Книга: Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

§ 69 Человек уходит в небо

§ 69 Человек уходит в небо

Одним из самых заветных желаний человека с глубокой древности было желание летать. Ещё не было ничего из только что описанного – ни пароходов, ни паровозов, ни тем более автомобилей, а человека уже тянуло в небо. Мифы и легенды переполнены рассказами о человеческих существах, которые либо от природы, либо благодаря своему таланту освоили воздушное пространство. Сохранились предания о смельчаках, которые приделывали себе самодельные крылья и бросались со скал, колоколен и башен в надежде полететь. Однако реально мечты о полёте начали сбываться в XVIII в., когда был изобретён аэростат (воздушный шар). Официально первое испытание воздушного шара состоялось в 1782 г., когда братья Жозеф и Этьен Монгольфье впервые продемонстрировали своё изобретение родным и знакомым. Их «аэростатическая машина» диаметром 3,5 м продержалась в воздухе около 10 минут, поднявшись при этом на высоту почти 300 м. Через год они повторили полёт своего изобретения уже на базарной площади своего городка в присутствии большого числа зрителей и подтвердили его протоколом, скреплённым подписями должностных лиц. Так началась эпоха воздухоплавания.

Воздушный шар взлетает из-за того, что он легче воздуха (выполняется закон Архимеда, только не для жидкостей, а для газов). Его плотная оболочка наполняется газом, плотность которого меньше, чем плотность воздуха. У братьев Монгольфье это был дым. Когда братья продемонстрировали своё изобретение в Париже, Академия наук поручила физику Жаку Шарлю сконструировать собственный летательный аппарат. Шарль решил, что дым для этого неудобен, и надул свой аэростат водородом, который, как известно, тоже легче воздуха. Монгольфье не сдались и продолжали усовершенствовать свой шар, сжигая в нём резаную солому.

Рис. 222. Шар Монгольфье

Аппарат братьев назвали «монгольфьером» (рис. 222), а аппарат Шарля – «шарльером». В итоге победила дружба, и первый человек (вернее, первые два человека) поднялся на «монгольфьере» 21 ноября 1783 г., а первые два человека на «шар– льере» ровно через неделю.

Рис. 223. Стратостат

В течение XIX в. аэростаты совершенствовались, появились стратостаты (рис. 223) – разновидность аэростатов, способных достигать очень больших высот (более 30 км).

Стратостаты обычно наполняли гелием, так как водород, хотя и дешевле, в смеси с воздухом взрывоопасен.

Основным недостатком аэростата была его плохая управляемость, достаточно было сильного ветра, чтобы аэростат оказался совсем не там, где хотел очутиться экипаж (вспомните «Таинственный остров» Жюля Верна). В конце XIX в. началось активное создание дирижаблей, которые отличались от обычных аэростатов наличием винта (пропеллера) (рис. 224).

Вскоре аэростаты и дирижабли перестали удовлетворять запросам человечества из-за слишком больших размеров, неудобства в управлении и при посадке. Люди мечтали о компактном, маневренном и хорошо управляемом аппарате. Однако многие достаточно авторитетные учёные доказывали, что создание таких аппаратов невозможно по очень простой причине – их плотность больше, чем плотность воздуха, а в этом случае никакой полёт невозможен.

Одним из первых конструкторов, попытавшихся создать летательный аппарат, который был тяжелее воздуха, стал российский адмирал Александр Фёдорович Можайский (1825–1890). Он часто и внимательно наблюдал за полётом птиц и игрушечных воздушных змеев и сделал вывод, что высокая плотность аппарата не исключает возможности его полёта.

Рис. 224. Дирижабль

Рис. 225. Самолёт братьев Райт

Можайский сконструировал в 1882–1885 гг. первый самолёт с паровым двигателем, который, однако, не смог взлететь.

Первым самолётом, который смог самостоятельно оторваться от земли и совершить управляемый полёт, стал «Флайер», сконструированный в США братьями Орвиллом и Уилбером Райт (рис. 225). 17 декабря 1903 г. их самолёт продержался в воздухе почти полторы минуты и пролетел 200 м, после чего официально был признан первым в мире аппаратом тяжелее воздуха, который совершил пилотируемый полёт с использованием двигателя.

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:

 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.

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.

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».