МБОУ ДО ЦДО "Аэрокосмическая школа"
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования "Центр дополнительного образования "Аэрокосмическая школа"
Помогаем раскрыть научный потенциал ребёнка

Наука вокруг нас. Физика в авиации.

306 просмотров Добавлено: 22 августа 2019 4:01

Подъёмная сила 

На данный момент создано множество различных летательных аппаратов: самолеты, воздушные шары, планеры, аэропланы и др. Но условие для осуществления полета любых летательных аппаратов общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т.е. в процессе полета создавать подъемную силу, превышающую силу притяжения Земли. 

Всего существует 3 основных принципа создания подъёмной силы: реактивный, аэростатический и аэродинамический. Последний принцип является самым распространённым. Он характерен для летательных аппаратов тяжелее воздуха, а именно для самолётов различного типа. Его суть в том, что подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки. 

Исторический факт: 

В 1505 году великий Леонардо да Винчи писал: «… когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях». 

Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. Для этого крылу с помощью двигательной установки сообщают горизонтальную скорость, благодаря которой крыло и воздух начнут взаимодействовать с образованием подъёмной силы. 

Тем не менее, величина подъёмной силы зависит не только от взаимодействия между крылом и воздухом. Она также зависит от угла, под которым воздух дует на крыло. Этот угол называется углом атаки и чем он больше, тем больше подъёмная сила. Однако, если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то помимо подъёмной силы, старающейся поднять пластину, возникает сила сопротивления, пытающаяся «сдуть» её назад. 

Рис. 1 Подъемная сила


Получается, что чем больше угол атаки, тем больше и подъёмная сила, и сила сопротивления. Так каким же должен быть угол атаки, чтобы эти силы находились в эффективном балансе? Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше, то подъёмной силы будет недостаточно для совершения полёта, а если больше, то сопротивление будет настолько большим, что крыло будет выполнять роль паруса. 

Также большое значение для величины подъёмной силы имеет форма крыла. Ещё очень давно люди заметили, что у птиц крылья не плоские, а в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Почему же так происходит? Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Однако, согласно закону Бернулли давление газа, протекающего по поверхности, выше там, где скорость его движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Следовательно, давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним, что и влечет появление подъёмной силы. 

Рис. 2 Подъемная сила


Вывод: 

Подъёмная сила – это сила, возникающая при перемещении несущей поверхности относительно воздуха и направленная на преодоление силы притяжения, а также зависящая от формы крыла и его угла атаки. Она является неотъемлемой частью современной авиации, так как без неё ни один авиатранспорт не сможет взлететь, не говоря о совершении авиаперелётов. 

Конденсация 

Конденсация паров — переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. В авиации это физическое явление больше известно, как конденсационный след или эффект Прандтля-Глоерта. 

Рис. 3 Конденсация


Эффект Прандтля – Глоерта — явление, заключающееся в конденсации атмосферной влаги позади объекта, движущегося на околозвуковых скоростях. Чаще всего наблюдается у самолётов. Эффект назван в честь немецкого физика Людвига Прандтля и английского физика Германна Глоерта. Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает «звуковой барьер». На самом деле, проявление этого эффекта зависит не только от скорости самолёта, но и от температуры и влажности воздуха. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при скоростях, близких к скорости звука. В условиях очень высокой влажности эффект можно наблюдать и на намного более низких скоростях. 

Сама конденсация происходит только при условии, что количество водяного пара превышает то количество, которое необходимо для насыщения. Эти условия определяются точкой росы – температурой, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, достигает насыщения при данной удельной влажности и постоянном давлении. Степень насыщения характеризуется относительной влажностью – процентным отношением количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству, которое требуется для насыщения. Кроме этих условий, необходимо еще и наличие центров конденсации. 

Интересный факт: 

При температуре до −30... −40 °C водяной пар при конденсации переходит в жидкую фазу, при температуре ниже −30... −40 °C водяной пар превращается сразу в ледяные кристаллы, минуя жидкую фазу. 

Существуют две основные причины возникновения условий для конденсации и появления следа. Первая — повышение влажности воздуха, когда к атмосферному водяному пару добавляется водяной пар, содержащийся в отработанных газах авиационного двигателя в результате сгорания топлива. Это повышает точку росы в ограниченном объеме воздуха, за двигателями. Если точка росы становится выше температуры окружающего воздуха, то по мере остывания отработанных газов избыточный водяной пар конденсируется. Количество водяного пара, выбрасываемого двигателем, зависит от его мощности и режима работы. Вторая причина — понижение температуры воздуха в результате падения его давления над крылом и внутри вихрей, возникающих при обтекании различных частей самолета. Наиболее интенсивные вихри образуются на краях крыла и выпущенных закрылков. Если при этом температура опускается ниже точки росы — избыток атмосферного водяного пара конденсируется в области над крылом и внутри вихрей. Степень понижения давления и температуры зависят от таких параметров, как масса летательного аппарата, коэффициент подъемной силы, величина индуктивного сопротивления и др. Часто наблюдаются следы, образованные в результате комбинации этих двух причин. Образованию конденсационного следа также способствуют центры конденсации в виде частиц не сгоревшего или не полностью сгоревшего топлива. 

Таким образом, возможность появления, вид, и время существования конденсационного следа зависят от влажности и температуры атмосферного воздуха. При низкой влажности и относительно высокой температуре след может отсутствовать вовсе, так как при таких условиях водяной пар не достигает состояния перенасыщения. Чем выше влажность и ниже температура, тем больше водяного пара конденсируется, и тем медленнее происходит испарение, следовательно — след насыщеннее и длиннее. А при относительной влажности, близкой к 100% и низкой температуре, конденсируется наибольшее количество водяного пара, а поскольку высокая влажность препятствует испарению частиц следа, то это влечет образование конденсационных следов, которые могут существовать в течении большого отрезка времени, нередко превращаясь в перистые или перисто-кучевые облака. 

Вывод: 

В современной авиации явление конденсации является едва ли не самым распространённым, потому что большинство самолётов совершают полёты на скоростях, близких к сверхзвуковым. Единственное, что требуется для появления конденсационного следа – это подходящие погодные и климатические условия. 

Кристаллизация 

Кристаллизация — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара.

В авиации явление кристаллизации наиболее ярко представлено таким процессом, как обледенение. Обледенение - отложение льда на обтекаемых частях самолета, силовых установках и внешних деталях его специального оборудования при полете в воздухе, содержащем переохлажденные капли воды. 

Всего существует 3 вида обледенения: 

Первый тип — это так называемое сублимационное обледенение. В этом случае происходит превращения водяных паров в лёд на поверхности обшивки летательного аппарата, минуя жидкую фазу. Обычно это происходит, когда воздушные массы, насыщенные влагой, контактируют с сильно охлажденными поверхностями. Это, например, возможно, если на поверхности уже имеется лед, либо, если самолет быстро теряет высоту, перемещаясь из более холодных верхних слоев атмосферы в более нагретые нижние, сохраняя тем самым низкую температуру обшивки. Образовавшиеся в этом случае кристаллы льда непрочно держатся на поверхности и быстро сдуваются набегающим потоком. 

Второй тип — так называемое сухое обледенение. Это оседание уже готового льда, снега или града при пролете самолета через кристаллические облака, которые охлаждены настолько, что влага в них содержится в замороженном или кристаллическом виде. Такой лед обычно на поверхности не удерживается, а сразу сдувается и не приносит вреда. 

Третий тип — обледенение, при котором капли воды замерзают непосредственно на обшивке летательного аппарата. Этот вид наиболее часто встречается, и, сам по себе, наиболее опасен для эксплуатации летательных аппаратов. 

Рис. 4 Кристаллизация


Однако, для того, чтобы вода все-таки замерзла, то есть кристаллизовалась, кроме необходимой температуры нужна дополнительная энергия для формирования центров кристаллизации. Эта энергия берется за счет дополнительного охлаждения воды, иначе говоря ее переохлаждения. То есть вода уже становится переохлажденной с температурой ощутимо ниже нуля. Теперь образование центров кристаллизации и, в конечном итоге, превращение ее в лед, может произойти либо самопроизвольно, либо при наличии в воде примесей, либо при каком-нибудь внешнем воздействии, например, сотрясении.

Вывод: 

Несмотря на огромный скачок в развитии авиации явление кристаллизации, а именно обледенение, все ещё представляет опасность для самолётов, ведь зачастую лёд может образовываться на механизмах, поломка которых может привести к крушению самолёта.