Откуда берется подъемная сила?

подъемная сила

Эх! Взлететь бы!..

У меня дома есть классный рыжий кот. Он «в меру упитан», как и положено уютному домашнему коту и, хотя при этом носится, как электровеник, обладает не совсем кошачьим свойством: побаивается высоты. Летающим котом по этой причине ему увы не быть, но в воздух иногда подняться видимо хочется, хотя бы для того, чтобы запрыгнуть на сервант. Однако избыточный вес этому, к сожалению, не способствует, потому приходится иногда помогать бедному животному, 🙂 то есть поднимать его руками и сажать туда, куда так рвется его душа.

Ну и чего же общего, спросите вы, имеют кот и самолет? Да, вобщем, ничего, за исключением одной очень важной вещи. Они оба имеют вес, который тянет их к земле. И, чтобы подняться кому на сервант, а кому повыше, нужна сила, которая этот вес преодолеет. Для моего семикилограмового кота – это сила моих рук, а вот для многотонной «железной птицы» это всем известная подъемная сила. Откуда же она берется? Все, вобщем, достаточно несложно :-)…

Начнем с «простого начала» :-). Главную роль в этом  деле играет крыло самолета (именно крыло, состоящее из двух консолей, а не крылья, в продолжение моей другой статьи). Для простоты рассмотрим классический аэродинамический профиль крыла.

подъемная сила

Аэродинамическая подъемная сила

Воздух, обтекая крыло самолета, разделяется на два потока: над крылом и под ним. Нижний поток протекает себе как ни в чем не бывало, а верхний сужается. Ведь профиль крыла выпуклый сверху! И теперь для того, чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время, как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее, ведь сам поток  стал уже. Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот. Этот закон очень просто иллюстрируется. Если взять не слишком узкий  горизонтальный  шланг (рукав) из тонкой прозрачной резины и влить в него воды под небольшим давлением. Что вы увидите? Да ничего особенного, вода просто быстро выльется через другой конец. А вот если на этом другом конце окажется наполовину закрытый кран, то вы сразу увидите, что вода выливается, но медленно и стенки рукава раздулись, то есть скорость потока уменьшилась  и давление возросло.

Итак… При движении в воздушном потоке над крылом давление меньше, чем под ним. Из-за этой разницы возникает подъемная сила. Она выталкивает крыло самолета и, соответственно, сам самолет вверх. Чем скорость выше, тем подъемная сила больше. А если она равна весу, то самолет летит горизонтально. Ну а  скорость зависит от работы двигателя самолета. Между прочим, падение давления над верхней частью крыла можно увидеть воочию.

подъемная сила

Конденсация водяного пара над верхней поверхностью крыла в результате резкого падения давления

У резко маневрирующего самолета (обычно это бывает на аэрошоу) над верхней поверхностью крыла возникает что-то вроде струй белой пелены. Это из-за быстрого падения давления конденсируется водяной пар, находящийся в воздухе.

Кстати, не могу удержаться, чтобы не вспомнить еще один простейший, но очень точно иллюстрирующий теорию этого вопроса, школьный опыт. Если взять небольшой узкий лист бумаги за его короткую сторону и, поднеся его ко рту, подуть над листком  горизонтально, то провисший было листок сразу резво поднимется. В этом виновата все та же подъемная сила. Мы дуем над листком – поток ускоряется, значит давление в нем падает, а под листком оно осталось прежним. Оно и поднимает листок в горизонтальное положение. Процесс, принципиально похожий на работу профиля.

Ну, вот, вроде бы и все? Можно лететь? Несмотря на вполне логичное приведенное выше объяснение (на мой взгляд :-)), я бы сказал, что вряд ли :-). Надо понимать, что описанный случай носит все-таки частный характер. Ведь профиль может быть и симметричным, тогда не будет такого распределения давления и разрежения над и под ним.

Кроме того такой профиль может располагаться и под углом к потоку (что чаще всего и бывает). И вот этот самый угол, который называется углом атаки будет играть большую роль в образовании подъемной силы крыла, которая и сама будет носить иной характер. Об этом в следующей статье. И это будет «простое продолжение» :-).

