Аэродинамика для чайников и учёных

С хорошим движком и дверь полетит - был бы положительный угол атаки. Это известная аксиома. Но Природа знает больше: существенная подъемная сила возникает и при нулевом угле атаки совершенно плоского крыла, если его верхняя поверхность испешрена мельчайшими неровностями, а нижняя - совершенно гладкая или зеркальная. Сейчас увидим и объясним.


   О крыльях и крылышках


Крылья есть у насекомых, летающих рыбок, летучих мышей и у птиц, конечно. Были крылья и у летающих ящеров. Вопрос: «Как изобретательная Природа в творческом процессе эволюции смогла дать своим тварям идеальные крылья, если зачаточные крылья и крылышки могли всем только мешать и никак не способствовать выживанию их обладателей?».

Этот вопрос "на засыпку" верующие иногда задают безбожникам или атеистам. Но посмотрите на снимок вверху и спросите свою бабушку: "Во что завёрнута эта летающая собачка: в крылья, или в плащ-палатку?".

Вот и на вопрос верующих в божественное происхождение всего и вся у нас уже есть простой ответ: у всех настоящих крыльев, когда они были в недоразвитом или в зачаточном состоянии, было другое и очень полезное для их обладателей назначение: у летающих рыбок это были просто брюшные плавники, то есть рули глубины, которые есть почти у всех других рыб; у насекомых зачаточные крылья были в виде хитиновых защитных щитков, прикрывающих спинку; у летучих мышек – это небольшие накидки и демисезонные плащ-пальто от дождя и холода.

Птицы произошли от ящериц, то есть от пресмыкающихся, поэтому тут надо задаться вопросом: чем могли быть полезны недоразвитые крылья древним ящерам? Думается, они были им полезны тем же самым, чем были изначально полезны летучим мышам их маленькие накидки. Это раз.

Во-вторых, зачаточные крылья уже могли быть полезны птеродактилю, например, как рули поперечной устойчивости при быстром беге на задних конечностях. И тут уместно сравнение ящериц, бегающих на двух лапках, с рыбками, способными при опасности подниматься на поверхность воды и "вставать на хвост". При таком очень быстром способе передвижения всё тело рыбы находится над водой, а погружённым в воду бывает только хвостовой плавник. Сопротивление воздуха движению тела в сотни раз меньше, чем воды, что и является причиной резкого увеличения скорости рыбы при той же максимальной интенсивности работы хвостового плавника. Но при этом становится актуальным сохранение телом рыбы осевой и поперечной устойчивости. У предков летающих рыбок это были значительно увеличенные в размерах брюшные плавники, а у предков птеродактилей - перепонки между сильно вытянутыми фалангами пальцев на передних конечностях. Так что, в естественной природе элероны и закрылки могли появиться раньше самих крыльев.

В-третьих, Природа не знает, что вес тела равен произведению массы тела на ускорение свободного падения; для неё вес тела - это то, что мешает быстро бегать, высоко прыгать и даже летать. Так вот, недоразвитые крылышки уже способствовали уменьшению веса и быстро бегущей ящерицы, и быстро бегущей по поверхности воды рыбки. Дальше - больше. Увеличивающиеся в размерах плавники, накидки и крылышки позволили наконец божьей твари оторваться от земли и совершить, как говорят лётчики-испытатели, первый подскок и планирование. Первым планирующим полётам сухопутных животных могли способствовать возвышенности на поверхности земли и обрывы, а рыбки могли учиться полётам, прыгая с гребня высокой волны. Кто дальше всех пролетел по воздуху, тот и уцелел, и дал летучее потомство. Всё просто.

Но вот вопрос посложнее: «Почему Природа всегда стремилась дать своим тварям максимально плоские крылья, если, по мнению Эйнштейна и Жуковского, такие «беспрофили» вообще не могут создавать подъёмную силу?». 

Как известно, Эйнштейн и Жуковский – это теоретики горбатого профиля и отцы-основоположники современной научной аэродинамики, которую, если честно, уже никто не понимает, по причине чего и существует пресловутый "парадокс шмеля". Нам парадоксы ни к чему... и парадоксальные теории - тоже.

      Об аэродинамике, которую знает Природа


Задача 1. Атмосферное давление  в центре торнадо, к примеру, равно 500 мм р.с. Вопрос: какого веса должна быть крышка размерами метр на метр, обеспечивающая своим весом надёжное герметичное закрытие вертикального входа в убежище, если атмосферное давление внутри помещений убежища равно 750 мм р. с.?

Ответ "навскидку": вес крышки должен быть больше трёх тонн. Эта задачка решается в уме, если знать, что нормальное атмосферное давление - 10330 кг/м2 или примерно 1 кг/см2. К примеру, если такой люк сделать из стали, то его толщина будет больше 40 см (плотность стали 7800 кг/м3).

Но если даже стальная дверь от бункера в принципе может летать, то всё остальное, что летает, может делать это по причине совсем небольшой асимметрии атмосферного давления на крыло. Действительно, если атмосферное давление со стороны одной из поверхностей крыла убрать, то со стороны противоположной поверхности сразу возникнет давление 10330 кг/м2. Да, 10 тонн на каждый квадратный метр поверхности крыла! Мы будем считать эту величину максимально возможной подъёмной силой и сильно не ошибёмся.

Задача 2. На какой разнице атмосферного давления летают птицы и самолёты, если при горизонтальном полете она равна весу летающего объекта?

К примеру, орёл весом 4 кг, имея «площадь несущих поверхностей» как раз 1 м2, почти неподвижно парит в вышине при положительной разнице атмосферных давлений на его крылья всего 0,04% от 1 кг/см2; АН-2 («кукурузник») летает горизонтально на разности 0,4%;  а современному скоростному пассажирскому авиалайнеру для горизонтального полёта нужно уже 4% от 10000 кг/м2. Понятно, что разница давлений на крыло 40 г/см2 возможна только на большой скорости полёта.

Как мы это узнали? Просто применили принцип пропорциональности Леонардо да Винчи и разделили вес самолёта или божьей твари на площадь крыльев, и всё. А математики считают, что подъёмная сила - это результат механического сопротивления воздушной среды атакующему крылу, и у математиков всё, что летает, летать не может по причине крайне не достаточной (в 6 раз меньше веса самолёта или божьей твари) подъёмной силы, вычисленной ими по якобы самым надёжным математическим законам ньютоновской механики. Можете посмотреть по запросу «Парадокс шмеля», как математики из NASA и британские учёные вычисляют подъёмную силу через "массовую плотность воздуха" и законы Ньютона. Ужос!

Идеальный или самый эффективный аэродинамический профиль – это «беспрофиль», то есть плоское, как лезвие безопасной бритвы, крыло. Это для передовых инженеров уже аксиома и "новая аэродинамика", а Природа это знала ещё со времён первых насекомых и птеродактилей. Так вот, асимметричное атмосферное давление на совершенно плоское крыло возникает и при его нулевом угле наклона к вектору движения набегающего потока и почти нулевом лобовом сопротивлении, если верхняя поверхность крыла испещрена микроскопическими неровностями, а нижняя – максимально гладкая. 

Это утверждение тоже доказано самой эволюцией живой природы и передовой практикой авиастроения. Смотрим на расправленное крыло любой птицы: сверху оно бархатистое и может играть всеми цветами радуги, что физику говорит о дисперсии света на мельчайших неровностях на отражающей поверхности, а снизу – всегда очень плотное, гладкое и со стальным отливом. Смотрим на современный пассажирский «Боинг»: сверху он словно матовый, а снизу – зеркально гладкий. И пусть та положительная разница в атмосферных давлениях на крыло, которая возникает только по причине различного качества покрытий его противоположных аэродинамических поверхностей, будет и недостаточной для полёта, но именно она и позволит самолёту или божьей твари лететь горизонтально с наименьшим углом атаки, то есть с меньшим лобовым сопротивлением, экономя силы и топливо.

Инженеры «Боинга» уже экономят на "эффекте хаоса над крылом" и "эффекте максимально плотного взаимодействия под крылом" до 7-ми процентов топлива, а это огромные деньги. Смотрите фотографии «Боингов» и читайте по запросу «Аэродинамика Боинг». Кожа акулы тоже только кажется гладкой, а на ощупь она сравнима с наждачной бумагой. Мельчайшие бугорки на коже акулы тоже способствуют образованию хаоса в пограничном слое воды и уменьшению давления воды на быструю акулу. И подобных примеров "мильён".

Давление атмосферного потока на атакующий беспрофиль всегда меньше сверху и больше снизу по двум причинам: разрежения воздуха и хаоса в движении частиц потока над крылом и деформации и уплотнения упругого потока под крылом. И величина этой разницы пропорциональна скорости крыла или потока. При вертикальном полёте спортивного самолёта та же самая разница атмосферных давлений стремится опрокинуть самолёт и увести его на "мёртвую петлю" (петлю Нестерова).

Как диагональ делит прямоугольник на два равных прямоугольных треугольника, так и атакующий беспрофиль делит воздушный поток на две равнозначные и самостоятельные причины возникновения подъёмной силы. То есть, любую из поверхностей крыла можно сделать параллельной продольной оси фюзеляжа и вектору тяги, противоположная ей причина возникновения подъёмной силы при этом сохранится. К примеру, на сверхзвуковых самолётах верхняя поверхность крыла делается параллельной продольной оси самолёта, а нижняя лишь слегка наклонена, образуя угол атаки примерно в 1 градус. Избыточная подъёмная сила, возникающая на больших скоростях, может быть очень опасной, поэтому на современных самолётах бортовой компьютер не позволяет пилотам выходить на критические углы атаки. На этих углах возникает большое резрежение воздуха над крылом, которое можно наблюдать даже визуально, так как это разрежение сопровождается мгновенными охлаждением воздуха и конденсацией атмосферой влаги, то есть образованием тумана.

У крыльев самых первых самолётов, казалось бы, была только одна аэродинамическая поверхность – нижняя, а верхом крыла была ничем не прикрытая «арматура»… Но и у этих крыльев уже была избыточная подъёмная сила, поэтому самолёты тогда часто кувыркались в воздухе, как турманы (это порода спортивных голубей).

А в рассуждениях Эйнштейна о подъёмной силе («Элементарная теория полёта и волн на воде». 1916. Берлин.), наоборот, есть только верхняя горбатая поверхность крыла и есть закон Бернулли: мол, крыло делит набегающий поток на два потока, из которых верхний, огибающий горб, всегда несколько быстрее нижнего, а раз быстрее, то и меньше давление в нём.  Но при этом ему ни разу не пришла в голову простая мысль вот о чём: при увеличении скорости крыла разница в скорости верхнего и нижнего потока остаётся той же самой, то есть 1/9-1/6, а закон Бернулли действует и сверху, и снизу крыла... и как итог: при увеличении скорости самолёта подъёмная сила по закону Бернулли увеличиваться не может, то есть самолёт на горизонтальных горбатых крыльях просто-напросто не взлетит. И как авторитетные авиаторы ни пытались ему хоть что-то объяснить про угол атаки крыла и наклон всего самолёта к вектору движения воздушного потока, он лишь снисходительно посмеивался над ними. Смотрите переписку Эйнштейна с испытателем самолётов Паулем Георгом Эрхардтом. Дундуковость учёного всегда начинается с непонимания сущей простоты... и с желания выглядеть умным. А ведь ещё И.И. Кульнев в 1913 году, совершив свой затяжной горизонтальный полёт на перевёрнутой аэродинамике, доказал, что с хорошим движком и дверь полетит - был бы положительный угол атаки (перевёрнутый самолёт Кульнева летел горизонтально с опущенным хвостом, и угол атаки при этом сохранялся).

Николай Жуковский  понадеялся на большой продольный горб посередине крыла, якобы порождающий сильные «присоединённые вихри» под крылом, которые, дескать, и толкают крыло снизу вверх. Такие вихри обнаружить не удалось. Самолёты Эйнштейна и Жуковского – «беременная утка» и «шестикрылый монстр доаэродинамического периода» - не полетели как раз по причине большого паразитного лобового сопротивления горбатых крыльев. 

Совершенно плоские элементы в оперении новейших самолётов мы, уверен, ещё увидим, как увидим и различное качество аэродинамических покрытий на наших отечественных самолётах. А вот исчезнут ли из наших учебников Эйнштейн и Жуковский - большой вопрос.


03.08. 2015.



Советую: "Закон Бернулли для чайников и учёных": http://proza.ru/2020/06/20/420

и "Парадокс шмеля, или Трактат о подъёмной силе": http://proza.ru/2019/01/24/396


Рецензии
Дорогой Виктор, спасибо за интересный текст. Ваша аэродинамическая эрудиция и остроумное изложение проблемы впечатляют. У меня вопрос к вам как специалисту по крылам. В известной американской песне о подбитом Боинге 17 есть такие слова:

"Comin' in on a wing and a prayer, / Coming' in on a wing and a prayer, / Though there's one motor gone / We can still carry on, / Coming' in on a wing and a prayer".

Автор обыграл здесь библейское метафизическое выражение крыло и молитва, то есть спасительное крыло бога (безопасность) и молитва как путь к спасению. Буквально = мы подходим на крыле и молитве. При этом речь идет еще и о физическом явлении.

Вопрос такой: может ли словосочетание on a wing = (идем) на одном крыле в этом контексте означать еще и планирование ТОЛЬКО на крыле/крыльях, поскольку один мотор отказал? We can still carry on = сядем и на одном. Хотя их вообще-то четыре.

Как с вашей точки зрения следует понимать этот текст. Заранее спасибо за ответ, с уважением, Андрей.

Андрей Викторов Денисов   10.02.2023 11:24     Заявить о нарушении
Спасибо, Андрей Викторович!

Ну смысл, думаю, такой и есть: планируем с Божьей молитвой.
Для меня в песне настроение всегда важнее смысла.

Виктор Бабинцев   10.02.2023 16:26   Заявить о нарушении
Спасибо. Я запутался в моторах. ДА.

Андрей Викторов Денисов   10.02.2023 18:03   Заявить о нарушении
На это произведение написано 8 рецензий, здесь отображается последняя, остальные - в полном списке.