Әрине, аспанда қалықтап бара жатқан көп тонналы әуе лайнерінің терезесінен қарап отырып, сіз кем дегенде бір рет ойланған боларсыз: бұл қалай мүмкін? Адамдар ауыр заттардың құлауы керек екенін интуитивті түрде түсінеді. Сонымен, неге жүздеген тонна салмағы бар металл ұшақ құлап қана қоймай, аспанға оңай көтеріледі?
Бұл сұрақ қарапайым, тіпті балалық шақ сияқты көрінеді, бірақ ол мүлдем логикалық. Жауап сиқырда емес, инженерлер шебер қолданған физиканың айқын және сенімді заңдарында жатыр. Қарапайым тілмен айтқанда, ұшақтың неліктен ұшатыны үш негізгі элементке байланысты: дұрыс жылдамдық, қанаттардың ерекше пішіні және таңқаларлығы, біз әдетте байқамайтын ауаның өзі. Бұл процесс соншалықты жақсы қалыптасқан және болжамды, сондықтан бүгінде ұшақ ең қауіпсіз көлік түрі болып саналады.
Неліктен ұшақ мүлдем ұша алады?
Біріншіден, бір негізгі нәрсені түсіну маңызды: ауа бос кеңістік емес. Біз оны көре алмаймыз, бірақ ол массасы мен тығыздығы бар материалдық газ қоспасы (негізінен азот пен оттегі). Теңіз деңгейінде ауаның текше метрінің салмағы шамамен 1,2 килограммды құрайды. Кез келген зат ол арқылы өткенде, ауа айтарлықтай кедергі жасайды, оны қозғалып келе жатқан көліктің терезесінен шыққан қол сезеді. Авиацияның бүкіл принципінің негізінде осы өзара әрекеттесу, ауадан келетін осы «тірек» жатыр.
Ұшақ аспанда көрінбейтін жіптерге «ілініп» тұрмайды. Ол үнемі үлкен жылдамдықпен — сағатына 800-900 км жылдамдықпен алға жылжиды. Бұл қозғалыс ауа массаларының қанаттардың үстінен өтуіне мәжбүр етеді, бұл ұшақты жоғары қарай итеретін күш тудырады. Қағаз ұшақты немесе батпырауықты елестетіп көріңіз: ұшу үшін оны лақтыру немесе жоғары қарай жүгіру керек, яғни оған ауаға қатысты жылдамдық беру керек. Алға қозғалыссыз ұшу мүмкін емес.
Осылайша, жылдамдық болғанша, көтеру күші де болады, бұл ұшақты биікте ұстайды. Егер бір қозғалтқыш тоқтап қалса (және ұшақтарда әдетте екі қозғалтқыш болады және олар сирек бір уақытта тоқтайды), ұшақ бірден құламайды, керісінше, төмен түсуді басқару үшін ауаны пайдалана отырып, сырғанай бастайды.
Қарапайым тілмен айтқанда, ұшақ неге ұшады?
Ұшу процесі жылдамдықтың көтеру күшін қалай тудыратынының айқын көрінісі болып табылады. Бұл секіру емес, жер қозғалысынан әуе қозғалысына тегіс ауысу. Оны кезең-кезеңімен талдап көрейік:
1. Ұшақ ұшу-қону жолағына шығып, үдей бастайды. Қуатты реактивті немесе турбовинтті қозғалтқыштар көп тонналық массаны алға қарай итеріп, орасан зор тарту күшін тудырады. Ол қажетті жылдамдыққа жету үшін арнайы жасалған ұшу-қону жолағымен үлкен жылдамдықпен үдейді (көбінесе 3 км-ден асады).
2. Ауа қанатқа қаттырақ қысым жасай бастайды. Қозғалыс неғұрлым жылдам болса, қарсы ауа ағыны соғұрлым тығыз және қарқынды болады. Бұл ауа ағыны аздап бұрышта (шабуыл бұрышы) орналасқан қанатпен соқтығысады. Ұшқыштар басқару таяқшасын ақырын тартып, қанаттың ауаны ұстап тұруына көмектесу үшін бұл бұрышты арттырады.
3. Қанат күшті қысым айырмашылығын тудырады. Арнайы аэродинамикалық пішінінің (профилінің) арқасында ол ауа ағынын қанаттың үстіндегі ауа ұзын, қисық жолмен жүріп, үдейтіндей етіп бағыттайды, ал оның астындағы қысым салыстырмалы түрде жоғары болып қалады. Бұл айырмашылық көтерудің физикалық көрінісі болып табылады.
