Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить - Наталья Голубева

потоком воздуха и создающих тем самым подъемную силу. Давайте рассмотрим, как это происходит, на примере самолета.

Сердце самолета – силовая установка, за счет которой он движется. Так как скорость авиалайнера довольно велика, при движении образуется мощный встречный поток воздуха. Его взаимодействие с крылом самолета формирует области низкого и высокого давления. Область высокого давления располагается под крылом, а область низкого, соответственно, над крылом. Из-за этой разницы самолет в буквальном смысле «выталкивается» вверх. Это физическое явление называется подъемной силой.

В формировании подъемной силы важны два аспекта: профиль крыла и его ориентация по отношению к набегающему потоку воздуха – угол атаки. Так как верхняя часть крыла выпуклая, происходит сужение воздушного потока, а значит, скорость струи возрастает. За счет несимметричного профиля крыла и угла атаки воздух обтекает крыло неравномерно: скорость потока сверху больше, чем снизу. Обратную связь скорости потока и давления описывает закон Бернулли: там, где скорость течения жидкости или газа больше, давление меньше, и наоборот, с увеличением давления потока скорость его движения уменьшается. Таким образом, внизу крыла, где скорость потока меньше, образуется зона повышенного давления, а над крылом, где скорость больше, – пониженного давления.

Вертолет удерживается в воздухе за счет несущего винта-ротора с лопастями, который умеет создавать подъемную силу ничуть не хуже. Профили лопастей вертолета похожи на крыло самолета. Но в отличие от самолета вертолету для взлета не нужно разгоняться: поток воздуха образуется за счет вращения лопастей. При этом возникает разница давлений: давление под лопастью больше давления над ней. Возникает все та же подъемная сила и выталкивает вертолет вверх. Он взлетает.

Но несущий винт-ротор – массивная деталь, поэтому он может развернуть кабину и закрутить ее в обратную своему вращению сторону. Чтобы этого не происходило, в конструкции вертолета предусмотрен дополнительный хвостовой винт, который компенсирует это вращение, а также позволяет поворачивать в полете. Другой способ уравновесить воздушную машину – установка сразу двух винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Маневрирование осуществляется за счет изменения угла установки лопастей.

Принцип аэродинамического профиля используется не только в летательных аппаратах, но и приспособлениях для экстремального спорта, например в вингсьюте (англ. wingsuit – костюм-крыло) или парашютах для бейсджампинга (англ. BASE jumping – прыжки с фиксированных объектов).

Благодаря изобретению аэростатических и аэродинамических летательных аппаратов мы можем испытать чувство полета и пощекотать нервы. Но при одном условии: это должно происходить в плотных слоях атмосферы Земли. Чтобы отправиться в космос, необходимы совершенно другие аппараты. О них я сейчас расскажу.

Ракетные летательные аппараты

Ракеты могут преодолеть силу гравитации Земли. Их главное отличие от остальных летательных аппаратов заключается в том, что для полета не требуется воздух. Ракета движется за счет реактивной тяги, которая создается ракетным двигателем.

Реактивная тяга образуется благодаря импульсу, возникающему при сгорании топлива и выбрасывании продуктов сгорания через специальное отверстие-сопло. Это можно рассмотреть на любом видео взлета: продукты сгорания вырываются из нее, образуя эффектный огненный хвост. Чем больше импульс – тем выше сила реактивной тяги и, соответственно, скорость ракеты.

Ракетный двигатель – единственный в наши дни способ вывести ракету на орбиту Земли. Самый распространенный тип двигателя – химический. В камере сгорания смешиваются и воспламеняются горючее и окислитель, продукты реакции окисления выбрасываются через отверстие особой формы, которое называется сопло Лаваля. Это газовый канал, который сначала сужается, а потом расширяется. Благодаря такой конструкции можно разогнать скорость потока до сверхзвуковой, то есть выше скорости звука, и тем самым увеличить реактивную тягу.

Какую скорость должна развить ракета, чтобы покинуть Землю? Физика ответила на этот вопрос.

■ ПЕРВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ – скорость, которую необходимо придать телу, чтобы оно вышло на орбиту планеты и стало ее спутником. Для Земли эта скорость равна 7,9 км/с.

■ ВТОРУЮ КОСМИЧЕСКУЮ скорость необходимо набрать, чтобы покинуть не только планету, но и сферу ее притяжения. Для Земли это 11,2 км/с.

■ ТРЕТЬЯ КОСМИЧЕСКАЯ – скорость, которая развивается для того, чтобы выйти за пределы Солнечной системы, преодолеть притяжение и Земли, и Солнца. При оптимальной организации полета она составляет 16,7 км/с.

Космическим полетом считается тот, что проходит выше 100 км. Если ракета поднимется на эту высоту и выключит двигатели, то не сможет совершить оборот вокруг Земли, а выполнит суборбитальный полет. Если она продолжит наращивать скорость и достигнет первой космической, это уже будет орбитальный полет. Для него требуются более сложные ракеты. Они могут быть как одноразовыми, которые запускаются в космос безвозвратно, так и частично многоразовыми.

Для вывода ракеты на орбиту ее скорость должна составлять примерно 28 000 км/ч. Достичь таких значений при помощи одного ракетного двигателя невозможно, поэтому для усиления основной тяги используют ракетные ускорители, которые называются ступенями. Все ракеты делятся на одноступенчатые и многоступенчатые. Блоки многоступенчатых ракет могут располагаться последовательно (одна над другой), параллельно (на одном уровне) или комбинированно. Многоступенчатая ракета позволяет более грамотно использовать ресурсы за счет того, что во время полета ступень, выработавшая свое топливо, отделяется, и оставшееся горючее не тратится на ускорение лишней массы.

Двигательные установки бывают твердотопливными, жидкостными и комбинированными. Жидкостные распространены шире всего за счет важнейшего преимущества, которым не обладают более простые твердотопливные: легкости управления и отсутствия вибраций.

Как вы понимаете, отправить ракету в космос – весьма дорогое удовольствие, поэтому никто не запускает их ради развлечения. Каждый запуск тщательно подготавливается и производится для того, чтобы вывести на орбиту что-то полезное, например новый спутник или груз для МКС. Ракеты классифицируются по полезной нагрузке, которую они способны вывести на орбиту: сверхлегкий класс – до 1 т, легкий – от 1 до 5 т, средний класс – от 5 до 20 т, тяжелый – от 20 до 50 т, сверхтяжелый – свыше 50 т. Ракета, которая выводит на орбиту полезную нагрузку, называется ракетой-носителем.

Глава 17

Энергия «из воздуха»

Что такое ветер? И как он образуется?

Земля и ее атмосферный воздух прогреваются солнечными лучами неравномерно. Теплый воздух становится легче и поднимается вверх. На этом месте образуется зона низкого давления. При охлаждении воздух утяжеляется и стремится вниз. Здесь возникает зона высокого давления. Потоки холодного и теплого воздуха постоянно циркулируют и меняются местами – движутся из области высокого давления в область низкого. Мы называем это явление ветром. Чем больше разница давлений, тем выше скорость ветра.

Ветер бывает разный. Легкий и ласковый – такому приятно подставить лицо в летний денек. Крепкий и уверенный способен развевать огромный флаг высоко в небе. Мощный и разрушительный – его порывы сносят конструкции и валят деревья. Но ветер – это не только природное явление, а еще и постоянный источник возобновляемой энергии, который