Мы привыкли к тому, что чем больше мощность - тем быстрее двигаешься: на машине вдавил "тапку в пол" - поехал быстрее, не вдавил - так и едешь медленно. Катаешься на лыжах, поднажал - стал двигаться быстрее. На беговой дорожке поднажал... ну вы уловили суть. Чтобы перемещаться быстро, нужна большая мощность. А чтобы перемещаться медленно, достаточно маленькой. Это универсальный закон, и не важно кто ты - машина, мотоцикл, кот (да-да, и ты тоже!). Закон един для всех. Да?
Нет. Закон един для всех, кроме вот этих засранцев!
"Лечу я как-то в горизональном полете, на индикаторе скорости 80 км/ч, решил лететь побыстрее: вдавил педаль в пол и полетел со скоростью 90" - не сказал ни один летчик в мире.
Почему не сказал? Во-первых, потому что обороты двигателя в самолете регулируются не педалью, а РУДом, но оставим эту незначительную деталь и перейдем к главному: чтобы увеличить скорость с 80 до 90 км/ч, мощность двигателя нужно уменьшить, а не увеличить.
Здесь у вас должно возникнуть два вопроса.
Первый: что за??
Второй: как эта штука, именуемая винглетами, торчащая в поток и явно увеличивающая сопротивление, может экономить керосин? (4-6% экономии, между прочим!)
Здесь у вас дожен возникнуть третий вопрос: при чем здесь вообще второй вопрос? Ну обо всем по порядку.
Итак, вы едете на машине 80 км/ч. Какие силы действуют на машину? Одна сила тащит ее вперед; эта сила, в конечном итоге, - результат работы двигателя. Другая тащит назад - это сопротивление, в основном сопротивление воздуха. Раз вы едете с постоянной скоростью, то они равны. Сопротивление воздуха, кстати, пропорционально квадрату скорости. То есть с увеличением скорости в 2 раза сопротивление увеличится в 4 раза. Вот картинка параболы, если кто забыл (или еще не узнал)
Теперь вы решили разогнаться до 90. Это в 1.125 раз больше, чем было, а значит, сопротивление выросло примерно в 1.27 раза (а требуемая мощность - вообще 1.42 раза, т.к. растет как куб!).
А что же не так с самолетами? Посмотрим на график требуемой мощности для самолетов. Чтобы разогнаться с 250 до 300 км/ч, нужна большая мощность, как мы и привыкли. Но чу! Что это у нас происходит на скоростях в районе 100-150км/ч? Нужно больше мощности, чтобы лететь медленнее!
Этот эффект вызван тем, что у летательных аппаратов, помимо лобового сопротивления, есть еще один тип сопротивления, характерный только для них, - индуктивное сопротивление. Связано оно с существованием подъемной силы. В отличие от лобового сопротивления, которое можно минимизировать, "вылизав" формы самолета (гусары молчать!), индуктивное сопротивление убрать или минимизировать нельзя. Индуктивное сопротивление - это обратная сторона существования подъемной силы, и убрать его можно, лишь убрав подъемную силу, чего ты, мой дорогой пассажир, совсем не хочешь! Называется оно так потому, что индуцируется подъемной силой (хотя не совсем правильно говорить, что одно индуцирует другое - они просто либо вместе есть, либо вместе нет).
Посмотрим, откуда оно берется:
На этой картинке мы видим две вещи:
1. воздух за самолетом отклонился вниз. Ничего удивительного - воздух оказывает силу на самолет, действующую вверх, и по закону Ньютона самолет оказывает силу на воздух, действующую вниз. Собственно, только по этому и летит. (Так что наши с вами кровные рубли, уплаченные за билет, уходят на выталкивание тучек вниз)
2. Если бы у воздуха не было трения, этим бы все и ограничилось: часть воздуха бы рванула вниз, а часть осталась на месте. Но трение у воздуха есть, поэтому отбрасываемый вниз воздух увлекает за собой своего непотревоженного соседа сбоку, и образуются вихри, как на картинке. А что такое трение? Это потери энергии. А что такое создание вихря? Это потери энергии. Так что топливо в итоге уходит не только на полезную работу по отбрасыванию воздуха вниз, но и на бесполезную (создание вихрей).