4. Маңызды сәт – көтерілу. Белгілі бір сәтте (үлкен әуе кемелері үшін шамамен 250-300 км/сағ жылдамдықпен) көтеру күші гравитацияны жеңеді. Түсіну маңызды: ұшақ пандустағы көлік сияқты кенеттен секірмейді. Ол жерден көтерілгісі келмегендей, ұшу-қону жолағынан бірқалыпты, байқалмай көтеріледі және биіктікке көтеріле бастайды, әуеге көтерілгеннен кейін үдеуін жалғастырады.
Қанат ұшақты қалай көтереді: сиқыр емес, форманың сиқыры
Аэрофольдің ерекше пішіні – қанаттың көлденең қимасы – өте маңызды. Егер жеңілдетілген болса, қанаттың төменгі беті тегіс дерлік, ал жоғарғы беті қатты дөңес және иілген болар еді.
Ұшақ жылдамдығын арттырған сайын, қарсы келе жатқан ауа ағыны қанаттың алдыңғы жағын айналып өту үшін бөлінеді. Иілген жоғарғы бетінен өтетін ауа қанаттың астынан тікелей ағатын ауаға қарағанда ұзағырақ қашықтықты жүріп өтуі керек. Физика заңдарына сәйкес, ағынның екі бөлігі де қанаттың артқы шетінде бір уақытта түйісуі үшін «жоғарғы» ауа жылдамырақ қозғалуы керек.
Мұнда Даниэль Бернулли ашқан қағида іске асады: сұйықтық немесе газ ағынында жоғары жылдамдық қысымның төмендеуін білдіреді. Осылайша, ауа жылдам қозғалатын қанаттың үстінде қысым айтарлықтай төмендейді. Ағын жылдамдығы төмен қанаттың астында қысым салыстырмалы түрде жоғары болып қалады. Бұл қысым айырмашылығы (алып сорғыш сияқты әрекет етеді, қанатты жоғары қарай «сорады») бүкіл ұшақты өзіне тартатын негізгі көтеру көзі болып табылады. Жылдамдық неғұрлым жоғары болса және шабуыл бұрышы неғұрлым үлкен болса (ақылға қонымды шектерде), бұл әсер соғұрлым күшті болады.
Неліктен ұшақ ұшу кезінде апатқа ұшырамайды?
Тұрақты, тегіс ұшудың кілті - тұрақты жылдамдықты сақтау. Қозғалтқыштар ұшақты биікте ұстап тұру үшін емес, мысалы, тікұшақтың винті сияқты, ол қалақтарды жоғары қарай тартады. Олардың міндеті - тарту күшін жасау, яғни ауа кедергісін үздіксіз жеңіп, ұшақты алға қарай үдету. Ал біз анықтағандай, бұл тұрақты алға қозғалыс қанаттардың ұшақтың салмағына тең көтеру күшін үздіксіз тудыруына әкеледі. Бұл өзін-өзі қамтамасыз ететін цикл: 1) тарту күші кедергіні жеңеді, 2) жылдамдық көтеруді тудырады, 3) көтеру салмақты сақтайды, 4) ұшақ ұшады.
Велосипедпен ұқсастық жасауға болады: ол тұрақты және қозғалыс кезінде аударылып қалмайды. Тоқтасаңыз, құлап қалмау үшін аяқ тіреуіші немесе аяқтарыңыз қажет болады. Ұшақпен де дәл солай: алға қарай импульс болғанша, көтеру күші де болады. Барлық қозғалтқыштар кенеттен өшіп қалса да (қазіргі авиацияда көптеген артық жүйелері бар өте екіталай жағдай), ұшақ құламайды. Ол алып планерге айналады.
Сол қанат пішінінің арқасында ол сырғанай бастайды — біртіндеп таяз траектория бойынша төмен түсіп, биіктікті алға қарай қозғалысқа айналдырады. Қазіргі заманғы жолаушылар ұшақтарының көтеру-сүйреу коэффициенттері өте жоғары: 10 км биіктіктен олар қозғалтқышсыз шамамен 100-150 км ұша алады, бұл ұшқыштарға қолайлы қону жолағын тауып, сырғанау үшін уақыт пен мүмкіндік береді.
Неліктен ұшақ бір бағытта, ал зымыран екінші бағытта ұшады?
Жиі сұрақ туындайды: егер ұшақ та, зымыран да ұшса, бұл олардың бірдей принцип бойынша жұмыс істейтінін білдіре ме? Шын мәнінде, айырмашылық негізгі болып табылады, ол олардың қозғалыс үшін пайдаланатын ортасында жатыр.
