Почему же всё-таки, несмотря на «доказанную учёными невозможность», самолёты летают? Потому что при движении предмета сквозь воздух может возникнуть дополнительная подъёмная сила, которая заставит этот предмет подниматься вверх. Ещё в 1505 г. Леонардо да Винчи писал:
«…когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях».
Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Теория подъёмной силы крыла самолёта была разработана в 1906 г. российским математиком и механиком Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921) (рис. 226).
Рис. 226. Н. Е. Жуковский
Подъёмная сила зависит от скорости движущегося предмета и от угла его наклона к направлению движущегося воздуха. Посмотрим сначала, какие силы действуют на бумажный змей, удерживаемый на ветру верёвкой (рис. 227). На поверхность змея действует сила воздушного потока, которая толкает его вверх. Кроме того, на змей действуют силы тяжести и натяжения верёвки, заставляя его двигаться вниз. При равенстве нулю суммы этих сил змей будет держаться в воздухе, но если сила давления ветра будет больше направленных вниз сил, змей будет подниматься.
В случае самолёта имеют значение форма его крыла и угол, под которым он находится по отношению к встречному потоку воздуха.
Этот угол называют углом атаки. Снизу поверхность крыла плоская, а сверху – выпуклая. Поэтому, когда самолёт находится в полёте, поток воздуха, который движется навстречу крылу, должен проделать вдоль его верхней поверхности больший путь, чем вдоль нижней, и это различие ещё больше увеличивается из-за угла атаки. Следовательно, скорость воздуха над крылом должна быть больше, чем под ним. А согласно законам аэродинамики, чем больше скорость потока, тем ниже давление в нём. Значит, давление воздуха на крыло снизу будет больше, чем давление сверху. Отсюда и возникает подъёмная сила, которая к тому же увеличивается при возрастании угла атаки. Чем больше угол атаки, тем больше подъёмная сила, но тем больше и сопротивление воздуха, которое приходится преодолевать самолёту. Поэтому, для того чтобы этот угол имел оптимальное для данной ситуации положение, на самолёте существуют специальные рули для его изменения. В зависимости от их положения самолёт набирает высоту, летит горизонтально или снижается.
Для полёта самолёта используют двигатели различного типа. Первые самолёты имели воздушные винты, или пропеллеры, которые, вращаясь, создавали поток воздуха. Современные самолёты оснащены турбовинтовыми и турбореактивными двигателями, которые позволяют им развивать очень высокую скорость (рис. 228).
Рис. 227. Полёт бумажного змея
Рис. 228. Ретроспектива самолётов (от начала XX в. до начала XXI в.): А – У-2 (1928); Б – Конкорд (1969); В – Боинг-737 (1967); Г – МиГ-21 (1956); Д – Ил-96 (1988) (в скобках указан год первого полёта)
Были созданы так называемые сверхзвуковые самолёты, скорость которых превышала скорость звука (331,5 м/с при 0 °C). Попытки использовать их для перевозки пассажиров успехом не увенчались из-за слишком большого риска, и в настоящее время их применяют только в военной авиации. Современные реактивные самолёты могут развивать скорость до 3500 км/ч, т. е. почти 1 км/с.
Проверьте свои знания
1. Когда и кем был сконструирован первый воздушный шар?
2. Чем дирижабль отличается от аэростата?
3. Кто сделал первую попытку построить самолёт? Как вы думаете, почему первый самолёт не смог подняться в воздух?
4. Объясните, почему, несмотря на огромную массу, самолёты летают.
Задания
1. Запустите воздушный змей. Проанализируйте, насколько легко вам это удалось сделать. Зависел ли ваш успех от конструкции змея, погоды и других факторов?
2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию на тему «История воздухоплавания».
§ 70 За пределами земного тяготения
Земля – колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели.
