Естественно, ветер давит и на крыло самолета, который мчится вперед, рассекая воздух. Обычно самолеты стараются для усиления воздействия взлетать по возможности против доминирующего ветра. Тут есть некоторая тонкость. Согласно закону Бернулли, сила засасывания зависит от формы поверхности, вдоль которой дует ветер. Криволинейную верхнюю поверхность крыла воздух обтекает быстрее, чем более плоскую нижнюю поверхность. Вспомните поучительный пример занавески в душе. Ветер, в точности как занавеска, подсасывается вверх из-за более низкого давления на верхнюю поверхность крыла.
Объяснить, почему выгнутая верхняя поверхность крыла заставляет воздух двигаться быстрее, задача довольно сложная. Обычно говорят, что две молекулы воздуха, одновременно отправившиеся в путь от передней кромки крыла к задней, одна по верхней поверхности крыла, а другая по нижней, должны по какой-то загадочной причине достигнуть задней кромки одновременно. Иначе говоря, те молекулы, которые следуют по криволинейной верхней поверхности крыла, должны пройти более длинный путь, поэтому, как считается, им приходится двигаться быстрее. Но это не так. На самом деле молекулы вовсе не окажутся у задней кромки крыла одновременно. И не должны, собственно. Тем не менее молекулы воздуха действительно обтекают изогнутую верхнюю поверхность крыла, вместо того чтобы отлетать по касательной, и действительно движутся по криволинейной верхней поверхности быстрее, чем по более плоской нижней, так что эффект Бернулли и в самом деле обеспечивает некоторое количество подъемной силы как следствие.
САМОЛЕТ В РЕЖИМЕ СВАЛИВАНИЯ
Рисунок турбулентности вокруг самолета в режиме сваливания.
При всем при том вклад закона Бернулли в подъемную силу в обычных условиях не так важен, как первый из упомянутых эффектов – эффект плоской доски, он же ньютоновский. Если бы бернуллиевская подъемная сила была больше ньютоновской, самолеты не могли бы летать вверх ногами. А они могут – по крайней мере, небольшие.
Выше я описал, как молекулы воздуха обтекают искривленную верхнюю поверхность крыла и не отлетают по касательной. Но это верно лишь отчасти. Если угол набегающего потока слишком велик, то есть крыло наклонено вверх слишком резко, обтекание нарушается, молекулы воздуха перестают плавно огибать крыло и отрываются от него, и возникают жуткие турбулентные вихри. Давление Бернулли исчезает, и воздушное судно внезапно теряет подъемную силу и, как говорят специалисты, впадает в режим сваливания. Режим сваливания – это очень опасно, и пилот должен принять меры, чтобы снова набрать подъемную силу, то есть уменьшить угол набегающего потока (обычно для этого нужно немного наклонить нос вниз) и тем самым восстановить плавное обтекание воздухом верхней части крыла.
Я упомянул угол набегающего потока, это угол наклона крыла относительно направления воздушного потока. Не путайте это с наклоном (тангажем) самолета относительно поперечной оси, то есть относительно земли. Когда самолет взлетает, наклон очень крут, и поэтому, если вы нарушите правила и оставите на столике стакан с питьем, оно, вероятно, прольется. В этом случае велик и угол набегающего потока. Но так бывает не всегда. У истребителя, взлетающего почти вертикально, большой наклон, но маленький угол набегающего потока, поскольку ветер, дующий на крыло, направлен почти вертикально вниз.
Говорят, что воздушное судно наклоняется, когда угол его наклона относительно земли растет или уменьшается. А когда одно крыло идет вверх, а другое – вниз, говорят, что самолет кренится. Пилоты контролируют крен при помощи элеронов на задней кромке крыла, которые можно поднимать и опускать, а наклон – при помощи таких же горизонтальных поднимающихся и опускающихся плоскостей на хвосте. Добавлю, что самолет рыскает, когда водит носом влево или вправо. Рыскание пилоты контролируют при помощи вертикального руля сзади хвоста. Летающие животные тоже наклоняются, кренятся и рыскают.
Пока что речь у нас шла в основном о самолетах с фиксированными крыльями, поскольку их теоретическая основа проще. Братья Райт и другие первые авиастроители применяли систему для “крутки” крыла – сложный механизм из тросов и блоков, при помощи которого можно было менять форму каждого крыла в отдельности и тем самым рулить летательным аппаратом. Сегодня на смену пришли подвижные элероны. Если говорить о крыле птицы, теоретические расчеты, позволяющие понять, как оно набирает подъемную силу и толкает птицу вперед, оказываются сложнее, чем для самолетов с фиксированным крылом. Птицы не просто машут крыльями: их крылья постоянно меняют форму, чутко реагируя на обстоятельства. Сочетание взмахов и изменений формы делают математику птичьего полета такой сложной, что разобрать ее здесь во всех подробностях практически невозможно. Однако можно утверждать, что у птичьих крыльев те же способы набрать подъемную силу, что и у крыльев самолета, ньютоновский и бернуллиевский, но их взаимодействие сложнее. Пока же поговорим о проблеме сваливания, которая актуальна не только для самолетов, но и для птиц.
