Почему самолеты не машут крыльями

Возможно, вы задавались вопросом, почему самолеты не машут крыльями. Чтобы ответить на него, нужно вспомнить историю. С древних времен человек наблюдал, как летают птицы, насекомые и летучие мыши, используя для полета взмахи крыльев. Однако человек попробовал летать иначе, и неоднократно экспериментировал в этом направлении.

Первые попытки человека научиться летать

Леонардо да Винчи был одним из первых в Средние века, кто проявил интерес к возможности полета человека. Он верил, что люди могут летать с помощью больших искусственных крыльев.

Им было придумано и описано летательное устройство, которое, по его мнению, при помощи мускульной силы позволило бы человеку подняться в воздух и парить как птица. Для этого он внимательно изучал строение крыла птицы и механизм птичьего полета. В результате Леонардо да Винчи был предложен рисунок конструкции такого аппарата, названного впоследствии орнитоптером, однако, до реального воплощения этой идеи в жизнь, дело не дошло.

В древней Руси также интересовались возможностью полета человека на искусственном крыле. Существует информация о полете «холопа Никиты» при Иване Грозном. Свидетели утверждают, что он прыгнул с колокольни, используя искусственные крылья, и смог взлететь. Однако этот полет был скорее планирующим, потому что начальная скорость была набрана во время прыжка с колокольни.

Впоследствии подобные попытки полета, с прикрепленными к человеку крыльями, неоднократно предпринимались отдельными смельчаками, но все они тоже были планирующими, с возвышенностей, без первоначального набора высоты маховыми движениями.

Летательный аппарат да Винчи

А как летают птицы?

Первые эксперименты по созданию летательных аппаратов с машущими крыльями (махолетов) относятся к началу двадцатого века. Однако, все эти эксперименты оканчивались неудачей. В лучшем случае махолеты могли оторваться от земли и пролететь несколько метров. Настоящего полета не получалось.

Долго не могли понять, чего же не хватает? Оказалось, что создание подъемной силы, необходимой для полета, путем простого взмаха крыла вверх и вниз, в принципе невозможно. Потому что в верхних и нижних точках зависания крыла при простом взмахе, воздух остается неподвижным относительно крыла и подъемная сила отсутствует.

Как летают птицы? Высокоскоростная видеосъемка показала, что их крылья движутся по сложной траектории, описывая фигуру восьмерки. Когда крыло поднимается, оно разворачивается в высоту, чтобы снизить сопротивление потока. А когда доходит до верхней точки, оно поворачивается поперек потока.

Опираясь о воздух, птица зависит от частоты взмаха крыльев.

Чем чаще птица отталкивается от земли, тем быстрее она набирает высоту и переходит к горизонтальному полету. Однако для того, чтобы «встать на крыло» перед полетом, птице нужен первоначальный толчок для набора скорости. Без скорости подъемная сила не возникает, поэтому птицы делают прыжок в самом начале полета, чтобы начать работать крыльями.

Некоторые птицы начинают свой полет с разбега, это особенно заметно у тяжелых водоплавающих птиц, таких как лебеди, пеликаны, фламинго и другие. Фрегаты также стартуют с разбега, часто против ветра. Другие птицы начинают свой полет, находясь на какой-то высоте, например, на дереве, здании или на краю отвесной скалы. Они, будто бы ныряя вниз, расправляют крылья.

Побеждает крыло

Изучив основы полета птиц, можно рассмотреть возможность создания махолетов. Различные варианты конструкции махолетов уже известны.

• однокрылые;
• двукрылые.

Однокрылые аппараты используют для создания подъемной силы одну пару крыльев, осуществляющих симметричный взмах обоих крыльев. Двукрылые — предполагают асимметричный взмах. Одна пара крыльев делает взмах вверх, а расположенная за ними последовательно, другая — делает взмах вниз.

Наибольшие трудности при создании махолета представляют крылья, которые должны иметь большую площадь, механизм поворота и двигатель, обеспечивающий нужную частоту взмаха в разных этапах полета. В качестве двигателей для махолетов применяют:

1. мускульная сила;
2. велосипедная тяга;
3. комбинированная ручная и ножная тяга;
4. двигатели внутреннего сгорания.

Результат расчетов показал, что мускульная сила человека недостаточна для длительного полета. Она может поддерживаться только на короткие промежутки времени. Поэтому двигатели, устанавливаемые на махолеты, должны быть легкими и иметь высокую мощность.

Изготовление махолетов требует соблюдения сложных конструкционных требований и становится дорогим процессом. Несмотря на продолжающиеся попытки создания полноценных летательных аппаратов, все они заканчиваются неудачей. В лучшем случае удается сделать небольшую летающую модель, но о создании полноценного аппарата, способного перевозить пассажиров и грузы, пока речи нет.

Человек выбрал другой путь, так как начало этого пути было связано с изучением полета птиц. Ученые, такие как Луи Пьер Муйяр и Лилиенталь, занимались этим вопросом, а Николай Егорович Жуковский проводил исследования в России. Он изучил динамику полета птиц и в 1891 году сделал научный доклад о парении птиц, в котором математически сформулировал физические основы движений парящих птиц. Эта работа стала одной из первых работ, которая начала формулирование законов динамики полета.

Жуковский и Чаплыгин продолжили исследования в теории полета и описали математически профиль крыла, обеспечивающий подъемную силу.

Профиль, который был назван в честь Жуковского, имеет форму вытянутой капли с округлой передней частью и сужающейся к концу. Благодаря такой форме, поток воздуха создает зону повышенного давления в нижней части крыла и пониженного – в верхней. Это приводит к возникновению силы, которая поднимает крыло из зоны повышенного давления в зону пониженного давления.

Первоначально была математически описана и объяснена подъемная сила, но для ее создания необходим набегающий воздушный поток. Как же создать такой поток при неподвижности воздуха? Решение заключалось в движении крыла, которое могло придавать ему скорость. Для этого нужен был тяговый мотор, к которому крепилось крыло, а для управления конструкцией требовался пилот. Таким образом, возникла идея создания самолета.

Жуковский доказал, что для полета не нужно махать крыльями, такая конструкция сложна и неэффективна. Проще и экономичнее использовать прямое крыло с аэродинамическими свойствами.

В начале прошлого века была принята концепция развития авиации, которая включала использование стационарного крыла аэродинамического профиля для создания подъемной силы. Это позволило самолетам летать без махания крыльями. Дальнейшие исследования показали, что для различных скоростей и режимов полета необходим свой профиль крыла, и наиболее распространенными являются формы профиля крыла.

1 – выпукло-вогнутый; 2 – плосковыпуклый; 3 – двояковыпуклый несимметричный; 4 – ромбовидный; 5 – двуклиновой; 6 – одноклиновой

Оптимальный профиль крыла для скоростей ниже звуковой волны — каплеобразный или линзообразный, а для скоростей выше звуковой волны — треугольный.

И все-таки они машут крыльями

Самолеты машут крыльями, но это не для создания подъемной силы. Аэродинамический профиль крыла и набегающий поток воздуха отвечают за это. Причины махания крыльями лежат в другом. Однако утверждать, что самолет вовсе не машет крыльями, неправильно.

Если смотреть на крыло летящего самолета из иллюминатора, то видно, что оно как бы дышит. Качается, изгибается вверх и вниз. Не понимая, что происходит можно подумать, что у самолета с крылом что-то неладно.

Крыло работает, приспосабливаясь к воздушному потоку, завихрениям и нагрузкам. Проектирование крыла учитывает все эти факторы, выбирая конструкцию и материалы, выдерживающие все режимы полета безопасно.

На всех самолетах возникают колебания крыла из-за воздействия внешних и внутренних сил.

Однако, в зависимости от самой конструкции крыла, его размеров, жесткости, амплитуда этих колебаний сильно отличается. У некоторых самолетов такие колебания могут зафиксировать только чуткие приборы, у других они хорошо видны визуально и могут достигать нескольких метров.

Мечта остается

Самолеты летают, а крыльями не машут из-за сложности конструкции летательных аппаратов с машущими крыльями. Природа создала уникальный механизм полета, который трудно скопировать. Современные материалы позволяют создавать только небольшие летательные аппараты в виде моделей. В будущем возможно создание материалов на новых физических принципах, которые позволят человеку вернуться к давней мечте.