Вихри эти кстати очень опасны - вихрь от большого самолета вполне может перевернуть маленький самолет. Это одна из причин, почему выдерживается определенный интервал между взлетающими самолетами - это дает время вихрю ослабеть, а если есть ветер, то вихрь просто сдует с полосы ветром.
Кстати, постоянный спутник таких картинок - вопрос "что же чувствуют пассажиры???". Нет, даже не так, а вот так:
Ну вы уже знаете ответ: такие вихри - неизменный спутник подъемной силы, а значит, пассажиры чувствуют, что не падают вниз.
Энергия вихря - это потерянная энергия. Но некоторые научились не тратить энергию вихря впустую, а использовать его для помощи ближнему: почему птицы летают клином? теперь вы знаете одну из возможных причин.
Но вернемся к нашему вопросу: как так случилось, что меньшая скорость требует большей мощности? Самолет может лететь в горизонтальном полете (т.е. не меняя высоту полета) по-разному: может лететь в почти горизонтальном положении, а может лететь, довольно сильно задрав нос вверх (сильно - это градусов 15-16).
В первом случае самолет будет лететь быстро. Он будет отбрасывать вниз большое количество воздуха, но слабенько. Во втором случае самолет будет лететь медленно. Он будет отбрасывать вниз небольшое количество воздуха, но сильно. В обоих случаях результирующая подъемная сила одинакова и равна весу самолета.
Но есть разница. Чем сильнее отбрасывается вниз воздух, тем быстрее он движется вниз, тем сильнее вихрь на границе с непотревоженным воздухом. И тем больше потери энергии в никуда, т.е. тем больше индуктивное сопротивление. Еще раз: чем медленее летишь - тем выше индуктивное сопротивление. А теперь время графиков:
Синим здесь показано обычное лобовое сопротивление. Как ему и полагается, оно растет с квадратом скорости. Фиолетовым - индуктивное сопротивление. Оно растет с уменьшением скорости, из-за того, что все больше и больше энергии приходится тратить на бесполезные вихри, а не на поддержание самолета в воздухе (на самом деле оно растет обратно пропорционально квадрату скорости). Суммарное сопротивление показано красным: с ростом скорости оно сначала уменьшается (потому что уменьшается индуктивное сопротивление), а потом снова увеличивается (потому что растет лобовое сопротивление).
Надеюсь, мы разобрались с первым вопросом, так что перейдем ко второму, про винглеты. Как мы помним, с концов крыла у нас срываются вихри, вот так:
Как мы помним, они нам увеличивают сопротивление, а потому нежелательны. Но убрать их нельзя. Что делать? Человек взял пример с уток и решил использовать вихрь себе на пользу, раз от него нельзя избавиться. Поставил на крылья винглеты.
Винглет - это маленькое крыло. На картинке выше видно, что из-за вихря воздух обтекает верхнюю часть законцовки крыла слева направо. Вот туда-то человек и воткнул еще одно крыло, чтобы использовать это движение воздуха.
Вот посмотрим на крыло. Желтым показано, как его обтекает воздух, а красная стрелка - это подъемная сила. Синяя стрелка и угол показывают угол между набегающим потоком и крылом.
Теперь посмотрим на винглет. Помним, что воздух бьет в него сбоку (т.е. в направлении от нас к нам) из-за вихря. Синяя стрелка, которая расширяется ("приближается к нам") к концу, должна символизировать этот факт. Если не символизирует, не ругайте, я художник мамкин. Воздух обтекает винглет и создает подъемную силу, которая направлена перперндикулярно потоку, т.е. в направлении к нам (красная стрелка). Обратите внимание: у этой силы есть компонента, направленная вперед по движению самолета. Пусть и небольшая. То есть мы только что из ниоткуда, а точнее из воздуха (в прямом смысле) получили маленький, но халявный двигатель! Вот так вот работают винглеты.
Если мои художества оскорбляют чьи-то религиозные чувства, то вот еще картинка:
Вместо заключения: вокруг нас много удивительных вещей, которые контр-интуитивны, и на первый взгляд невозможны. А среди пикабушников много людей с самыми разными знаниями. Так что призываю всех делиться известными вам колдунствами в постах!
конструктивная критика приветствуется, но не забываем про великую цитату от охотника из великого фильма:
