Почему и как он летает

Прежде всего, хотя сегодня ученые и инженеры измеряют силы в других единицах (называемых Ньютонами и составляющих примерно десятую часть килограмма), мы для наших целей ограничимся старомодными килограммами; например, если кто-то весит 80 кг, то он давит на пол с силой 80 кг, и для того, чтобы нести его, глайдирующий парашют тоже должен развить ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ в 80 кг (плюс, конечно, еще 5-6 кг, которые являются весом самого парашюта).Чтобы проиллюстрировать силу на диаграмме, мы должны показать две вещи: величину силы и ее направление. Мы делаем это с помощью стрелки определенной длины, указывающей определенное направление. Направление стрелки показывает направление действия силы. Длина стрелки пропорциональна величине силы в соответствии с масштабом, выбранным для конкретного рисунка. Масштаб (например, 1 см=10 кг) выбирается просто в соответствии с силами, которые вы хотите показать, и размером бумаги, на которой вы рисуете, так же, как в случае выбора масштаба для карты: маленький масштаб, если вы хотите вместить карту мира на одну страницу, и значительно больший - для карты деревни на большом листе. Важно, чтобы все силы на данном рисунке были выдержаны в одном масштабе: например, сила, которая в два раза больше другой, и на рисунке должна быть в два раза длиннее.Теперь рассмотрим силы, действующие на самолет, летящий прямо вперед с постоянной скоростью: одна из них - ВЕС - не должна удивлять. Корпус с двигателем, пилотом, топливом должен весить немало, будь то на земле или в воздухе.Для противодействия этому весу крыло движущегося вперед самолета должно развивать ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ, равную ВЕСУ самолета и действующую в противоположном направлении (вверх, в то время как вес пытается утащить самолет вниз). Итак, все хорошо. Мы всегда знали, что неподдерживаемое снизу тело падает, и мы только что поняли, как самолетное крыло создает подъемную силу, если оно движется вперед в воздухе. В случае с самолетом крыло тянет вперед мотор, вернее, пропеллер, который "ввинчивается" в воздух, развивая тянущую силу. Эта сила должна быть равна СОПРОТИВЛЕНИЮ воздуха - четвертой и последней силе на нашем рисунке. СОПРОТИВЛЕНИЕ создается воздухом, в котором летит самолет.

Даже, несмотря на то, что воздух много легче, чем вода, он все же оказывает сопротивление телам, движущимся в нем, и, чем быстрее они движутся, тем больше сопротивление. Вы можете почувствовать это, высунув руку из быстро движущегося автомобиля (убедившись в том, что снаружи нет ничего такого, что могло бы вас ударить, и помня, что управлять одной рукой не стоит). В действительности сопротивление состоит из двух компонентов: сопротивления тела самолета и его крыльев. Обсудим их раздельно после еще одного небольшого погружения в теорию. Мы уже обнаруживали, когда высовывали руку из автомобиля или шли против очень сильного ветра, что воздух сопротивляется движению предметов через него. (Он может сделать совсем ужасные вещи с зонтиком). Сопротивление воздуха зависит от четырех факторов:

2) ФОРМА движущегося тела. Плоская пластина определенной площади будет оказывать гораздо большее сопротивление ветру, чем обтекаемое тело (форма капли), имеющее ту же площадь сечения для такого же ветра, реально в 25 раз большее! Круглый предмет находится где-то посередине. (Это и есть причина, по которой корпуса всех автомобилей и самолетов имеют по возможности скругленную или каплевидную форму: она уменьшает сопротивление воздуха и позволяет двигаться быстрее при меньших усилиях на двигатель, а значит, при меньших затратах топлива). Мы измеряем этот фактор, используя Коэффициент Сопротивления. Он берется равным 1,0 для плоской пластины, а затем определяется экспериментально для других форм в аэродинамической трубе.

3) ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА. Нам уже известно, что один кубический метр весит около 1,3 кг на уровне моря, и, чем выше вы поднимаетесь, тем менее плотным становится воздух. Эта разница может играть некоторую практическую роль при взлете с помощью вашего глайдирующего парашюта с Эвереста (что уже имело место), но не должно нас беспокоить в большинстве наших полетов, даже если мы будем парить на высоте 1-2 км над точкой старта.4) СКОРОСТЬ. Каждый из трех рассмотренных до сих пор факторов дает пропорциональный вклад в воздушное сопротивление: если вы увеличиваете один из них вдвое, сопротивление также удваивается; если вы уменьшаете любой из них в два раза, сопротивление падает наполовину. Например: Тело с сечением в два квадратных метра будет испытывать в два раза большее сопротивление, чем тело (той же формы, в такой же ветер, при той же плотности воздуха) с сечением только один квадратный метр. Тело с коэффициентом сопротивления 1,0 будет испытывать вдвое большее сопротивление, чем тело (того же сечения, в такой же ветер) с коэффициентом сопротивления 0,5. Если тело испытывает определенное сопротивление в потоке воздуха определенной плотности, то же тело в потоке воздуха той же скорости будет испытывать половину этого сопротивления, если плотность воздуха упадет наполовину. Влияние СКОРОСТИ ВОЗДУХА, однако, совсем иное. Воздушное сопротивление меняется не пропорционально ей, а гораздо сильнее: пропорционально квадрату скорости.
(Квадрат числа есть результат умножения его на самое себя, он обозначается маленькой цифрой "²" справа над числом.; Поэтому квадрат двойки равен четырем)
(2²=2x2=4); квадрат тройки равен девяти (3²=3x3=9);
квадрат четверки равен шестнадцати (4² =4х4=16) и т. д.).
Это означает, что, если определенное тело в определенный ветер испытывает сопротивление в 1 кг, эта сила увеличится до 4 кг, если сила ветра удвоится, и до 9 кг, если она утроится. Конечное уравнение утверждает, что: СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУХА равно ПОЛОВИНЕ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА, умноженной на КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ, умноженной на ПЛОЩАДЬ СЕЧЕНИЯ и умноженной на КВАДРАТ СКОРОСТИ. Чтобы это выглядело покомпактнее и понаучнее, введем следующие символы:
D - сопротивление воздуха;
р - (произносится "ро") - плотность воздуха;
А - площадь сечения;
R- коэффициент сопротивления;
V - скорость воздуха.
Теперь имеем:
D = 1/2 х р х R x A x V² Пожалуйста, запомните это уравнение, потому что мы придем к очень похожему выражению, когда вернемся к подъемной силе нашего крыла.(Строгое условие: нельзя использовать личные единицы измерения для разных факторов, входящих в одно уравнение. Например, если использовать метры, килограммы и секунды, а сечение задано в квадратных метрах, скорость ветра должна быть задана в метрах в секунду, а не в км/ч и т. д.)

Глайдирующий летательный аппарат

Мы уже указали, какие четыре силы действуют на моторный самолет в процессе устойчивого горизонтального полета: его вес тянет вниз, равная противоположная подъемная сила крыльев поддерживает его, вперед толкает мотор, назад тянет равное сопротивление воздуха.Но что же есть такое на земле, а вернее в воздухе, что толкает вперед глайдер? Это часть или компонента веса летательного аппарата, т. е. та же сила, которая заставляет шарик скатываться по наклонной поверхности. Еще одно отступление: Расчет сил:Нам уже известно, что две одинаковых силы, действующие в противоположном направлении (подъемная сила и вес, тяга двигателя и сопротивление воздуха в случае с самолетом), уравновешивают друг друга, оставляя тело в состоянии покоя или равномерного движения с постоянной скоростью в заданном направлении.Если две или более сил действуют в одном направлении, мы просто складываем их. Если лошадь может тащить экипаж с силой, скажем, 50 кг, то две лошади приложат усилие в 100 кг, а три лошади (Русская "тройка") в 150 кг. На нашем рисунке мы просто рисуем силы на шкале одну за другой, потом стираем стрелки, кроме последней. Результат (который называется результирующей силой) - это просто более длинная одиночная стрелка:Когда мы имеем дело с неравными силами, действующими в противоположном направлении, все по-прежнему просто: мы вычитаем из более длинной стрелки длину короткой и остаемся с результирующей силой, которая по величине меньше:Но что если две неравных силы действуют под углом? Есть совершенно простой путь нахождения результирующей, который выглядит следующим образом:Сначала мы рисуем две наших силы, обозначенные через F1 и F2, из точки 0. Затем из конца F1 рисуем вспомогательную линию, параллельную F2 , а из конца F2 - другую, параллельную F1. Теперь из точки 0 проводим линию в точку пересечения двух вспомогательных прямых. Вот это и есть наша результирующая сила:Мы можем использовать данный метод не только для сложения двух сил в результирующую, но и для разложения одной силы на две, действующие в любых направлениях, которые мы выбираем. Попробуем применить это на примере шарика, катящегося по наклонной плоскости.Шарик имеет определенный вес, который тянет его вниз. Если бы он был на плоском столе, он оставался бы на месте, оказывая давление на точку прямо под собственным центром тяжести, и никуда бы не катился. На наклонной плоскости, однако, его вес по-прежнему направлен прямо вниз в то время, как точка поддержки, т.е. точка соприкосновения с плоскостью смещена назад. Здесь имеет место отсутствие равновесия, и мы можем разложить вес W на две силы: одна проходит через точку контакта с плоскостью, а вторая тянет шарик вдоль направления наклона.Будем считать вес (стрелка W) результирующей силой. Тогда рисуем эту силу из центра шарика вертикально вниз в масштабе, отражающем истинный вес. Нам уже известны направления двух сил, которые мы ищем: первое, отвечающее за давление на наклонную плоскость, проходит через точку контакта с ней, а второе - скатывающее шарик - параллельно наклону плоскости. Теперь из конца силы веса проводим две прямых параллельно двум силам, направления которых мы только что отметили, и эти прямые отсекут по длине от указанных направлений две величины, определяющие силу скатывания к давления на плоскость.Проделаем теперь то же самое с планером, который, хотя и "скользит вниз" по тонкому воздуху вместо жесткой поверхности, однако, подчиняется тем же правилам. Вес планера действует в направлении прямо вниз. Разлагая его на две компоненты, одна из которых противоположна подъемной силе крыла, а вторая тянет вперед в направлении планирования, мы приходим к балансу всех сил.(В случае, если вас интересует, откуда взялась энергия, заменяющая работу двигателя самолета, ответ прост: вы сами запасли ее, взбираясь или въезжая на холм, а теперь используете ее, возвращаясь по воздуху к подножию холма).(В хорошую погоду есть возможности и средства подняться гораздо выше, чем точка взлета, и оставаться там часами - одно их самых больших удовольствий этого спорта, но там вы используете силу входящих потоков воздуха. Это больше подходит под определение "парения", а не "глайдирования", и мы рассмотрим эти возможности позже в этой книжке).

