Многие считают, что у профиля крыла - такой вытянутой капли закругленным концом вперед - имеется привилегия по созданию подъемной силы. И что есть розовые единороги (профиль крыла), которые с помощью какой-то там матери магии летают, а есть весь остальной серый земной мир, который подъемной силы не создает, или создает, но крайне мало.
В первой части поста мы немного поговорим про подъемную силу вообще (по принципу "ей-богу так!"), а во второй части посмотрим уже на конкретные цифры в некоторых случаях. Там вы сможете проверить свою интуицию и угадать, как много подъемной силы создается в том или ином случае.
Предисловие. Есть такое старое видео с летающими машинами, но летающими не так, как сейчас - крылья/винты там и вот это вот все - а по старинке: только угол атаки, только хардкор.
Что случилось на видео? По каким-то причинам нос машины приподнялся, и случилась классика в аэродинамике - "относительно плоский" предмет под углом к потоку. Со всеми вытекающими последствиями в виде подъемной силы. Но давайте по порядку.
Создание подъемной силы крылом. Начнем с азов - почему крыло создает подъемную силу. Короткий ответ - потому, что оно несимметрично расталкивает воздух. Примерно так:
Т.к. крыло прикладывает силу к воздуху, изменяя его траекторию, воздух в ответку прикладывает силу к крылу. И если картинка обтекания несимметрична (верх/низ), то скорее всего на тело действует сколько-то подъемной силы.
Из этого нехитрого рассуждения можно сделать простой вывод: почти всё создает подъемную силу. Чтобы тело не создавало подъемной силы, нужно специально постараться: либо надо взять симметричное тело и поставить его параллельно потоку:
либо, если тело несимметрично, надо найти специальный угол обдува (на авиационном языке угол атаки), при котором подъемная сила оказывается равна нулю:
Вот возьмем простой советский чайник. Если его обдувать, скажем, справа, будет он создавать подъемную силу? Да, будет, он же несимметричен (если только ему случайно не повезло. Но тогда можно чуть изменить угол атаки...). Она может быть большой или маленькой, она может быть направлена вверх или вниз, но она будет.
От чего зависит подъемная сила. Вы скажете, ну ладно, будет у чайника подъемная сила, но она будет крохотной. Это не считается. И тут нужно сказать две вещи.
Первое. Единственный надежный способ узнать подъемную силу чайника - это продуть его в аэродинамической трубе. К сожалению, почему-то ученые предпочитают тратить дорогое время в трубе на авиационные профили и иногда на машины, но никак не на чайники. Поэтому мы тут, боюсь, без данных.
(Лирическое отступление: машины, как и любой другой предмет, движущийся сквозь воздух, изменяют его траекторию, а значит, получают свою порцию подъемной силы. Мне в интернетах встретилось число 400 фунтов (180кг) - именно столько подъемной силы создавала Порше 911 турбо на скорости 150 миль в час (240 км/ч), пока на нее не установили спойлеры, которые сократили подъемную силу на 90%.)
Второе. Несмотря на отсутствие экспериментальных данных, иногда можно "на глаз" определить, создает ли что-то подъемную силу. Эмпирическое правило выглядит примерно так, хотя есть некоторое количество исключений:
Если что-то более-менее плоское поставить под разумным углом атаки к потоку на большой скорости, то оно будет создавать дохрена подъемной силы.
Не сомневаюсь, что вы были поражены строгостью сего высказывания и точностью таких терминов, как "более-менее плоское", "дохрена" итд. Но на то оно и эмпирическое правило. Оно нам еще пригодится во второй части, где мы посмотрим на конкретные цифры, а пока давайте определимся, что относится к "более-менее плоским" предметам. Вкратце - если вы что-то смогли поставить под углом атаки, то оно "более-менее плоское". Вот шар нельзя поставить под углом к потоку, а почти все остальное - можно.
