Глайдирующий летательный аппарат

Мы уже указали, какие четыре силы действуют на моторный самолет в процессе устойчивого горизонтального полета: его вес тянет вниз, равная противоположная подъемная сила крыльев поддерживает его, вперед толкает мотор, назад тянет равное сопротивление воздуха.

Но что же есть такое на земле, а вернее в воздухе, что толкает вперед глайдер? Это часть или компонента веса летательного аппарата, т. е. та же сила, которая заставля­ет шарик скатываться по наклонной поверхности. Еще одно отступление: Расчет сил:

Нам уже известно, что две одинаковых силы, действующие в противоположном направлении (подъемная сила и вес, тяга двигателя и сопротивление воздуха в случае с самолетом), уравновешивают друг друга, оставляя тело в состоянии покоя или равномерного движения с постоянной скоростью в заданном направлении.

 

Если две или более сил действуют в одном направле­нии, мы просто складываем их. Если лошадь может та­щить экипаж с силой, скажем, 50 кг, то две лошади при­ложат усилие в 100 кг, а три лошади (Русская "тройка") в 150 кг. На нашем рисунке мы просто рисуем силы на шкале одну за другой, потом стираем стрелки, кроме последней. Результат (который называется результирующей силой) — это просто более длинная одиночная стрелка:

Когда мы имеем дело с неравными силами, действую­щими в противоположном направлении, все по-прежнему просто: мы вычитаем из более длинной стрелки длину короткой и остаемся с результирующей силой, которая по величине меньше:

<

Но что если две неравных силы действуют под углом? Есть совершенно простой путь нахождения результирующей, который выглядит следующим образом:

Сначала мы рисуем две наших силы, обозначенные че­рез F1 и F2, из точки 0. Затем из конца F1 рисуем вспомогательную линию, параллельную F2, а из конца F2 — другую, параллельную F1. Теперь из точки 0 проводим линию в точку пересечения двух вспомогательных прямых. Вот это и есть наша результирующая сила:

Мы можем использовать данный метод не только для сложения двух сил в результирующую, но и для разложе­ния одной силы на две, действующие в любых направле­ниях, которые мы выбираем. Попробуем применить это на примере шарика, катящегося по наклонной плоскости.

Шарик имеет определенный вес, который тянет его вниз. Если бы он был на плоском столе, он оставался бы на месте, оказывая давление на точку прямо под собственным центром тяжести, и никуда бы не катился. На наклонной плоскости, однако, его вес по-прежнему на­правлен прямо вниз в то время, как точка поддержки, т.е. точка соприкосновения с плоскостью смещена назад. Здесь имеет место отсутствие равновесия, и мы можем разложить вес W на две силы: одна проходит через точку контакта с плоскостью, а вторая тянет шарик вдоль направления наклона.

Будем считать вес (стрелка W) результирующей силой. Тогда рисуем эту силу из центра шарика вертикально вниз в масштабе, отражающем истинный вес. Нам уже извест­ны направления двух сил, которые мы ищем: первое, отвечающее за давление на наклонную плоскость, проходит через точку контакта с ней, а второе — скатывающее шарик — параллельно наклону плоскости. Теперь из конца силы веса проводим две прямых параллельно двум силам, направления которых мы только что отметили, и эти пря­мые отсекут по длине от указанных направлений две величины, определяющие силу скатывания к давления на плоскость.

Проделаем теперь то же самое с планером, который, хотя и "скользит вниз" по тонкому воздуху вместо жесткой поверхности, однако, подчиняется тем же правилам. Вес планера действует в направлении прямо вниз. Разла­гая его на две компоненты, одна из которых противоположна подъемной силе крыла, а вторая тянет вперед в направлении планирования, мы приходим к балансу всех сил.

(В случае, если вас интересует, откуда взялась энергия, заменяющая работу двигателя самолета, ответ прост: вы сами запасли ее, взбираясь или въезжая на холм, а теперь используете ее, возвращаясь по воздуху к подножию холма).

(В хорошую погоду есть возможности и средства подняться гораздо выше, чем точка взлета, и оставаться там часами — одно их самых больших удовольствий этого спорта, но там вы используете силу входящих потоков воздуха. Это больше подходит под определение "парения", а не "глайдирования", и мы рассмотрим эти возможности позже в этой книжке).

Угол атаки

Мы видели, что, когда наше крыло или надутый купол параглайдера планирует вперед, поток воздуха создает разницу давлений под крылом и над ним, в результате чего появляется подъемная сила, поддерживающая нас, кроме того, создается меньшая сила сопротивления, которую необходимо преодолеть "тянущей" компонентой нашего веса.