Мы видели, что, когда наше крыло или надутый купол параглайдера планирует вперед, поток воздуха создает разницу давлений под крылом и над ним, в результате чего появляется подъемная сила, поддерживающая нас, кроме того, создается меньшая сила сопротивления, которую необходимо преодолеть "тянущей" компонентой нашего веса. В предыдущих иллюстрациях мы рисовали поток воздуха под крылом параллельно его плоскому днищу, как на рисунке выше. Угол между этой плоской нижней поверхностью крыла и потоком воздуха, с которым оно встречается, называется УГЛОМ АТАКИ. (Это не совсем верно для всех профилей, но мы примем, что это так для того, чтобы упростить наши иллюстрации). Когда нижняя поверхность крыла параллельна потоку воздуха, угла атаки нет, т. е. он равен нулю.(Пожалуйста, отметьте, что крыло при этом уже создает подъемную силу за счет кривизны своей поверхности).Теперь посмотрим, что произойдет, если мы постепенно будем увеличивать угол атаки, наклоняя крыло вверх и заставляя поток воздуха ударяться не только в переднюю кромку, но и отчасти снизу.Разумеется, при той же скорости воздуха подъемная сила (а также сопротивление воздуха) возрастут. Это происходит из-за того, что воздух, идущий поверх крыла, теперь должен пройти больший путь до воссоединения с потоком под крылом, и падение давления (всасывание вверх) на вершине крыла больше. Что еще важнее, поток воздуха снизу крыла оказывает давление на его нижнюю наклонную поверхность, увеличивая общее давление и выталкивая крыло вверх еще больше. Это чудесно. Используя наши возможности управления, мы наклоняем крыло до угла атаки в пять градусов, и наша подъемная сила увеличивается. Десять градусов - и она еще больше. Пятнадцать градусов - и мы получаем ужасающую подъемную силу от нашего крыла. Двадцать градусов и ... Вся подъемная сила пропала и мы резко ныряем вниз! Что случилось? Это называется ПОТЕРЯ СКОРОСТИ. Пока мы наклоняли наш профиль все к большим углам атаки, воздух должен был проходить через вершину крыла все больший и больший путь, и путь этот должен был становиться все более кривым. В какой-то точке, обычно между 15 и 20 градусов, воздух уже не в состоянии двигаться так, он разбивается на турбулентные вихри - это явление называется турбуленцией - и прекращает обеспечивать подъемную силу, оставляя нас наедине с силой сопротивления воздуха. На практике, если потеря скорости происходит на большой высоте, вы вновь набираете ее в результате погружения и возвращаетесь опять к нормальному полету, потеряв часть высоты и испытав учащенное сердцебиение. Но на более низких высотах вы можете нырнуть в землю прежде, чем наберется подъемная сила. Потеря скорости - это одна из первых вещей, которых вас научат избегать на курсах параглайдинга.Чтобы осознать все эти изменения подъемной силы, введем в рассмотрение еще одно уравнение и один график. Уравнение (которое выглядит аналогичным уравнению для силы сопротивления, записанному несколькими страницами раньше) описывает ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ для данного крыла:
ПОДЪЕМНАЯ СИЛА = 1/2 х р х R х А х V² Мы уже встречали р (плотность воздуха) и V (квадрат нашей скорости). "А" - это площадь или поверхность нашего парашюта (обычно между 20 и 30 м ). Новое обозначение здесь - это - КОЭФФИЦИЕНТ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ. Он зависит всегда от конкретной формы вашего профиля, но, кроме того, как мы только что видели, от угла атаки. Если мы нарисуем график, где на горизонтальной оси показаны различные углы атаки, а на вертикальной - коэффициент подъемной силы, то получим примерно следующий вид кривой: При нулевом угле атаки на вертикальной оси мы видим, что уже существует некоторая подъемная сила. (Кривая начинается со значения около 0,2). На 5 градусах мы получаем по кривой коэффициент подъема 0,4. Подъемная сила крыла удвоилась! При 10 градусах коэффициент равен 0,6, а при 15 - чуть больше, но кривая выравнивается, мы не получаем большой подъемной силы. Где-то между 15 и 20 градусами она полностью падает; больше нет подъемной силы, и крыло падает.