Начнем с предметов, про которые точно известно, что они создают дохрена подъемной силы:
В данном случае пластинка и крыло поставлены под большими углами атаки, где-то 40 и 60 наверно. Несмотря на тотальный срыв потока за данными предметами, они продолжают создавать дофига подъемной силы, хотя казалось бы, этот хаос на картинке не имеет ничего общего с плавным обтеканием крыла на картинках выше. Откуда подъемная сила?
Воздух, расступаясь перед оными предметами, создает зону повышенного давления, которое выталкивает предмет вверх. А что происходит за предметом, ему уже как-то пофиг. Много этой подъемной силы создается или мало? Эксперимент показывает, что величина подъемной силы зависит в первую очередь от скорости, и при стандартных скоростях полета данные предметы создают достаточно подъемной силы, чтобы компенсировать вес самолета.
И теперь вас уже не должен удивлять факт создания подъемной силы фюзеляжем при полете на ноже - наоборот, было бы странно, если бы он этого не делал. В конце концов, у него форма профиля крыла.
Хотя между крылом и фюзеляжем есть одно большое отличие - величина т.н. удлинения. Это вносит свои коррективы, но пост не об этом.
А вот еще одно эээ... чудо инженерной мысли, создающее подъемную силу фюзеляжем:
Но эээ.. стоп, у него же лапки крылья, скажете вы. Да, и они вносят свой вклад, но когда у этого чуда померяли подъемную силу в зависимости от угла атаки, оказалось, что крылья уже давно свалены, а подъемная сила все росла... и росла... и росла...
А вот крыло, поставленное задом наперед, т.е. острым концом вперед к потоку. И что бы вы думали... (на величину подъемной силы, производимой таким образом, посмотрим в следующей части)
Как вы видели в видео с гоночной машиной, машины тоже те еще любители полетать, причем не только с задранным носом, но и с задранным боком и, простите, задом (погуглите видео NASCAR Blowover Compilation, но там немного жесть)
Перейдем к предметам, которые, к сожалению, никогда не продували в аэродинамических трубах, но которые просто обязаны создавать подъемную силу, по тем же причинам, как и предметы выше.
Ступа Бабы-Яги. Вопрос исключительно скорости и угла атаки.
Метла Гарри Поттера. Опять же, была бы скорость... Это еще один пример объекта с очень маленьким удлинением - как у фюзеляжей, только еще хуже. И скорее всего метле понадобится дохера угла атаки, чтобы летать (гораздо больше, чем на картинке).
Заключение. Конечно, никакой речи о реальных летающих метлах и чайниках не идет: чтобы на чем-то можно было летать, одной подъемной силы мало: нужна балансировка, управляемость, хорошее поведение возле критических режимов полета и возможность из них выйти, прочность конструкции, а так же достаточно мощный двигатель, чтобы, как в анекдоте про бассейн на борту, "со всем этим взлететь".
Как раз таки вопрос подъемной силы среди этого списка самый легкий - поставь картонку под 45 градусов, вот вам уже дохрена подъемной силы. Заслуга крыла не в том, что оно что-то там создает, а в том, чего оно не создает - по сравнению с чайниками, ступами и пластинками под 45 градусов, крыло почти не создает сопротивления.
Именно поэтому все, что торчит в поток в самолете, по возможности имеет каплевидную форму: крылья и стабилизаторы, лопасти винтов и роторов, фюзеляжи и даже вот эти каплевидные штуки на колесах: чем меньше сопротивление, тем меньше мощности двигателя нужно тратить на его преодоление, и тем быстрее можно лететь.
Ну а в следующей части мы посмотрим на конкретные цифры. К сожалению, метлы и чайники не продувают в аэродинамических трубах, но кое-что интересное мне все же удалось найти -сколько подъемной силы и сопротивления создается крылом на всех углах атаки от 0 до 180 (в том числе перпендикулярно потоку, задом наперед итд). Этих данных нам с головой хватит, чтобы увидеть, насколько мы недооцениваем способность предметов создавать подъемную силу.Не расходитесь! :)
