Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Вот почему я испытываю невероятное сожаление, видя большое дерево, сломанное бурей. Свирепым ветрам, а также льду и снегу, налипшему на его ветви, удается нарушить хрупкий баланс сил, которым это дерево до сих пор вполне успешно управляло. Думая об этом бесконечном сражении, я понимаю, что все больше ценю тот неимоверно далекий день, когда наши предки встали с четверенек на две ноги и начали укреплять свое положение в этом мире.

Возможно, самым впечатляющим достижением человечества, позволившим преодолеть неумолимое земное притяжение и научиться управлять ветрами и давлением воздуха, является полет. Как это работает? Вероятно, вы слышали, что это имеет какое-то отношение к принципу Бернулли и потокам воздуха под и над крыльями. Принцип назван в честь математика Даниила Бернулли, опубликовавшего то, что теперь все называют уравнением Бернулли, в своей книге «Гидродинамика» в далеком 1738 году. Согласно данному принципу, если скорость движения потока жидкостей или газа увеличивается, давление в потоке уменьшается. Чтобы было понятнее, вы можете увидеть принцип Бернулли в действии.

Приложите лист бумаги, скажем стандартный писчий лист, ко рту (но не в рот) коротким краем. Лист будет скручиваться вниз под действием силы тяготения. Теперь сильно дуньте в верхнюю часть бумаги и посмотрите, что произойдет. Вы увидите, что лист поднимается вверх. Если дуть действительно очень сильно, он буквально подпрыгивает вверх. Вы только что наглядно продемонстрировали принцип Бернулли, и это простое на первый взгляд явление помогает объяснить, как летают самолеты. Хотя многие из нас и привыкли к виду взлетающего ввысь самолета или к пребыванию в громадине, взмывающей в воздух, на самом деле это весьма странный опыт. Просто посмотрите, с каким восторгом маленький ребенок смотрит на свой первый в жизни взлетающий самолет. Что, в общем, понятно, ведь максимальный взлетный вес «Боинга 747-8» равен 447 тысяч килограммов [15]. Ну как, скажите на милость, такая махина держится в воздухе?

Крыло самолета спроектировано таким образом, чтобы воздух, который проходит над ним, ускорялся по отношению к воздушному потоку, проходящему снизу. Согласно принципу Бернулли более быстрый поток воздуха сверху от крыла снижает давление воздуха над крылом, и полученная в результате разница между этим низким давлением и более высоким давлением под крылом обеспечивает подъем самолета. Назовем это подъемной силой Бернулли. Многие книги по физике скажут вам, что именно она несет полную ответственность за взлет – по сути, эта идея повсеместна. А между тем, если задуматься хотя бы на пару минут, вы поймете, что это просто не может быть правдой. Потому что иначе ни один самолет не мог бы летать вверх ногами, а ведь некоторые могут!

Таким образом, получается, что принцип Бернулли не может в одиночку служить объяснением подъема. В дополнение к подъемной силе Бернулли существует так называемая реактивная подъемная сила. Б. Джонсон подробно описывает ее в восхитительной статье «Аэродинамическая сила, эффект Бернулли, реактивная сила» ( http://mb-soft.com/public2/lift.html). Реактивная сила (ее еще называют силой противодействия – в честь третьего закона Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное ему противодействие) возникает, когда воздух проходит под крылом самолета под углом, направленным вверх. Этот воздух, двигаясь от передней части крыла к задней, толкается крылом вниз. Это действие. И на него непременно должно быть равное противодействие воздуха, толкающего по направлению вверх, так, что крыло поднимается вверх. В случае с «Боингом 747» (он летает со скоростью около 900 километров в час на высоте около 10 тысяч метров) более 80 процентов подъемной силы обеспечиваются реактивной подъемной силой и лишь менее 20 процентов – силой Бернулли.

Вы можете без труда устроить демонстрацию реактивной подъемной силы, когда будете ехать в автомобиле. На самом деле ребенком вы наверняка уже не раз это делали. Сидя в движущемся автомобиле, опустите окно, высуньте руку наружу и поставьте ладонь пальцами по направлению движения, немного задрав пальцы по отношению к запястью. Вы обязательно почувствуете, что поток воздуха толкает вашу руку вверх. Вуаля! Это и есть реактивная сила.

Тут вам, возможно, покажется, что теперь вы поняли, почему некоторые самолеты могут летать вверх тормашками. Но понимаете ли вы, что если самолет переворачивается на 180 градусов, то и сила Бернулли, и реактивная подъемная сила (сила противодействия) будут направлены вниз? Помните, что при нормальном полете реактивная сила направлена вверх, потому что крылья расположены под углом в этом направлении, но после переворота на 180 градусов обе силы будут направлены вниз.