К. Э. Циолковский
Первая половина XX в.: Циолковский и его последователи
В прошлом учебном году мы говорили о том, что в начале XX в. российский учёный К. Э. Циолковский мечтал о полётах человека за пределы Земли и даже Солнечной системы и о заселении человечеством далёких планет (рис. 229). Он понимал, что передвижение в безвоздушном пространстве возможно только с помощью реактивных двигателей, и сам занимался разработкой этих двигателей (рис. 230). Циолковский уже тогда понимал, что твёрдые взрывчатые вещества, главным из которых в то время являлся порох, малопригодны для запуска ракет на большие расстояния из-за того, что отношение их массы и выделяемой при горении энергии слишком велико. В ракете Циолковского предполагалось разместить два отсека, содержащие жидкий кислород и водород.
Рис. 229. К. Э. Циолковский
Рис. 230. Чертёж первого космического корабля К. Э. Циолковского (из рукописи «Свободное пространство», 1883 г.)
По мере поступления в общую камеру они должны были реагировать с образованием воды и выделением огромного количества энергии, за счёт которой и происходил бы полёт ракеты.
В те же годы к полётам на далёкие планеты стремился не один Циолковский. В 1907 г. американский учёный Годдард опубликовал статью «О возможности перемещения в межпланетном пространстве», очень близкую по духу работе Циолковского. О том же мечтал совсем ещё тогда юный немец Вернер фон Браун – будущий создатель нацистской ракеты «Фау-2», а затем и первых американских космических ракет. Позже он вспоминал: «Это была цель, которой можно было посвятить всю жизнь! Не только наблюдать планеты в телескоп, но и самому прорваться во Вселенную, исследовать таинственные миры».
В 30-е гг. XX в. в Советском Союзе и Германии начались активные исследования в области ракетной техники. Но всем было понятно, что в недалёком будущем начнётся война, поэтому о полётах в космос пришлось забыть, так как все усилия были направлены на разработку военной техники. В Советском Союзе был создан Ракетный научно-исследовательский институт, в котором работали будущие создатели космических ракет Сергей Павлович Королёв (1907–1966) и Валентин Петрович Глушко (1908–1989). Под их руководством изготавливались зенитные ракеты и миномёты, в том числе легендарные «катюши» (рис. 231, 232). В Германии тем временем фон Браун создал знаменитую «Фау-2», превосходившую все существовавшие в то время ракеты по скорости и дальности полёта.
Создание спутников
После окончания войны создание ракет для военных целей плавно переросло в разработку космических аппаратов. В Советском Союзе этими работами руководил С. П. Королёв, а в США – взятый в конце войны в плен фон Браун.
Рис. 231. Пензенский машиностроительный завод, памятник «катюше», 1982
Первой задачей создателей космической техники было выведение на околоземную орбиту тела, способного вращаться вокруг Земли подобно тому, как это делает Луна, т. е. искусственного спутника Земли. Для того чтобы это стало возможным, ракета должна достичь так называемой первой космической скорости, которая составляет 7,9 км/с. При запуске ракеты с меньшей скоростью она не выйдет на орбиту и упадёт обратно на Землю. Существует ещё вторая космическая скорость, требующая, чтобы искусственное тело покинуло пределы земного притяжения и стала спутником Солнца (искусственной планетой). Она равна 11,2 км/с. Третью и четвёртую космические скорости требуется развить для того, чтобы искусственное космическое тело покинуло соответственно пределы Солнечной системы и Галактики. Точное значение этих скоростей зависит от многих обстоятельств, связанных с конкретными особенностями полёта.
Рис. 232. Боевое применение гвардейского реактивного миномета «катюша» (Великая Отечественная война)
Для того чтобы развить и удерживать такие скорости, ракета должна быть многоступенчатой. К этому выводу пришёл ещё задолго до создания таких ракет К. Э. Циолковский, который подтвердил эту идею тщательными расчётами и вывел для этого специальную формулу.
Дело в том, что для развития космической скорости требуется огромная энергия, а следовательно, огромные запасы топлива. Получается, что основную часть массы ракеты составляет топливо. На долю полезных частей ракеты приходится не более 2 % стартовой массы ракеты. Ракета, состоящая из нескольких ступеней, позволяет существенно сэкономить на затрачиваемых усилиях за счёт того, что во время полёта та ступень, которая уже выработала своё топливо, отделяется, и остальное топливо не расходуется на ускорение ставшей ненужной ступени.
