Под действием каких сил происходит такой полет?

Из первого закона механики, открытого великим английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727), следует, что прямолинейное равномерное движение происходит без действия каких-либо сил — по инерции[12]. На первый взгляд это кажется совершенно непонятным, так как из жизни мы знаем, что без силы тяги невозможно осуществить прямолинейное равномерное движение. Но дело в том, что сила тяги нужна только для того, чтобы все время преодолевать тормозящую силу, от которой мы не можем избавиться. Если бы ее не было, то тело, раз получив движение, двигалось бы вечно — по инерции.

Приведем простой пример.

По реке движется моторная лодка с постоянной скоростью. Сила тяги гребного винта, преодолевая силу сопротивления воды и силу сопротивления воздуха, должна быть равна их сумме, иначе равномерного движения не получится: если сила тяги будет больше тормозящих сил, движение будет ускоренным, если сила тяги станет меньше их, движение замедлится. Таким образом, для прямолинейного равномерного движения лодки необходимо, чтобы действующие на нее силы взаимно уравновешивались, то есть чтобы сумма их равнялась нулю. А ведь это и означает, что такое движение происходит без каких-либо сил — по инерции.

Следовательно, и для прямолинейного полета с постоянной скоростью (установившегося полета) тоже необходимо, чтобы действующие на самолет силы взаимно уравновешивались. Это справедливо как для горизонтального полета, так и для подъема и спуска.

Вот самолет летит горизонтально и прямолинейно (рис. 20) с постоянной скоростью при некотором угле атаки α.

Рис. 20. Силы, действующие на самолет в установившемся горизонтальном полете. Подъемная сила П равна силе веса В, а сила тяги винта Т равна силе лобового сопротивления Л; Ц. Т. — центр тяжести.

На самолет действуют три главные силы: сила веса В сила тяги Т и полная аэродинамическая сила Р всего самолета, которую удобнее представить в виде ее слагаемых — подъемной силы П и силы лобового сопротивления Л.

Сила веса всегда приложена в центре тяжести самолета[13]. Другие силы обычно приложены хотя и близко от центра тяжести, но в других точках. Однако ради простоты будем пока считать, что они приложены тоже в центре тяжести.

Сила веса всегда направлена вертикально вниз, то есть отвесно. Подъемная сила всегда перпендикулярна к воздушному потоку, значит, в горизонтальном полете она направлена вертикально вверх. Сила тяги направлена, конечно, вперед — по движению, а сила лобового сопротивления — назад, против движения.

При установившемся прямолинейном полете силы должны взаимно уравновешиваться.

Так как подъемная сила направлена вертикально вверх, а сила веса — вертикально вниз, то, очевидно, подъемная сила и должна уравновесить силу веса. Сила тяги должна уравновесить тормозящую силу, то есть силу лобового сопротивления.

Таким образом, в горизонтальном установившемся полете подъемная сила равна весу самолета, а сила тяги равна лобовой силе.

Ну, а если нужно изменить скорость горизонтального полета? Казалось бы, что для этого достаточно изменить тягу винта, как это делает водитель моторной лодки. Но здесь дело не так просто. Если летчик изменит только тягу винта, то изменится и подъемная сила крыла (поскольку она зависит от скорости полета), равновесие ее с силой веса нарушится, и поэтому траектория полета искривится вверх или вниз. Следовательно, одновременно с изменением тяги винта летчик должен сделать еще что-то.

Подъемная сила крыла зависит также от угла атаки, с увеличением его она растет, с уменьшением — падает. Так как летчик может изменять угол атаки (рулем высоты), то тем самым он может изменять и величину подъемной силы.

Таким образом, для изменения скорости полета в распоряжении летчика имеются рычаги управления силовой установкой и рулем высоты.

Теперь предположим, что в горизонтальном полете двигатель работает на полной мощности, и самолет летит с максимальной скоростью. При такой скорости достаточно очень малого угла атаки, чтобы подъемная сила была равна весу самолета (рис. 21, а).

Рис. 21. Горизонтальный полет с разными скоростями: а) максимальная скорость при очень малом угле атаки, б) некоторая средняя скорость, в) минимальная скорость при критическом угле атаки.

Но вот летчик решил немного уменьшить скорость полета. Для этого он уменьшает обороты двигателя и одновременно увеличивает угол атаки (рис. 21, б). В результате уменьшения скорости подъемная сила должна уменьшиться, а в результате увеличения угла атаки она должна увеличиться. Вот и получается, что в итоге она остается неизменной, равной весу самолета.

И чем меньшую скорость хочет получить летчик, тем больше он увеличивает угол атаки (рис. 21, б), соответственно изменяя тягу винта. Положение, изображенное на рис. 21, б, примерно соответствует полету с минимальной (наименьшей) возможной скоростью. Она получается при критическом угле атаки. Со скоростью, меньшей минимальной, самолет летать не может.

Все скорости, с которыми самолет может лететь горизонтально, составляют, как говорят, диапазон скоростей самолета. Например, минимальная скорость самолета ЯК-18 равна 100 километрам в час, а максимальная — 257 километрам в час, следовательно, этот самолет может лететь с любой скоростью в диапазоне от 100 до 257 километров в час.

Чем больше диапазон скоростей горизонтального полета, тем лучше самолет.

Для устойчивого равновесия самолета в полете большую роль играет положение его центра тяжести. Центр тяжести самолета во всех случаях лежит позади передней кромки крыла (рис. 22, а).

Рис. 22. Продольное равновесие самолета достигается рулем высоты: а) момент подъемной силы руля высоты и стабилизатора уравновешивает момент подъемной силы крыла; б) равновесие весов; в) оси вращения самолета.

Расстояние от передней кромки до центра тяжести (расстояние Ц) называют центровкой самолета. Конструктор самолета указывает допустимые изменения центровки, то есть возможные перемещения центра тяжести по длине самолета. Позволительны лишь небольшие перемещения. Однако даже самое правильное положение центра тяжести еще не обеспечивает самолету равновесия в полете. Необходимо также, чтобы моменты всех сил относительно центра тяжести взаимно уравновешивались.

Но что такое момент силы?

Как известно, вращающее действие силы зависит не только от ее величины, но и от ее «плеча», то есть расстояния от линии действия силы до оси вращения (например, завернуть гайку тем легче, чем длиннее ключ).

Произведение величины силы на длину ее плеча и называется в механике моментом силы. Чем больше будет момент силы, тем больше будет и ее вращающее действие.

Теперь сделаем маленький опыт, чтобы познакомиться с равновесием моментов сил.

Если вы положите на одну чашку простейших весов (рис. 22, б) грузик р, а на другую груз Р, в пять раз больший, то эта чашка, естественно, перетянет. Но можно уравновесить наши весы и при неравных грузах, передвинув нитку, на которой вращается коромысло, ближе к чашке с большим грузом. Уравновесив весы, вы убедитесь, что плечо А в пять раз длиннее плеча а.

Таким образом, если две неравные силы стремятся вращать тело в противоположные стороны, то они будут уравновешивать друг друга в том случае, если произведение одной силы на ее плечо равно произведению другой силы на ее плечо, то есть если моменты сил равны.