1. Ұшақтың ұшуы үшін ауа қажет. Оның қанаттары атмосфераны көтеру күшін тудыру үшін тірек ретінде пайдаланады, ал қозғалтқыштары (реактивті немесе турбовинтті) қоршаған ауаны сіңіріп, оны қысып, отынмен араластырады, ал бұл қоспа жанған кезде итеру күші үшін реактивті ағын жасайды. Атмосферасыз кәдімгі ұшақ ұша алмайды; оның қанаттары мен қозғалтқыштары пайдасыз.
2. Зымыранға ауа қажет емес, ол бастапқы кезеңде кедергі келтіреді. Ол тек отынды (керосин, сутегі) ғана емес, сонымен қатар тотықтырғышты (әдетте сұйық оттегі) да тасымалдайды. Оның қозғалтқышы өзінің жануынан пайда болатын ыстық газдарды кері шығару арқылы тарту күшін тудырады, бұл зымыранды кері серпіліс принципін қолдана отырып алға жылжытады. Сондықтан зымырандар - ауасыз кеңістікте ұшуға қабілетті жалғыз көлік құралдары.
Жиі қойылатын сұрақтар
Ұшақ соншалықты ауыр болса, неге ұшады?
Өйткені жоғары жылдамдықтағы қанаттың көтеру күші ұшақтың салмағынан бірнеше есе көп болуы мүмкін. Ауа, көрінбесе де, үлкен қысым тудыруға қабілетті қуатты және тығыз орта. Мысалы, ұшу кезіндегі үлкен әуе кемесінің қанаттары бірнеше жүз көлікті көтеруге жеткілікті күш тудырады.
Неліктен ұшақ бірден емес, үдеу үшін көп уақыт алады?
Жеткілікті көтеру күшін жасау өте жоғары жылдамдықты қажет етеді. Тікұшақ емес, ұшақ тігінен көтеріле алмайды. Оған сағатына 250-300 км жылдамдыққа жету үшін уақыт пен қашықтық қажет, бұл ауаның қанатпен «жұмыс істеуіне» және ұшақтың салмағынан асатын күш тудыруына мүмкіндік береді. Бұл процестің физикасына тән.
Неліктен ұшақ бірнеше сағат бойы тоқтамай ұша алады?
Қазіргі заманғы ұшақ қозғалтқыштары өте тиімді және сенімді. Олар қажетті крейсерлік жылдамдықты сақтай отырып, отынды тұтынады. Отын қоры үлкен резервпен есептеледі және балама әуежайға ауысу мүмкіндігі әрқашан ескеріледі. Автопилот және басқару жүйесі параметрлерді үнемі бақылап отырады, отын шығынын оңтайландырады.
Неліктен ұшақ қозғалтқышы істен шықса, апатқа ұшырамайды?
Ол сырғанай бастайды. Жазық траектория бойынша төмен түсіп, ұшақ биіктіктің жоғарылауы мен қанатының аэродинамикасының арқасында алға қарай ұшуды жалғастырады. Бұл қалыпты жағдай, оған барлық ұшқыштар тренажерларда дайындалады. Әрбір ұшақтың өзіндік оңтайлы сырғанау жылдамдығы бар, бұл оның итерусіз ұша алатын қашықтығын барынша арттырады, бұл ұшқыштарға ең жақын әуежайға қауіпсіз жетуге уақыт пен мүмкіндік береді.
Қорытынды
Ұшақпен ұшу керемет немесе табиғат заңдарына қарсы шығу емес. Керісінше, бұл оларды тамаша және дәл пайдалану. Ұшақпен болатын барлық нәрсе, ұшудан қонуға дейін, болжамды, мұқият есептелген және басқарылатын. Инженерлер ондаған жылдар бойы дизайнды жетілдірді, ал әрбір бекітпе мен қанат пішіні жел туннельдерінде және компьютерлерде мыңдаған сынақтардан өтеді. Ұшқыштар қалыпты және қалыптан тыс жағдайларды жаттықтырып, қатаң дайындықтан өтеді. Ұшудың негізінде жатқан қарапайым физикалық принциптерді (қанат пішіні арқылы жылдамдық жүздеген тоннаны аспанда ұстап тұратын күшті қалай тудыратынын) түсіне отырып, біз аспанға қорқынышпен емес, ұшудың қауіпсіз, күнделікті шындық екеніне сенімділікпен қарай аламыз.