В предыдущих иллюстрациях мы рисовали поток воздуха под крылом параллельно его плоскому днищу, как на рисунке выше.

Угол между этой плоской нижней поверхностью крыла и потоком воздуха, с которым оно встречается, называется УГЛОМ АТАКИ. (Это не совсем верно для всех профилей, но мы примем, что это так для того, чтобы упростить наши иллюстрации). Когда нижняя поверхность крыла параллельна потоку воздуха, угла атаки нет, т. е. он равен нулю. (Пожалуйста, отметьте, что крыло при этом уже создает подъемную силу за счет кривизны своей поверхности).

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы постепенно будем увеличивать угол атаки, наклоняя крыло вверх и заставляя поток воздуха ударяться не только в переднюю кромку, но и отчасти снизу.

Разумеется, при той же скорости воздуха подъемная сила (а также сопротивление воздуха) возрастут. Это происходит из-за того, что воздух, идущий поверх крыла, теперь должен пройти больший путь до воссоединения с потоком под крылом, и падение давления (всасывание вверх) на вершине крыла больше. Что еще важнее, поток воздуха снизу крыла оказывает давление на его нижнюю наклонную поверхность, увеличивая общее давление и выталкивая крыло вверх еще больше.

Это чудесно. Используя наши возможности управления, мы наклоняем крыло до угла атаки в пять градусов, и наша подъемная сила увеличивается. Десять градусов — и она еще больше. Пятнадцать градусов — и мы получаем ужасающую подъемную силу от нашего крыла. Двадцать градусов и...

Вся подъемная сила пропала и мы резко ныряем вниз!

Что случилось?

Это называется ПОТЕРЯ СКОРОСТИ. Пока мы наклоняли наш профиль все к большим углам атаки, воздух должен был проходить через вершину крыла все больший и больший путь, и путь этот должен был становиться все более кривым. В какой-то точке, обычно между 15 и 20 градусов, воздух уже не в состоянии двигаться так, он разбивается на турбулентные вихри — это явление называется турбуленцией — и прекращает обеспечивать подъемную силу, оставляя нас наедине с силой сопротивления воздуха. На практике, если потеря скорости происходит на большой высоте, вы вновь набираете ее в результате погружения и возвращаетесь опять к нормальному полету, потеряв часть высоты и испытав учащенное сердцебиение. Но на более низких высотах вы можете нырнуть в землю прежде, чем наберется подъемная сила. Потеря скорости — это одна из первых вещей, которых вас научат избегать на курсах параглайдинга.

 

 

 

Чтобы осознать все эти изменения подъемной силы, введем в рассмотрение еще одно уравнение и один график. Уравнение (которое выглядит аналогичным уравнению для силы сопротивления, записанному несколькими стра­ницами раньше) описывает ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ для данного крыла:

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА = 1/2 х р х cl х А х V²

Мы уже встречали р (плотность воздуха) и V (квадрат нашей скорости). "А" — это площадь или поверхность нашего парашюта (обычно между 20 и 30 м). Новое обо­значение здесь — это cl — КОЭФФИЦИЕНТ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ. Он зависит всегда от конкретной формы вашего профиля, но, кроме того, как мы только что виде­ли, от угла атаки. Если мы нарисуем график, где на гори­зонтальной оси показаны различные углы атаки, а на вертикальной — коэффициент подъемной силы, то получим примерно следующий вид кривой:

При нулевом угле атаки на вертикальной оси мы ви­дим, что уже существует некоторая подъемная сила. (Кривая начинается со значения около 0,2). На 5 градусах мы получаем по кривой коэффициент подъема 0,4. Подъемная сила крыла удвоилась! При 10 градусах коэф­фициент равен 0,6, а при 15 — чуть больше, но кривая выравнивается, мы не получаем большой подъемной силы. Где-то между 15 и 20 градусами она полностью падает; больше нет подъемной силы, и крыло падает.

Угол глайдирования

Наблюдая со стороны за глайдирующим парашютом, вы замечаете, что его купол имеет отрицательный угол по отношению к горизонту, т. е. передняя кромка находится ниже задней. Не обращайте на это внимания. Мы интересуемся только двумя "невидными" ушами. Направлением нашего пути глайдирования, которое также задает направ­ление воздушного потока, и углом атаки нашего крыла относительно этого направления:

В спокойном воздухе (о ветре мы расскажем позже) глайдирующий парашют покрывает расстояние в несколько раз больше, чем высота, с которой он стартовал. Это отношение (расстояние, деленное на высоту), называемое отношением глайдирования, может меняться от умеренного 3:1 для простого (но стабильного и безопасного) учебного парашюта до 6:1 для парашюта высокого качества.

1234	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: