Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации - Докинз Ричард

ПОЖАЛУЙ, НЕ САМОЕ ГЕНИАЛЬНОЕ ИЗ ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ ЛЕОНАРДО

Даже если четыре человека будут бежать вокруг кабестана со всех ног, это устройство не поднимется над землей ни на сантиметр.

Но параллельно происходит и другой процесс, не такой очевидный. Есть второй способ, которым крылья дают подъемную силу при стремительном движении вперед. Он назван в честь Даниила Бернулли, швейцарского математика, жившего в XVIII веке. Многие не вполне понимают, как взаимодействуют эти два способа. К счастью, самолеты все равно не падают, даже если простыми словами трудно объяснить, как именно им это удается.

Итак, вот второй способ, бернуллиевский, которым крылья обеспечивают подъемную силу. Вы наверняка заметили, что у современных самолетов крылья не плоские, они искусно выгнуты. Передняя кромка толще задней. А форма сечения крыла – тщательно рассчитанная криволинейная фигура, продуманная так, чтобы воздух, обтекая поверхность крыла, давал подъемную силу согласно закону Бернулли.

Закон Бернулли гласит, что, если текучая среда (это выражение означает и газы, и жидкости) движется вдоль поверхности, давление на поверхность уменьшается. Именно поэтому занавеска в душе прилипает к телу. И чтобы этого не происходило, нередко вешают вторую занавеску снаружи бортика ванны. В этом случае поток Бернулли – это ветер, направленный сверху вниз, который генерирует текущая вода. Теперь представьте себе, что у вас есть две душевые насадки, направленные вниз, по обе стороны от занавески. Из одной вода течет быстрее, чем из другой. По закону Бернулли, занавеску “засосет” в ту сторону, откуда вода течет быстрее (“засосет” в кавычках, поскольку то, что мы принимаем за засасывание, на самом деле более высокое давление с другой стороны).

Естественно, ветер давит и на крыло самолета, который мчится вперед, рассекая воздух. Обычно самолеты стараются для усиления воздействия взлетать по возможности против доминирующего ветра. Тут есть некоторая тонкость. Согласно закону Бернулли, сила засасывания зависит от формы поверхности, вдоль которой дует ветер. Криволинейную верхнюю поверхность крыла воздух обтекает быстрее, чем более плоскую нижнюю поверхность. Вспомните поучительный пример занавески в душе. Ветер, в точности как занавеска, подсасывается вверх из-за более низкого давления на верхнюю поверхность крыла.

Объяснить, почему выгнутая верхняя поверхность крыла заставляет воздух двигаться быстрее, задача довольно сложная. Обычно говорят, что две молекулы воздуха, одновременно отправившиеся в путь от передней кромки крыла к задней, одна по верхней поверхности крыла, а другая по нижней, должны по какой-то загадочной причине достигнуть задней кромки одновременно. Иначе говоря, те молекулы, которые следуют по криволинейной верхней поверхности крыла, должны пройти более длинный путь, поэтому, как считается, им приходится двигаться быстрее. Но это не так. На самом деле молекулы вовсе не окажутся у задней кромки крыла одновременно. И не должны, собственно. Тем не менее молекулы воздуха действительно обтекают изогнутую верхнюю поверхность крыла, вместо того чтобы отлетать по касательной, и действительно движутся по криволинейной верхней поверхности быстрее, чем по более плоской нижней, так что эффект Бернулли и в самом деле обеспечивает некоторое количество подъемной силы как следствие.

САМОЛЕТ В РЕЖИМЕ СВАЛИВАНИЯ

Рисунок турбулентности вокруг самолета в режиме сваливания.

При всем при том вклад закона Бернулли в подъемную силу в обычных условиях не так важен, как первый из упомянутых эффектов – эффект плоской доски, он же ньютоновский. Если бы бернуллиевская подъемная сила была больше ньютоновской, самолеты не могли бы летать вверх ногами. А они могут – по крайней мере, небольшие.