На самом-то деле, конечно, полная теория этого вопроса значительно сложнее и одним законом Бернулли, объясненным на пальцах, здесь не обойдешься. Это уже область физики и аэродинамики, ведь и сама подъемная сила в нашем рассмотренном случае случае – это аэродинамическая сила. В скором будущем мы немного коснемся этой области с ее терминами и понятиями, но более глубокое изучение требует, так сказать, общения с фундаментальными науками.

Постскриптум через год.

20.11.12 Исполнился уже почти год моим сайтописательским увлечениям. И, вот, потребовалось внести некоторое пояснение в эту, одну из самых первых моих статей. Похоже, что люди, прочитавшие ее, этим и ограничиваются. Такой подход неверен, потому что вслед за ней надо обязательно прочитать следующую статью этой же рубрики «Угол атаки и аэродинамические силы…..», написанную практически сразу за первой. Статья «с котом»  🙂 — это упрощенный вариант, и об этом я упоминал (здесь угол атаки равен нулю), это что-то типа введения в аэродинамику (тоже, кстати, максимально упрощенную :-)), поэтому и стиль изложения такой вольный :-). Однако, для правильного понимания вопроса она без второй статьи существовать не может.

Я, по тогдашней неопытности несколько невнятно об этом сказал, и, главное, не поставил ссылку на «простое продолжение»… Ставлю сейчас. Прошу прощения у читателей не слишком сведущих (опытные итак все знают без меня :-))… Буду рад видеть вас у себя на сайте :-)…

Фотографии кликабельны.

{lang: 'ru'}

No related posts.

This entry was posted in АЭРОДИНАМИКА. ЭЛЕМЕНТАРНО., МИР АВИАЦИИ, САМОЛЕТ and tagged , . Bookmark the permalink.

36 Комментариев: Откуда берется подъемная сила?

  1. Мамед говорит:

    А как к примеру летит ракета Томагавк,если у нее почти нет крыльев? Только за счет более мощного двигателя создающего подьемную силу или за счет ускорителей придающих ей большую скорость при взлете?

    • Юрий говорит:

      Крылья все-таки есть. На большой скорости их достаточно. А при старте подъемную силу создает вертикальная составляющая тяги ускорителей.

  2. Александр говорит:

    Прочитал статью — Откуда берется подъемная сила? И очень рад что есть человек (а следовательно и не один), который понимает, что подъемная сила действует на крыло снизу, а не тянет за него сверху. А то я смотрю телевизор, слушаю комментарии специалистов и глаза на лоб лезут когда они объясняют, что поток над крылом движется быстрее и поднимает крыло (ну типа возникает подъемная сила). Или они сильно умные и законы элементарной физики у них остаются в уме, а на словах умные фразы остаются, или учились там где простому человеку типа не положено знать истину процесса (чтоб не летал, а спустился на землю), а может дураку сказали и он искренне верит и 3,14здец…. Кажется, что до разницы давлений над и под крылом такие спецы даже не доходили своим умом, а ведь их кто-то учил (может и сам так знал)……..

  3. Виталий говорит:

    А всё-таки аэродинамика и гидродинамика-разные вещи. Газы сжимаются, а жидкости практически нет.

    • Юрий говорит:

      Конечно разные. Однако, в определенных областях применения, например, на дозвуке, когда сжимаемость не учитывается, общие принципы могут быть достаточно идентичны.

  4. влад говорит:

    Что полное давление постоянно это правильно. но чтобы разогнать поток нужен перепад давлений (сил), а классическое объяснение похоже на :»Почему ветер дует? — потому что деревья качаются». По моему причина и следствие в классике поменялись местами. Практически никак не объясняется увеличение ПС с увеличением относительной толщины профиля. Признается как факт и все. Все формулы изобилуют коэффициентами, определяемыми практически для конкретного профиля. Аналогично притянуто объяснение эффекта Магнуса. А по моему все эффекты просто объясняются если принять центробежную модель обтекания. Кстати там есть зависимость м/у радиусом обтекания и толщиной потока как в аэро- так и в гидродинамике. Объяснить можно даже дросселирование, которому в литературе дается ну-очень туманное объяснение.

    • Федор говорит:

      Согласен, нигде не объясняется физическая причина возникновения подъемной силы. Отсылают к теореме Жуковского, хотя это лишь качественная модель, позволяющая как-то считать эту подъемную силу. Но тут проблема в самой аэродинамике, которая опирается на сплошную среду с распределенными параметрами (плотность, вязкость). Подъемная же сила возникает на уровне частиц газа, связанных между собой силами притяжения электромагнитной природы (вязкость). Тут да, полная аналогия с переходным динамическим процессом, возникающем в сужении трубы, по которой движется поток жидкости/газа. Только т.Бернулли все объясняет с очки зрения законов сохранения, т.е. оперирует интегральными (сумовыми/усредненными) характеристиками, а надо спускаться на уровень взаимодействия частиц… Ведь падает статическое давление — т.е. уменьшается степень хаоса!!!! Для распределения скоростей частиц возникает явный тренд в сторону движения потока…

  5. влад говорит:

    Скажите Юрий, а в теории ПС не действует 1-й закон Ньютона? Как-то все наоборот — скорость больше, значит давление (СИЛА !!!) меньше. Но Ньютону «Если на тело не действует сила (или их сумма = 0), то тело находится в покое или сохраняет прямолинейное равномерное (!!!) движение. Т.е. по Ньютону должно быть наоборот — скорость должна изменяться, только если присутствует сила. Кстати закон Бернулли справедлив только в определенном диапазоне отношений сечений. При превышении этого отношения появляется дросселирование.

    • Юрий говорит:

      Теория ПС — очень громко сказано. Все на уровне наипростейших рассуждений для формирования общего понятия «обычных» людей :-). По поводу первого закона… Не вижу противоречий. Скорость не меняется и полное давление, соответственно, постоянно. Есть просто два канала. Один узкий, один широкий. В узком скорость движения (постоянная) больше, в широком (постоянная) меньше. Как известно, полное давление в потоке (канале) принимается постоянным и равно сумме динамического и статического давлений (Бернулли; весовое не учитываем из-за постоянства высоты). Значит, если в узком канале скорость больше, то больше и динамическое давление, то есть статическое меньше для сохранения постоянства полного давления. В широком наоборот. Обтекание профиля (который кстати тоже движется с постоянной скоростью) на элементарных участках его поверхности вполне можно так объяснить (конечно же упрощенно).

  6. Артём говорит:

    Спасибо! В школе меня науки не интересовали вообще не как, а вот в свои 26 лет решил заняться авиамоделизмом и понял что я элементарную физику не знаю! Как говорится -Не кому не рано и не когда не поздно! Ну вообщем спасибо за интересные статьи которые мне очень помогают строить авиамодель самолёта по всем законам «жанра»-физики

    • admin говорит:

      Не за что :-). Классное Вы занятие себе выбрали, успехов Вам, чтобы все получилось. Я вот тоже все хочу плотнее этим заняться (раньше занимался), все со временем проблемы :-).

      • pasha говорит:

        Тоже хочу этим заняться — но для себя выбрал более простое направление — судно на воздушной подушке, затем квадроптер.Но тоже не хватает времени, да и в знаниях имеются пробелы, прежде всего — тяговый расчёт винта.

        • Юрий говорит:

          Главное, что есть возможность :-).. С винтом, к сожалению, не только у вас проблемы… Народ спрашивает… Ищем что-то доступное и вразумительное…

  7. Валери говорит:

    спасибо за статью, нас на аэродинамике так загрузили.. теперь все понятно=)

  8. Анатолий говорит:

    Пару простых вопросов к знатокам.
    У несимметричного профиля с углом атаки равном нулю возникает подъемная сила. Это можно понять пытаясь объяснить все разностью давления.
    Скажите, пожалуйста, у симметричного профиля при том нулевом угле атаки имеется скос воздушного потока?
    Если у несимметричного профиля изменить угол атаки до исчезновения подъемной силы (установить отрицательный угол атаки) скос потока будет иметь место?

