Почему самолёт летает и как он устроен: крыло, двигатели, рули

Самолёт летает потому, что крыло, двигаясь сквозь воздух, создаёт подъёмную силу, которая уравновешивает вес машины. Крыло встречает поток под небольшим углом и отклоняет массу воздуха вниз. По третьему закону Ньютона воздух отвечает равной силой, направленной вверх. Одновременно над крылом давление становится ниже, чем под ним, — это та же сила, только описанная через давление. Двигатели при этом тянут самолёт вперёд, чтобы поток не прекращался. Ниже — от чего зависит подъёмная сила, из каких частей состоит самолёт и как он взлетает, поворачивает и садится.

Почему крыло поднимает самолёт

Проверить главную идею можно самому. Если высунуть ладонь из окна едущей машины и чуть приподнять передний край, руку потянет вверх. Ладонь отклоняет поток вниз, и воздух толкает её в противоположную сторону. Крыло самолёта делает то же, только гораздо эффективнее благодаря своему профилю — скруглённому спереди, выпуклому сверху и острому сзади.

Угол, под которым крыло встречает поток, называют углом атаки. Воздух плавно обтекает профиль, над крылом ускоряется и давит слабее, под крылом — давит сильнее. Разница давлений, умноженная на огромную площадь крыла, и даёт подъёмную силу в десятки и сотни тонн.

Подъёмная сила зависит от четырёх вещей:

Что влияет	Как
Скорость	Сила растёт с квадратом скорости: вдвое быстрее — вчетверо больше подъёмной силы
Плотность воздуха	В жару и высоко в горах воздух реже, самолёту нужен более длинный разбег
Площадь крыла	Больше крыло — больше сила; поэтому на посадке крыло «увеличивают» закрылками
Угол атаки	Чем больше угол, тем больше сила, но только до предела

Предел важен. Если задрать нос слишком сильно, поток перестаёт плавно обтекать верх крыла, срывается и закручивается. Подъёмная сила резко падает — это называется сваливание. Поэтому пилоты следят за скоростью и углом атаки, а у лайнеров стоят системы, предупреждающие о приближении к срыву.

Из чего состоит самолёт

Часть	Что делает
Фюзеляж	Корпус: в нём кабина пилотов, салон, багаж, к нему крепятся крыло и хвост
Крыло	Создаёт подъёмную силу; внутри крыла у лайнеров — топливные баки
Элероны	Подвижные поверхности на задней кромке у концов крыла; отклоняются в разные стороны и накреняют самолёт
Закрылки	Выдвигаются назад и вниз из задней кромки на взлёте и посадке, увеличивая площадь и изгиб крыла
Предкрылки	Выдвигаются вперёд из передней кромки, помогают потоку не срываться на малой скорости
Интерцепторы (спойлеры)	Пластины сверху крыла; поднимаясь, «портят» подъёмную силу и тормозят
Киль и руль направления	Вертикальная часть хвоста; держит самолёт по курсу и поворачивает нос влево-вправо
Стабилизатор и руль высоты	Горизонтальная часть хвоста; не даёт клевать носом и поднимает или опускает нос
Двигатели	Создают тягу, толкая назад массу воздуха и газов
Шасси	Колёса с амортизаторами и тормозами; после взлёта убираются внутрь

Двигатели. У пассажирских лайнеров стоят турбовентиляторные двигатели. Впереди большой вентилятор, за ним компрессор сжимает воздух, в камере сгорания в этот воздух впрыскивают и сжигают керосин, горячие газы крутят турбину, а турбина — вентилятор и компрессор. Большую часть тяги современного двигателя даёт как раз вентилятор, гонящий воздух в обход горячей части. Как устроена турбина, рассказано в статье об устройстве турбины.

