Почему летает самолёт

Что держит самолёт

Самолёт держится в воздухе благодаря подъёмной силе крыла. Это сила, действующая на тело в потоке воздуха поперёк потока; она возникает из-за того, что поток обтекает тело несимметрично^[1].

У физиков есть два способа объяснить подъёмную силу — через законы Ньютона и через давление. Это не противоречащие теории, а два взгляда на одно и то же явление^[2].

Взгляд первый: крыло отбрасывает воздух вниз

Крыло движется в воздухе, слегка наклонившись вперёд-вверх. Угол между крылом и набегающим потоком называют углом атаки^[1].

Обтекая такое крыло, воздух меняет направление и уходит вниз. Чтобы повернуть поток вниз, крыло должно давить на воздух вниз. А по третьему закону Ньютона воздух с той же силой давит на крыло вверх — это и есть подъёмная сила^[2].

Важно, что поток вниз отклоняет не только нижняя поверхность крыла: верхний поток делает в этом большую часть работы^[2].

Взгляд второй: разница давлений

Ту же силу можно описать через давление. Над крылом воздух течёт быстрее, а под крылом — медленнее. По уравнению Бернулли, где поток быстрее, давление ниже. Получается разрежение над крылом и повышенное давление под ним — и разница давлений, умноженная на площадь крыла, даёт силу, направленную вверх ^[1].

Учёный Николай Жуковский доказал теорему: подъёмная сила пропорциональна плотности воздуха, скорости потока и циркуляции — тому, насколько поток «закручен» вокруг крыла^[1]. На этой теореме, известной как теорема Кутты — Жуковского, строится расчёт крыльев^[2].

Объяснение, которое оказалось ошибкой

Во многих книжках можно прочитать: верхняя поверхность крыла выпуклая, путь воздуха над ней длиннее, и чтобы встретиться с нижним потоком у задней кромки «в то же время», верхний воздух должен бежать быстрее. Это так называемое объяснение «равного времени прохождения» — и оно неверно^[2].

Воздух над крылом и правда течёт быстрее, но совсем не обязан «догонять» нижний поток. Кроме того, такое объяснение не может объяснить, как подъёмную силу создают плоская пластина, симметричное крыло, парус — и обычное крыло самолёта, летящего вверх ногами^[2].

Сваливание

Чем больше угол атаки, тем сильнее подъёмная сила — но только до определённого критического угла. Если задрать крыло ещё сильнее, поток отрывается от верхней поверхности, отклоняет меньше воздуха вниз — и подъёмная сила резко падает. Это называют сваливанием^[2]. При этом подъёмная сила не падает до нуля, но заметно уменьшается^[2].