    • admin говорит:

      Я бы сказал так. У симметричного профиля при нулевом угле атаки и невозмущенном ламинарном обтекании скоса потока нет. У несимметричного профиля при отрицательных углах атаки скос будет, но в обратном направлении (вверх) и характер обтекания будет другой, возмущенный (турбулентный).

      • Анатолий говорит:

        Я уточню свой вопрос :
        «Если у несимметричного профиля изменить угол атаки до исчезновения подъемной силы (установить отрицательный угол атаки) скос потока будет иметь место?»
        Я имею ввиду только при том угле атаки когда подъемная сила этого профиля равна нулю.
        Можно задать и другой вопрос про тот же несимметричный профиль. Когда скос вниз меняется на скос вверх, как Вы ответили, всегда будет тот момент когда скоса не будет. Так вот в этом конкретном случае при отсутствии скоса какая подъемная сила будет на том несимметричном профиле?

        • admin говорит:

          :-).. Ну, вобщем-то, если уж говорить о подъемной силе в универсальном смысле, то нужно для этого применять теорему Жуковского, учитывающую все условия обтекания. Однако, это уже интегральное счисление, то есть совсем не тема для такого сайта, как этот… Поэтому стараемся использовать упрощенные модели. В данном случае, если отсутствует скос потока, то единственная возможность образования подъемной силы — разность давлений на нижней и верхней поверхностях профиля. Здесь уже все зависит от его формы и положения в потоке. Например, если плоско-выпуклый (не очень толстый классический несимметричный) профиль расположен параллельно потоку своей нижней частью, то, при отсутствии в этом случае скоса потока, будет подъемная сила за счет разности давлений по закону Бернулли. Видимо, возможно существование таких условий (форма профиля, характер обтекания и угол атаки), когда подъемная сила будет равна нулю, или же направлена совсем не на подъем (то есть вниз :-))….

  9. Василиса говорит:

    Случайно вышла на этот сайт и..-зачиталась!:))Никогда не получала такого удовольствия от «уроков физики»..-спасибо огромное!:)

  10. Евгений говорит:

    Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот. Этот закон очень просто иллюстрируется. Если взять не слишком узкий вертикальный шланг (рукав) из тонкой прозрачной резины и влить в него воды. Что вы увидите? Да ничего особенного, вода просто быстро выльется через другой конец. А вот если на этом другом конце окажется наполовину закрытый кран, то вы сразу увидите, что вода выливается, но медленно и стенки рукава раздулись, то есть скорость потока уменьшилась и давление возросло.
    А если кран на другом конце шланга закрыть? Что будет? Где же тут закон Бернулли? Очень неудачный пример.

    • admin говорит:

      Пример, конечно, несколько «притянут за уши» для простоты объяснения, но чего же здесь неудачного? Гипотетический кран здесь используется как, так сказать, вспомогательное техническое средство в эксперименте, чтобы была возможность менять скорость движения воды по рукаву. Скорость падает, динамическое давление тоже, статическое увеличивается — стенки раздулись, то есть показали увеличение этого давления. Все, больше ничего и не требуется. НУ, а если его полностью закрыть, то полностью исчезнет динамическое давление, статическое возрастет до максимума и рукав раздуется еще больше. Но это крайности, которые никому не нужны :-)…

      • pasha говорит:

        И всё же неудачный — шланг с закрытым шлангом на выходе раздувает гидростатическое давление: взять два насоса с одинаковым расходом, но с разным давлением — с открытым краном они будут вести себя одинаково (скорость и давление), с частично закрытым у насоса с большим давлением давление в шланге будет больше и скорость в нём тоже будет больше, то есть зависимость, обратная закону Бернулли.