Как самолёт взлетает, поворачивает и садится

1. Разбег. Пилоты выпускают закрылки и предкрылки на взлётное положение и выводят двигатели на взлётный режим. Самолёт разгоняется по полосе.
2. Отрыв. На нужной скорости — у пассажирского лайнера это обычно около 250–300 км/ч — пилот берёт штурвал на себя. Руль высоты опускает хвост, нос поднимается, угол атаки растёт, и подъёмная сила становится больше веса.
3. Набор высоты. Убираются шасси, потом постепенно закрылки. Самолёт набирает крейсерскую высоту, обычно 10–12 км, и летит со скоростью около 800–900 км/ч.
4. Поворот. Самолёт поворачивает не рулём направления, как лодка, а креном. Элероны на одном крыле поднимаются, на другом опускаются, и самолёт наклоняется. Подъёмная сила наклоняется вместе с ним, её боковая часть и тянет машину по дуге. Руль направления лишь помогает сделать поворот плавным, без заноса.
5. Снижение и заход. Двигатели переводят на малую тягу, самолёт снижается. Перед посадкой выпускают закрылки, предкрылки и шасси: так крыло держит машину на меньшей скорости.
6. Посадка. Колёса касаются полосы, на крыле поднимаются интерцепторы, прижимая самолёт к земле, включается реверс двигателей — створки направляют часть потока вперёд — и тормоза колёс.

Чем самолёт отличается от вертолёта, ракеты и птицы

Вертолёт. Его крыло — это лопасти несущего винта, которые вращаются. Поэтому поток обтекает их и тогда, когда сам вертолёт висит на месте. Самолёту, чтобы крыло работало, нужно лететь вперёд.

Ракета. Держится не крылом, а силой реактивной струи, которая толкает её вверх. Она везёт с собой не только топливо, но и окислитель, поэтому может работать в безвоздушном космосе, где крыло бесполезно. Подробнее — в статье об устройстве ракеты.

Птица. Крыло птицы тоже создаёт подъёмную силу, но птица, взмахивая, ещё и тянет себя вперёд — у неё крыло и двигатель одновременно. О том, как для этого устроено тело, — в статье о строении птицы.

Частая школьная ошибка. Иногда объясняют, что воздух сверху крыла «должен успеть» к задней кромке одновременно с нижним, поэтому бежит быстрее. Это неверно: верхний поток на самом деле приходит к задней кромке раньше нижнего, и никакого «уговора» у частиц воздуха нет. Правильное объяснение — крыло отклоняет поток вниз, а разница давлений — другая сторона того же явления.

Интересные факты

• Почему закладывает уши. Салон на высоте герметичен, но давление в нём держат не как у земли, а примерно как на высоте 2–2,5 км. При наборе высоты и снижении давление меняется, и барабанная перепонка прогибается, пока воздух не выровняется через слуховую трубу. Помогают глотание и зевота. Как это устроено, объясняет статья о строении уха.
• Почему крылья гнутся. Из иллюминатора видно, что в полёте концы крыльев большого лайнера подняты заметно выше, чем на стоянке: крыло несёт весь самолёт и выгибается под нагрузкой. Гибкость задумана: жёсткое крыло хуже переносило бы порывы.
• Почему взлетают против ветра. Крылу важна скорость относительно воздуха, а не относительно земли. Встречный ветер уже «дует» на крыло, поэтому самолёту нужно меньше разгоняться по полосе. По той же причине и садятся против ветра — пробег получается короче.
• Первый управляемый полёт на самолёте с двигателем совершили братья Райт в 1903 году. Длился он 12 секунд.

Почему самолёт трясёт и на что смотреть пассажиру

Болтанка — турбулентность — это неровные потоки воздуха: восходящие над нагретой землёй, у гор, на границах струйных течений. Самолёт в них подбрасывает, как машину на ухабах. Конструкция лайнера рассчитана на нагрузки намного сильнее тех, что встречаются в обычной болтанке. Опасность для пассажиров в другом: человек без ремня может удариться о потолок при резком провале. Поэтому ремень советуют держать пристёгнутым всё время, пока вы сидите, а не только когда горит табло.