как побочный эффект снижения давления там».

Но, как всегда, когда дело доходит до объяснения подъемной силы на нетехническом уровне, у другого эксперта будет другой ответ. Специалист по аэродинамике из Кембриджа Бабинский говорит: «Мне неприятно не соглашаться с моим уважаемым коллегой Марком Дрела, но если объяснением было создание вакуума, то трудно объяснить, почему иногда поток тем не менее отделяется от поверхности. Но во всем остальном он прав. Проблема в том, что нет быстрого и простого объяснения».

Сам Дрела признает, что его объяснение в некотором смысле неудовлетворительно. «Одна очевидная проблема заключается в том, что нет общепризнанного объяснения», — говорит он. Так, где это оставляет нас? По сути, именно с того, с чего мы начали: с Джона Д. Андерсона, который заявил: «На этот вопрос нет простого однострочного ответа».

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Загадка аэродинамической подъемной силы» в журнале Scientific American 322, 2, 44-51 (февраль 2020 г.)

doi:10.1038/scientificamerican0220-44

View This Issue

Еще для изучения

Как работают крылья? Хольгер Бабинский в Физическое образование , Vol. 38, № 6, стр. 497–503; Ноябрь 2003 г.

Загадка аэродинамического профиля: конкурирующие теории аэродинамики, 1909–1930. Дэвид Блур. Издательство Чикагского университета, 2011.