Подъёмная сила. Принцип Бернулли

Подъёмная сила. Птицы и самолеты держатся в воздухе, повинуясь одним и тем же законам природы. Секрет заключается в форме их крыльев, которые при движении способствуют возникновению подъемной силы, особым образом воздействуя на молекулы воздуха. Однако подъемная сила должна быть приложена точно к центру тяжести тела. Именно поэтому крылья самолетов и птиц располагаются в их центре тяжести.

Подъемная сила создается благодаря давлению воздуха — тому самому давлению, которое наделяет атмосферу такой мощью. Хотя слой атмосферного воздуха, окружающего Землю, давит на все предметы, величина давления может в разных местах быть различной, в зависимости от погоды.

Кроме того, давление на уровне моря сильнее, а с высотой постепенно уменьшается, пока атмосфера совершенно не иссякает и не начинается космос. Высокое давление означает, что молекулы воздуха теснее прижаты друг к другу; при низком давлении молекулы располагаются дальше друг от друга. Возможность изменения давления воздуха — важнейшее условие возникновения подъемной силы.

Когда птица летит, ее крылья разрезают воздух на два слоя. Верхний слой при этом изгибается из-за выгнутой формы крыла

При полете птицы (или самолета) крылья разрезают воздух на два слоя — один располагается над крыльями, а другой под ними. Оба слоя состоят из одинакового количества молекул. Однако если крыло имеет выгнутую верхнюю поверхность, молекулам верхнего слоя приходится двигаться быстрее тех, что расположены под крылом. Поэтому слой воздуха над крылом оказывается более разреженным, и его молекулы увеличивают свою скорость, чтобы после прохождения задней кромки крыла восстановить свое положение по отношению к нижним молекулам.

Согласно принципу Бернулли, более быстрые и разреженные молекулы, движущиеся над крылом, давят вниз с меньшей силой, чем давят вверх нижние молекулы, которые движутся медленнее и теснее прижаты друг к другу. Возникает разница в давлении над и под крылом. Пониженное давление над крылом порождает эффект всасывания (как в пылесосе). Повышенное давление под крылом толкает его вверх. Действуя сообща, эти силы поднимают птицу или самолет. Правда, из-за того, что крыло расталкивает молекулы воздуха, полет сопровождается также сопротивлением воздуха.

Подъемная сила, создаваемая крыльями, возникает из-за разницы давления воздуха над и под ними

Разницу в давлении над и под крыльями и соответствующую подъемную силу можно увеличить, слегка приподняв переднюю кромку крыла. Молекулы воздуха, ударяясь в приподнятую нижнюю поверхность, обеспечивают дополнительное давление снизу.

Такой наклон крыла называется углом атаки. Чем больше угол атаки, тем больше подъемная сила. Но возрастает также и сопротивление. С увеличением угла атаки все большее число молекул ударяется о нижнюю поверхность крыла, увеличивая сопротивление, так что результирующая сила в большей мере давит назад, чем вверх.

Кроме того, при достижении некоторого угла атаки (примерно в 15 градусов) течение воздуха, огибающего изогнутое крыло сверху, перестает быть плавным и распадается на вихри. В этот момент создание подъемной силы прекращается, а крыло превращается в тормоз. Такое увеличение сопротивления бывает полезным для торможения перед приземлением.

Подъемная сила, таким образом, целиком создается при помощи управления потоком воздуха вокруг крыльев. Любую изогнутую для управления потоком воздуха поверхность называют также несущей поверхностью. У самолетов изогнутая форма несущих поверхностей обеспечивается каркасом, спрятанным под обшивкой. У птиц форму несущим поверхностям придают перья. Каждое перо имеет гибкий, но прочный полый стержень, на котором крепится "цепляющее" воздух опахало. Птицы могут свободно двигать своими крыльями, регулируя их форму и меняя угол атаки. У самолета крылья более или менее фиксированные. Поэтому птицы гораздо искуснее управляют потоком воздуха, чем большинство самолетов.

Создаваемую крыльями подъемную силу можно увеличить, слегка приподняв передний край крыльев, образуя угол атаки. Это позволяет воздуху создавать дополнительную подъемную силу посредством давления на нижнюю поверхность крыльев

Величина подъемной силы напрямую зависит также и от скорости, с которой воздух обтекает крылья. Чем быстрее летит птица или самолет, тем больше подъемная сила. Когда птица или самолет неподвижно находятся на земле, достижение необходимой для взлета скорости требует огромной энергии. Вот почему самолету перед взлетом требуется долгий разбег с работающими на полную мощность двигателями.

Некоторые птицы, вроде гусей и фламинго, тоже долго разгоняются по поверхности воды, прежде чем смогут подняться в воздух. А с твердой поверхности некоторые водные птицы, например, олуши, вообще не могут взлететь, потому что у них слишком слабые для разбега ноги. Зато маленькие птицы, масса которых незначительна по сравнению с подъемной силой крыльев, способны взлетать с ветки практически мгновенно — им достаточно лишь начать движение вперед.

Если передний край крыльев поднят слишком высоко, создание подъемной силы прекращается, так как поток воздуха, обтекающий крылья сверху, распадается на вихри. Кроме того, воздух, давящий на нижнюю поверхность крыльев, образует силу, направленную назад (сопротивление), а не вверх. И крылья начинают тормозить движение.