Удивительная физика - Нурбей Гулиа

Авиация давно перешагнула звуковой барьер, который измеряется так называемым числом Маха – М. При дозвуковой скорости М < 1, при звуковой М = 1, при сверхзвуковой М > 1. И форма крыла при этом изменилась – оно стало тоньше и острее. Форма крыльев в плане тоже изменилась. Дозвуковые крылья имеют прямоугольную, трапециевидную или эллиптическую форму. Околозвуковые и сверхзвуковые крылья делаются стреловидными, дельтовидными (как греческая буква «дельта») или треугольными (рис. 218). Дело в том, что при движении самолета с около– и сверхзвуковой скоростью возникают так называемые ударные волны, связанные с упругостью воздуха и скоростью распространения в нем звука. Чтобы уменьшить это вредное явление и применяются крылья более острой формы. Картина обтекания воздухом дозвукового и сверхзвукового крыльев представляет на рис. 219, где видна разница в их взаимодействии с воздухом.

А сверхзвуковые самолеты, снабженные такими крыльями, показаны на рис. 220.

Рис. 219. Картина обтекания воздухом дозвукового и сверхзвукового крыльев Рис. 220. Сверхзвуковые бомбардировщик (а) и истребители (б)

Самолеты со скоростью М > 6 называются гиперзвуковыми. Их крылья строятся так, чтобы ударные волны от обтекания фюзеляжа и крыла как бы гасили друг друга. Оттого и форма крыльев у таких самолетов замысловатая, так называемая W-образная, или М-образная (рис. 221).

Рис. 221. Гиперзвуковой самолет Рис. 222. Эволюция самолетов

Кратко об истории полетов человека и эволюции самолетов (рис. 222).

В 1882 г. русский офицер А. Ф. Можайский построил самолет с паровым двигателем, который из-за большой тяжести взлететь так и не смог. Несколькими годами позже немецкий инженер Лилиенталь проделал ряд скользящих полетов на построенном им балансирном планере, который управлялся перемещением центра тяжести тела пилота. Во время одного из таких полетов планер потерял устойчивость, и Лилиенталь погиб. В 1901 г. американские механики братья Райт построили планер из бамбука и полотна и проделали на нем несколько удачных полетов. Планер запускался с пологого склона холма при помощи примитивной катапульты, состоящей из небольшой бревенчатой вышки и веревки с грузом. Летом братья учились летать, а остальное время работали в своей велосипедной мастерской, копя деньги для продолжения опытов. Зимой 1902—1903 г. они изготовили бензиновый двигатель внутреннего сгорания, установили его на своем планере и 17 декабря 1903 г. совершили первые полеты, самый долгий из которых хотя и продолжался только 59 секунд, все же показал, что самолет способен взлетать и держаться в воздухе.

Усовершенствовав самолет и достигнув некоторого летного мастерства, братья Райт в 1906 г. обнародовали свое изобретение. С этого момента началось бурное развитие авиации во многих странах мира. Через 3 года французский инженер Блерио перелетел на самолете своей конструкции через Ла-Манш, доказав способность этой машины летать над морем. Менее чем через 20 лет на одноместном самолете был совершен перелет из Америки в Европу через Атлантический океан, а еще через 10 лет, летом 1937 г., трое советских летчиков – В. П. Чкалов, Г. Ф. Байдуков и А. В. Беляков – на самолете А. Н. Туполева АНТ-25 перелетели из Москвы в Америку через Северный полюс. Через несколько дней М. М. Громов, А. Б. Юмашев и С. А. Данилин, пролетев тем же маршрутом, установили мировой рекорд дальности полета по прямой, покрыв без посадки 10 300 км.

Наряду с дальностью росли грузоподъемность, высотность и скорость самолетов. Первый сверхтяжелый самолет «Илья Муромец» был построен в России. Этот четырехмоторный гигант настолько превосходил все тогдашние машины, что за рубежом долго не могли поверить в существование такого самолета. В 1913 г. «Илья Муромец» побил мировые рекорды дальности, высотности и грузоподъемности.

Если скорость самолета братьев Райт была около 50 км/ч, то современные самолеты летают в несколько раз быстрее звука. А еще быстрее летают ракеты. Например, ракета-носитель, которая вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли, имела М ≈ 28.