Воздушное судно для снижения риска сваливания прибегает к хитроумным устройствам, в числе которых предкрылки. Это маленькие дополнительные крылья, хитроумно пристроенные перед основным крылом таким образом, чтобы оставались промежутки – щели. Сквозь них предкрылки перенаправляют на верхнюю поверхность основного крыла дополнительный воздух. Это позволяет отодвинуть критическую точку, на которой начинается турбулентность, сместить ее назад по верхней поверхности крыла, а следовательно, избежать сваливания. Кроме того, благодаря предкрылкам сваливание начинается при большем угле набегающего потока. При нормальном полете предкрылки обычно аккуратно сложены и убраны. Пилоты приводят их в действие во время взлета и посадки, когда угол набегающего потока велик, а скорость самолета мала. У современных авиалайнеров иногда изящно отогнут кончик крыла. Это снижает и турбулентность, и лобовое сопротивление воздуха, и некоторые птицы тоже отгибают кончики крыльев.
И САМОЛЕТЫ, И ПТИЦЫ ИМЕЮТ ДЕЛО С ОДНИМИ И ТЕМИ ЖЕ ЗАКОНАМИ ФИЗИКИ
И находят для одних и тех же задач похожие, но все же разные решения.
От сваливания страдают не только самолеты. Птицы – живые воздушные судна, и они тоже ему подвержены. Есть ли у них предкрылки, как у самолетов? В некотором роде. У многих парящих птиц образуются заметные зазоры между перьями на кончиках крыльев, и они, похоже, играют ту же роль. Элегантный пример – крылья грифов и орлов. Их огромные маховые перья первого порядка на внешней кромке крыла растопыриваются, словно лопасти вентилятора, и образуют большие промежутки. Поскольку перья очень велики, каждое из них играет роль миниатюрного крыла или предкрылка. Особенно это важно для тех птиц, которые поднимаются по спирали внутри термика, птице нужно описывать небольшие круги, чтобы случайно не вылететь из термика. Поэтому внешнее крыло движется быстрее внутреннего, которое таким образом дает меньше подъемной силы и рискует сваливанием. Здесь необычайно полезны растопыренные перья на конце крыла, которые служат предкрылками для того крыла, которое находится ближе к центру термика.
Когда инженеры совершенствуют крылья самолетов, они часто испытывают свои проекты (обычно миниатюрные модели) в аэродинамической трубе. Вместо того чтобы разгонять модель до большой скорости в воздухе, они направляют на неподвижный самолет или крыло сильный встречный ветер. Иногда к крылу прикрепляют ленточки, чтобы видеть, что происходит, в частности – что делается с турбулентностью, когда меняешь разные параметры (форму крыла или угол набегающего потока). Когда модель крыла начинает сваливаться, ленточки поднимаются вверх, совсем как перья на задней кромке крыла белой цапли при сваливании.
УПРАВЛЯЕМОЕ СВАЛИВАНИЕ У ПТИЦ
Птицы не просто подвержены сваливанию: иногда они прибегают к нему нарочно, чтобы удобнее было садиться на землю. Когда крупная птица вроде серой или белой цапли заходит на посадку, у нее поднимаются перья на задней части крыльев – последствия турбулентности при сваливании.
Испытания в аэродинамической трубе – более легкий способ усовершенствовать проект, чем математические расчеты, которые в случае турбулентности становятся неподъемно сложными. И это, безусловно, более безопасный и дешевый способ, чем строить и испытывать несколько прототипов самолетов с разной формой крыла.
ОРНИТОПТЕР – ИЗОБРЕТЕНИЕ ЛЕОНАРДО
Он мог бы работать как дельтаплан, но махать крыльями при помощи мускульной силы человека было бы бессмысленно.
Разумеется, птичьи крылья усовершенствовались методом проб и ошибок в реальной жизни, причем ошибки в реальной жизни обходятся гораздо дороже, чем в аэродинамической трубе. Они могут привести к внезапной гибели или к сокращению продолжительности жизни и снижению шансов оставить потомство.
Леонардо да Винчи разработал летательные аппараты, немного похожие на современные дельтапланы. Кроме того, он проектировал и так называемые орнитоптеры – летательные аппараты с машущими крыльями, которые приводились в движение мускульной силой человека. Ни один из этих орнитоптеров в реальности не мог бы взлететь, хотя различные планеры, которые изобрел Леонардо, вполне дееспособны. Чтобы летать, махая крыльями, нужно больше энергии, чем могут дать человеческие мышцы. Только в конце XX века были получены ультралегкие материалы, способные компенсировать относительную слабость наших мышц. Когда наконец появились летательные аппараты, приводимые в действие человеком, оказалось, что эти машины не машут крыльями и вообще едва удерживаются в воздухе, что неудивительно.
Пожалуй, самый красивый из этих летательных аппаратов – Gossamer Albatross (“Шелковый альбатрос”), который создал гениальный изобретатель Пол Маккриди. Я имел честь побывать у него дома в Калифорнии.
Мистер Маккриди объяснил мне, почему его так увлекает обтекаемость. В частности, он много занимался автомобилями – его очень огорчало, что их проектируют так, чтобы они лишь выглядели обтекаемо на радость будущим покупателям, но на самом деле все иначе. Например, днище автомобиля не делают обтекаемым, возможно, отчасти потому, что его не видно и это не влияет на продажи. Обтекаемость играет важнейшую роль в жизни плавающих и летающих животных. Если вы когда-нибудь видели, как плавают пингвины и дельфины, вероятно, вы позавидовали их скорости. Люди-пловцы, даже выбритые до гладкости олимпийские чемпионы, по сравнению с ними еле шевелятся. Одно легкое движение хвоста – и дельфин мчится вперед, рассекая воду. Мало того что форма тела дельфина суперобтекаемая, у них еще и кожа постоянно обновляется – внешний слой отслаивается, словно перхоть, каждые два часа. Это снижает количество крошечных водоворотов, которые могли бы снижать скорость дельфина.