Выше я описал, как молекулы воздуха обтекают искривленную верхнюю поверхность крыла и не отлетают по касательной. Но это верно лишь отчасти. Если угол набегающего потока слишком велик, то есть крыло наклонено вверх слишком резко, обтекание нарушается, молекулы воздуха перестают плавно огибать крыло и отрываются от него, и возникают жуткие турбулентные вихри. Давление Бернулли исчезает, и воздушное судно внезапно теряет подъемную силу и, как говорят специалисты, впадает в режим сваливания. Режим сваливания – это очень опасно, и пилот должен принять меры, чтобы снова набрать подъемную силу, то есть уменьшить угол набегающего потока (обычно для этого нужно немного наклонить нос вниз) и тем самым восстановить плавное обтекание воздухом верхней части крыла.

Я упомянул угол набегающего потока, это угол наклона крыла относительно направления воздушного потока. Не путайте это с наклоном (тангажем) самолета относительно поперечной оси, то есть относительно земли. Когда самолет взлетает, наклон очень крут, и поэтому, если вы нарушите правила и оставите на столике стакан с питьем, оно, вероятно, прольется. В этом случае велик и угол набегающего потока. Но так бывает не всегда. У истребителя, взлетающего почти вертикально, большой наклон, но маленький угол набегающего потока, поскольку ветер, дующий на крыло, направлен почти вертикально вниз.

Говорят, что воздушное судно наклоняется, когда угол его наклона относительно земли растет или уменьшается. А когда одно крыло идет вверх, а другое – вниз, говорят, что самолет кренится. Пилоты контролируют крен при помощи элеронов на задней кромке крыла, которые можно поднимать и опускать, а наклон – при помощи таких же горизонтальных поднимающихся и опускающихся плоскостей на хвосте. Добавлю, что самолет рыскает, когда водит носом влево или вправо. Рыскание пилоты контролируют при помощи вертикального руля сзади хвоста. Летающие животные тоже наклоняются, кренятся и рыскают.

Пока что речь у нас шла в основном о самолетах с фиксированными крыльями, поскольку их теоретическая основа проще. Братья Райт и другие первые авиастроители применяли систему для “крутки” крыла – сложный механизм из тросов и блоков, при помощи которого можно было менять форму каждого крыла в отдельности и тем самым рулить летательным аппаратом. Сегодня на смену пришли подвижные элероны. Если говорить о крыле птицы, теоретические расчеты, позволяющие понять, как оно набирает подъемную силу и толкает птицу вперед, оказываются сложнее, чем для самолетов с фиксированным крылом. Птицы не просто машут крыльями: их крылья постоянно меняют форму, чутко реагируя на обстоятельства. Сочетание взмахов и изменений формы делают математику птичьего полета такой сложной, что разобрать ее здесь во всех подробностях практически невозможно. Однако можно утверждать, что у птичьих крыльев те же способы набрать подъемную силу, что и у крыльев самолета, ньютоновский и бернуллиевский, но их взаимодействие сложнее. Пока же поговорим о проблеме сваливания, которая актуальна не только для самолетов, но и для птиц.

Воздушное судно для снижения риска сваливания прибегает к хитроумным устройствам, в числе которых предкрылки. Это маленькие дополнительные крылья, хитроумно пристроенные перед основным крылом таким образом, чтобы оставались промежутки – щели. Сквозь них предкрылки перенаправляют на верхнюю поверхность основного крыла дополнительный воздух. Это позволяет отодвинуть критическую точку, на которой начинается турбулентность, сместить ее назад по верхней поверхности крыла, а следовательно, избежать сваливания. Кроме того, благодаря предкрылкам сваливание начинается при большем угле набегающего потока. При нормальном полете предкрылки обычно аккуратно сложены и убраны. Пилоты приводят их в действие во время взлета и посадки, когда угол набегающего потока велик, а скорость самолета мала. У современных авиалайнеров иногда изящно отогнут кончик крыла. Это снижает и турбулентность, и лобовое сопротивление воздуха, и некоторые птицы тоже отгибают кончики крыльев.