Наблюдая со стороны за глайдирующим парашютом, вы замечаете, что его купол имеет отрицательный угол по отношению к горизонту, т. е. передняя кромка находится ниже задней. Не обращайте на это внимания. Мы интересуемся только двумя "невидными" ушами. Направлением нашего пути глайдирования, которое также задает направление воздушного потока, и углом атаки нашего крыла относительно этого направления:В спокойном воздухе (о ветре мы расскажем позже) глайдирующий парашют покрывает расстояние в несколько раз больше, чем высота, с которой он стартовал. Это отношение (расстояние, деленное на высоту), называемое отношением глайдирования, может меняться от умеренного 3:1 для простого (но стабильного и безопасного) учебного парашюта до 6:1 для парашюта высокого качества.

Рассмотрим теперь ближе стропы управления парашютом.Они проходят от левого и правого края хвостовой кромки парашюта, соединяются, превращаясь в две одинарных стропы, по одной с каждой стороны, проходят через кольца на задних лямках и заканчиваются петлевыми ручками, которые вы держите в руках. (Кольца предохраняют руки от выскальзывания и отдува на недостижимое расстояние). Когда мы тянем за ручку управления, мы опускаем хвостовую кромку, увеличивая угол атаки, а с ним - подъемную силу и силу сопротивления. Если тянуть левую ручку управления, то мы увеличим сопротивление этой стороны купола, и наш парашют повернет налево. Если тянуть правую ручку, мы повернем направо. В этом, собственно, и вся премудрость управления парашютом, и это сравнительно просто.Но ваши ручки управления могут сделать еще кое-что, когда они работают одновременно: вы теперь увеличиваете угол атаки большей части крыла, причем одинаково с двух сторон (но не так сильно - ручки на уровне бедер, - чтобы не создать полной потери скорости). Вы теперь летите прямо, но под большим углом атаки, сохраняя подъемную силу при меньшей скорости, а также глайдируя под более плоским углом. Наконец, перед самым касанием земли, вы убираете ручки управления полностью вниз, схлопывая крыло и уменьшая вашу скорость до минимума.В случае, если вас заинтересовало, почему управляющие стропы не подсоединены ко всей длине хвостовой кромки:если вы беспечно схлопнули обе стороны парашюта на значительной высоте, в результате чего подъемная сила полностью исчезла и концы крыла сузились, середина крыла остается надутой, обеспечивая некоторую подъемную силу и помогая надуванию краев через отверстия соседних нервюр.Когда вы держите "руки вверх", ваш парашют летит со своей максимальной скоростью 35-40 км/ч, но не при наилучшем глайдирующем отношении и не наилучшей скорости снижения. (СКОРОСТЬ СНИЖЕНИЯ - это скорость, с которой вы теряете высоту в глайдирующем полете; она меняется от, примерно, 2 м/с для тренировочных парашютов, до менее чем 1 м/с для спортивных).Если ручки управления находятся где-то между вашими ушами и плечами, ваш парашют летит со скоростью 25 км/ч, и это его лучшее использование: наиболее пологий угол глайдирования и наименьшая скорость снижения.Опускание ручек еще ниже - примерно на уровень груди - может еще улучшить летные качества, но это также замедляет полет до скоростей, которые могут привести к падению.Если управляющие ручки находятся внизу в районе поясницы, это замедляет полет до 20 км/ч и рекомендуется только в случае посадки.На большей части пути всех полетов для извлечения максимальных достоинств парашюта руки держатся где-то на уровне плеч.