        • Юрий говорит:

          Не-а :-)… Первое. Пусть себе гидростатическое, суть совершенно не важна. Второе. Два насоса с разным давлением, но с одинаковым расходом должны иметь разный диаметр шлангов. При открытых кранах в этих шлангах одинаковый расход, разное давление и возможно одинаковая скорость. Два разных независимых насоса, ведущих себя, тем не менее, одинаково по закону. Если теперь в насосе с большим давлением прикрыть кран на шланге, то: давление в шланге конечно же возрастет (до уровня начального давления насоса), но скорость не увеличится, а наоборот упадет, потому что уменьшится проходное сечение. Это просто. Несколько может увеличится скорость только в сечении крана, причем все зависит от величины этого сечения. Абсолютно такая же картина во втором насосе. Все соответствует закону. Точно такие же процессы, кстати, имеют место в газовоздушном тракте ТРД с высоконапорным компрессором и управляемым соплом.

          • pasha говорит:

            Имел в виду выходную (нагрузочную) характеристику: два разных насоса, но с трубой одинакового диаметра и дающие в режиме, близком к «холостому ходу» — шланг с открытым краном — одинаковый расход (и одинаковое давление), но при перекрытии выхода у второго выходное давление растёт быстрее, чем у первого (например первый — центробежный, второй — поршневой)
            Или, по-другому: пусть будет один насос и один шланг, но проведём три замера: после частичного перекрытия крана добавим обороты: при этом возрастут и скорость и давление (гидростатическое)

          • Юрий говорит:

            Это вообще не из той оперы. Закон Бернулли — это следствие закона сохранения энергии. Естественно для изолированной физической системы и стационарного потока. Поэтому никакого добавления оборотов быть не может, только изменение диаметра…

          • pasha говорит:

            Закон Бернулли наверное правильнее объяснять разгоном и торможением потока в трубе переменного сечения: на сужающемся участке воздух ускоряется, а для того, чтобы он ускорялся, нужна сила, то есть разность давлений: сзади, где он движется ещё медленно, давление станет выше, чем спереди, где он движется быстро. Можно даже провести расчёт: масса маленького объёмчика воздуха, его ускорение -> сила -> разность давлений на заднюю и переднюю «стенку» объёмчика -> интеграл вдоль профиля ускорения -> полная разность давлений.
            На расширяющемся участке, при спокойном ламинарном торможении стационарного потока возникают те же силы в обратном направлении, разность давлений тормозит поток.
            Отдельный сложный для понимания момент: а что если узкий трубопровод высокого давления открыт в атмосферу — но тут разгадка, видать, в том, что произойдёт выравнивание давлений во всей системе в соответствии с законом Бернулли с поправкой на режим течения, сопротивление потоку и т.д., а установившийся расход будет определяться разностью давлений и профилем потока.
            В перечень явлений можно добавить подсос воздуха струёй, вырывающейся из сопла. По этому принципу работает пароструйный насос.

          • pasha говорит:

            Такое объяснение было, кстати, в каком-то учебнике физики.

  11. kris1961 говорит:

    Вот бы так физику в школе преподавали: интересно и понятно, спасибо.

  12. Кира говорит:

    Сравнение с котом и его желанием иногда «полетать» мне очень понравилось. Это очень оживило довольно сложный материал, который, тем не менее, очень просто изложен. Спасибо!

  13. Анна говорит:

    Спасибо,очень интересно,особенно про подьемную силу кота,шучу.Спасибо

  14. Ольга говорит:

    как просто вы объяснили довольно сложно изложенный в учебниках материал. у вас, определенно, талант ! 🙂

  15. Сергей говорит:

    Ну,что же -очень интересно.Чувствовается, что Вы профессионал в своем деле.

  16. Ирина говорит:

    Уроки физики!

  17. Vasili70 говорит:

    прочитал с интересом.
    А все-таки жаль. что коты — не летают. Шучу.
    Спасибо за информацию.
    Есть ли у Вас статьи про безопастность полетов, а то в последнее время — в самолет садиться страшно стало?

    • admin говорит:

      По поводу котов Вы правы :-). Насчет безопасности статьи обязательно будут в самое ближайшее время. Сейчас они в стадии подготовки. И рубрика специальная будет. Заходите в гости, читайте, буду рад…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *