Теперь Кью работает в режиме чтения

Мы сохранили весь контент, но добавить что-то новое уже нельзя

Если самолет взлетает от потока воздуха на крыло, то сможет ли он взлететь с беговой дорожки при следующих условиях?

Если напротив него стоит вентилятор, а скорость дорожки и вентилятора равна скорости шасси.

ФизикаСамолётыАэродинамика
Анонимный вопрос
  · 5,3 K
Пилот. Хоккеист. Блоггер. Подкастер. В свободное время работаю тестировщиком.  · 13 авг 2019  · yandex.ru/q/loves/mamayaletal

Ответ дополнен и переписан, потому что теперь я знаю по этой теме больше.

Короткий ответ: даже если он сможет взлететь, то он не сможет лететь в привычном понимании этого слова.

Однако, давайте по порядку.

Прежде всего возникает только один вопрос: а для чего в этом примере беговая дорожка? Чтобы колеса раскручивать? Беговую дорожку из вопроса безжалостно выбрасываем и больше не обсуждаем.

Самолёт действительно взлетает за счёт подъёмной силы, возникающей на его крыле специальной формы в набегающем потоке воздуха. Когда самолёт разгоняется по взлетно-посадочной полосе, он перемещается относительно воздуха; давление над движущимся крылом становится меньше, чем давление под ним, и эта разница давлений увлекает крыло вверх. Колёса самолёту нужны исключительно для того, чтобы он мог катиться и разгоняться для взлёта. В процессе взлёта они не участвуют. Некоторые самолёты вообще взлетают с воды или со снега на лыжах. Не важно, на чём ты будешь разгонять машину - главное обеспечить подъёмную силу.

Если взять неподвижный самолёт (или даже его крыло отдельно) и поместить в набегающий поток воздуха, то эффект будет точно такой же. Соответственно, если поток воздуха будет достаточным, самолёт (или крыло как отдельная часть) в теории может удерживаться в воздухе за счёт подъёмной силы. И вобщем случае не важно, за счёт чего возникает набегающий поток на крыло - за счёт движения самолёта в воздухе или за счёт воздуха нагнетаемого на крыло огромным вентилятором - физика говорит, что разницы нет.

По этому принципу работают аэродинамические стенды: модель самолёта или сам самолёт помещается в трубу, куда нагнетается поток воздуха, и делаются замеры подъёмной силы, исследуются прочность конструкции, стабильность "полёта" и другие базовые аэродинамические характеристики судна. Конечно, это не заменит настоящего полёта, но на начальных этапах этого достаточно. Колеса, как вы понимаете, раскручивать не нужно.

Однако, есть огромная разница между аэродинамической трубой и реальным полётом. Дело в том, что в трубе самолёт закреплён, и сейчас я покажу, почему это важно.

На самолёт в полёте действует четыре силы: вес самолёта тянет его вниз, подъёмная сила тянет его вверх, тяга двигателя тянет его вперёд, а сопростивление воздуха, соответственно, назад. Самолёт летит прямолинейно и с постоянной скоростью, если вес самолёта уравновешен подъёмной силой, а сопротивление (трение) воздуха скомпенсировано тягой двигателя.

image.png

И самое важное, все эти силы зависисмы. Если тяги двигателя будет недостаточно, то самолёт начнёт замедляться за счёт сопротивления воздуха; если скорость начнёт падать, то подъёмная сила не сможет уравновешивать вес самолёта и он начнёт снижаться.

В аэродинамической трубе сопротивление воздуха в набегающем потоке уравновешивается силой реакции опор и подвесов, на которых самолёт закреплён; в итоге на крыле возникает подъёмная сила, которую (кроме прочего) можно на этом стенде измерить. Самолёт технически неподвижен, но закон Бернулли неумолимо тянет самолёт вверх. Смысл имеет не скорость самолёта относительно нас, трубы или земли (ground sppeed), а скорость крыла относительно воздуха (air speed). В общем случае это разные скорости, о чём обязательно нужно помнить в полёте и учитывать ветер, например.

Если же теперь вернуться к заданному вопросу и представить самолёт, который стоит на земле (мы уже сошлись на том, что никакая бегущая лента под колёсами нам не нужна) в набегающем воздушном потоке от гипотетического большого вентилятора, то проще разбить процесс на две фазы - "самолёт на земле" и "самолёт оторвался от земли".

Пока самолёт на земле, мы можем использовать тормоза, чтобы исключить его откатывание; так что сила трения в тормозных колодках и сила трения между асфальтом и колесом скомпенсируют сопротивление воздуха. Если теперь скорость потока увеличивать, то в определённый момент подёмная сила на крыле станет больше веса самолёта, и машина, ожидаемо, поднимется в воздух. Казалось бы - успех.

Однако тут мы мгновенно переходим во вторую фазу, где самолёт больше не контактирует с поверхностью земли. Сила трения резко становится равной нулю, тогда как сопротивление воздуха никуда не делось. При этом, по условию задачи, тяги двигателя тоже нет, а значит сопротивление воздуха ничем не скомпенсировано. Первый закон Ньютона говорит, что самолёт получит ускорение, направленное назад. Если предположить, что наш вентилятор обеспечивает постоянную скорость воздушного потока вне зависимости от расстояния до него, то в определённый момент за счёт ускорения "назад" самолёт наберёт такую скорость, что результирующая скорость набегающего потока станет недостаточной для обеспечения необходимой подъёмной силы - самолёт упадёт обратно на землю.

Итак, полноценно взлететь таким образом практически невозможно. Даже если представить, что собрана установка, которая где-то в аэропорту поднимает в воздух самолёт набегающим потоком, и самолёт не сваливается, а аккуратно поднимается в воздух (что уже сложно само по себе), дальше ему нужно будет куда-то лететь, что невозможно по описанным выше причинам.

В нашей идеальной модели самолёт будет подпрыгивать, постоянно смещаясь назад, прочь от вентиятора.

В реальном мире, где указанные выше две фазы неразделимы, самолёт просто будет сдувать назад, пока скорость потока от вентилятора не упадёт с растоянием, а произойдёт это довольно быстро.

Давайте также, для полноты примера, рассмотрим вариант, когда самолёт неподвижен, но двигатель работает. Теоретически, если повышать обороты двигателя вместе с увеличением скорости воздуха с вентилятора, можно подобрать такое сочетание, что в момент отрыва самолёта от земли сопротивление воздуха будет скомпенсировано тягой двигателя и мы получим стабильное состояние самолёта, как на картинке выше. Даже если отбросить тот факт, что на деле добиться такого эффекта будет чрезвычайно сложно, то это будет справедливо ровно до тех пор, пока самолёт находится внутри воздушного потока от вентилятора.

Пока самолёт находится в потоке воздуха от вентилятора, выполнены условия для его полёта: скорость достаточна для возникновения необходимой подъёмной силы, а трение о воздух компенсируется тягой двигателя. Однако относительно земли и воздуха вне струи самолёт остаётся неподвижным.

Теперь, чтобы куда-то полететь, самолёту нужно будет покинуть эту самую струю воздуха - иначе теряется сам смысл этого очень синтетического взлёта. Но как только самолёт покидает струю, его скорость относительно воздуха резко становится равной нулю; подъёмная сила, сответственно, тоже. Самолёт падает, потому что по причине собственной инертности (ненулевой массы) он не сможет мгновенно набрать необходимой для полёта воздушной скорости.

Есть кстати много разных видео, как легкие самолеты взлетают с места против ветра. Или садятся на нулевой... Читать дальше