Как же летает ракета? Схематически очень просто: газы, полученные тем или иным образом в ракете, вырываются из ее сопла, благодаря чему корпус ракеты движется в другую сторону (рис. 223). В настоящее время ракеты работают преимущественно на жидких топливах – керосине, гидразине, жидком водороде и др., а в качестве окислителя (воздуха-то в космическом пространстве нет, а топливу нужен кислород для горения!) – жидкий кислород, перекись водорода и ряд других веществ. От сгорания топлива в окислителе образуются газы, которые, вырываясь из камеры сгорания через сопло, движут ракету. Хотя мы и говорим «движут ракету», словам этим верить трудно. Как это можно внутренними силами двигаться? Да это противоречит всем сразу законам механики! Поэтому рассмотрим эту задачу корректнее.

Рис. 223. Ракета с жидким топливом и окислителем: 1 – сопло; 2 – камера сгорания; 3 – аппаратура

Если самолет движется, опираясь на внешнюю среду – воздух, отталкиваясь от него, то ракета может лететь и в космическом пространстве, где и среды-то нет. Так летит ли она вообще?

Если честно – то нет. Никуда она не летит, центр ее массы где был до начала горения топлива, там и остался, и останется навечно, если даже люди в этой ракете улетят за пределы Солнечной системы. (Все это верно в том случае, если старт ракеты происходит уже в безвоздушном пространстве.)

Дело здесь в том, что одна часть ракеты – головная с грузом, людьми, приборами и т. д., летит в одну сторону, а другая часть – окисленное, или сгоревшее, топливо – в другую. Ведь никто же не будет отрицать, что топливо и особенно окислитель, составляющие большую часть массы, – такая же неотъемлемая часть ракеты, как грузы, приборы и люди. Все они образуют одно тело – ракету. Другое дело, что в полете эта ракета разделяется на корпус или головную часть его, которая летит вперед, и газы, которые летят назад. При этом центр массы всей ракеты совершенно неподвижен.

Так-то с полетами ракет! Не ракет, выходит, а их частей, головных преимущественно, составляющих очень незначительную массу всего устройства, А подавляющая часть массы ракеты тоже летит, но в противоположную сторону. Вот после этого и решайте – вперед полетит ракета или назад? Или останется на месте?

Махать или крутить?

Когда говорят о полетах человека, начинают обычно вспоминать Икара и его отца Дедала, летавших с помощью крыльев, как птицы.

Дело было так. Легендарный строитель, художник и вообще талантливый универсал Дедал вместе со своим сыном Икаром были заточены в знаменитый критский лабиринт царем Миносом. Тем самым Миносом, для которого Дедал построил на свою беду этот лабиринт для помещения туда чудовища – Минотавра, каким-то невероятным образом приходившимся сыном самому Миносу. Короче говоря, Дедал провинился перед Миносом в результате чего и оказался в лабиринте вместе с сыном Икаром.

А так как Дедал был на все руки мастер, то он изготовил из птичьих перьев и воска крылья себе и Икару. Надели они эти крылья и полетели прочь с острова Крит через море. Дедал был уравновешенным человеком и благополучно прилетел куда надо. А Икар, романтическая натура, поднялся, видите ли, слишком высоко. Там, как мы знаем, должен был быть горный холод, но оказалась жара (по легенде – от близости к Солнцу, что, конечно же, невероятно), воск растопился, крылья рассыпались, и Икар, упав в море, погиб.

Не говоря уже о слишком большой технической натянутости легенды (крылья из перьев и воска, полет собственными силами и т. д.), обидно, что все вспоминают недисциплинированного и неудачливого Икара и забывают про технически грамотного и уравновешенного Дедала.

Рис. 224. Икар XVIII в. на мускулолете Ле Беньера

Но мог ли человек вообще силой своих мышц в машущем полете подняться в воздух? На рис. 224 изображен Икар (или Дедал?) XVIII в., летящий на мускулолете конструкции француза Ле Беньера. Разумеется, конструкция не выдерживает никакой критики, как и изображенная на рис. 225.

Рис. 225. Птицевидный планер из проектов прошлых веков

Чтобы успешно махать крыльями и лететь, птицы имеют, как об этом было сказано, в 72 раза более сильные мышцы, чем у человека (по отношению к массе птицы и человека). Грудные мышцы голубя составляют до 40 % массы всей птицы, а у человека – 1 %. Бесполезная затея – летать человеку на крыльях.

Хотя на педальных велосамолетах, изготовленных из

легчайших и сверхпрочных материалов, спортсмены научились летать. В частности, грек К. Канеллопулос повторил полет Дедала протяженностью в 119 км – от Крита до острова Санторин. Размах крыльев велосамолета был 34 м, а масса всего 32 кг.