Сверхзвуковой полет

Скорость самолетов росла в течение 1940-1970 годов. Подъемная сила и лобовое сопротивление со скоростью увеличиваются, поэтому крылья становились меньше, тоньше и приобретали стреловидную форму, улучшая обтекаемость.

На этом рисунке изображено распространение звуковых волн при обычном и сверхзвуковом полете

На этом рисунке изображено распространение звуковых волн при обычном и сверхзвуковом полете

Когда самолет летит, звуковые волны распространяются от него во все стороны со скоростью звука. Когда самолет достигает скорости М = 1, т.е. скорости звука, звуковые волны скапливаются перед ним и образуют слой уплотненного воздуха. При скоростях , превышающих скорость звука , эти волны образуют ударную волну, которая достигает земли. Ударная волна воспринимается как звуковой удар, который бывает настолько мощным, что разбивает стекла.

Самолет с горизонтальным взлетом и посадкой может стать гиперзвуковым транспортным средством будущего. Осуществляя полеты за пределами атмосферы, он, возможно будет использовать в качестве окислителя жидкий кислород.

Реактивный сверхзвуковой автомобиль

Реактивный сверхзвуковой автомобиль

На этом реактивном сверхзвуковом автомобиле установлено два двигателя с истребителя. В 1998 г. он стал первым наземным транспортным средством, преодолевшим звуковой барьер. Как и при сверхзвуковом полете, перед автомобилем возникла ударная волна. Приближение автомобиля было беззвучным, потому что весь создаваемый шум сосредоточен в ударной волне за ним.

Тяга в самолетах и вертолетах

ТЯГА И ПРОПЕЛЛЕР

На первых самолетах ставили поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые крутили пропеллер, или воздушный винт. Лопасти пропеллера имели аэродинамическую форму. Вращаясь в воздухе, винты создают направленную вперед силу тяги, так же как крылья создают подъемную силу. На современных самолетах ставят винты с изменяемым углом установки лопасти. Изменяя частоту вращения и угол , пилот заставляет винт работать с большей или меньшей нагрузкой — это похоже на то, как велосипедист, меняя передачи, быстрее или медленнее крутит педали.

ТЯГА И РЕАКТИВНЫЙ ПОТОК

Большинство современных самолетов оснащены реактивными двигателями. Это газотурбинные двигатели, в которых сжигают керосин, чтобы струя раскаленных газов создавала реактивную силу тяги. Отработанные газы также вращают турбину в задней части двигателя, которая приводит в движение компрессор, содержащейся впереди и нагнетает воздух в камеру сгорания. Турбовинтовые двигатели тратят часть энергии на вращение пропеллера. Турбовентиляторные двигателя имеют очень большой компрессор, который часть воздуха гонит в камеру сгорания, а часть направляет в обход камеры сгорания для увеличения тяги.

ВЕРТОЛЕТЫ

На вертолетах и подъемная сила, и тяга развиваются за счет вращения лопастей несущего винта, укрепленных на валу, который выступает над корпусом этого летательного аппарата. Каждая из лопастей по форме напоминает узкое крыло самолета и при вращении винта с силой направляет струю воздуха вниз. Эта сила и поднимает вертолет в воздух. Чтобы вертолет не вращался вокруг своей оси, у него на хвосте установлен еще один небольшой пропеллер, который необходим и для выполнения поворотов. Вертолет может двигаться в любом направлении — для этого достаточно наклонить ось главного винта.

Лопасти несущего винта вертолета создают и подъемную силу и тягу, их форма напоминает форму крыла самолета. При вращении винта воздух обтекает лопасти, создавая подъемную силу. Наклонив вал винта, можно создать тягу.

Лопасти несущего винта вертолета создают и подъемную силу и тягу, их форма напоминает форму крыла самолета. При вращении винта воздух обтекает лопасти, создавая подъемную силу. Наклонив вал винта, можно создать тягу.

Основы полета

Для взлета летательные аппараты должны создать подъемную силу, превышающую силу тяжести, и развить тягу для управления полетом.

Полет — это движение в воздухе насекомых, птиц и летательных аппаратов. Полет определяется законами и правилами, описывающих движение тела в воздухе. Существуют силы, действующие на все эти объекты, не давая падать на землю. На тело в полете действуют четыре силы — сила притяжения, подъемная сила, тяга и сила сопротивления воздуха.

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА

Верхняя поверхность крыла самолета искажена сильнее, чем более плоская нижняя поверхность. Такая форма называется аэродинамическим профилем. Воздух, огибая верхнюю поверхность, преодолевает большее расстояние, чем воздуха, движущегося вдоль нижней поверхности. Итак, скорость воздуха над верхней поверхностью крыла больше. А чем больше скорость воздуха, тем меньше его давление. Получается, что на нижнюю поверхность крыла воздуха оказывает большее давление, чем на верхнюю, и результирующая сила на крыло направлена ​​вверх. Влияние силы сопротивления особенно важно учитывать, создавая высокоскоростные самолеты, поскольку даже незначительное увеличение скорости заметно увеличивает сопротивление воздуха. Чтобы уменьшить сопротивление, все внешние поверхности самолета должны быть обтекаемыми.

ПРОПЕЛЛЕРЫ

К 1940-х годов все самолеты оснащались пропеллерами. Лопасти пропеллера, или воздушного винта, имеют форму, аналогичную форме крыла. Вращаясь, винт будто вгрызается в воздух, отбрасывает его назад, создавая тягу.

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕТОМ САМОЛЕТА

На крыльях и хвосте самолета есть подвижные части (устройства управления), изменяя положение которых самолет маневрирует в горизонтальной и вертикальной плоскостях. К устройствам управления относятся элероны, рули высоты и направления. При изменении их положения меняется картина обтекания летательного аппарата и создаются вертикальные и горизонтальные силы. Чтобы осуществить даже простой поворот, необходимо задействовать два, а то и все три устройства управления. На больших самолетах устройства управления приводятся в действие гидравлической системой. В самолетах с электродистанционным управлением для контроля устройств управления применяется компьютер.

Энергия ветра

Ветер — это движение больших масс воздуха, источники его энергии неисчерпаемы. Ветер может двигать судна, производить электроэнергию, приводить в движение механизмы.

Люди используют энергию ветра уже тысячи лет. Парусники бороздили реки и озера Древнего Египта еще 5500 лет назад. В 1340-х годах в Голландии впервые появились насосы для осушения земель с приводом от ветряных установок. Через века в Европе начали строить ветряные мельницы для помола зерна.

СОВРЕМЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ

Количество ископаемого топлива, за счет которого человечество решает энергетические проблемы, на Земле постоянно уменьшается. Чем меньше остается его запасов, тем выше становится интерес к использованию энергии ветра. На некоторых крупных судах для дополнительной помощи машине установили паруса, которыми управляет компьютер. Они позволяют экономить топливо.

ПОЧЕМУ ДУЕТ ВЕТЕР

Ветер — это поток воздуха, движущийся из зоны высокого давления в зону низкого давления. Места с низким атмосферным давлением размещены вдоль экватора, где Солнце сильнее нагревает воздух, делает его легче и заставляет подниматься вверх. Холодный воздух имеет меньшую плотность и опускается к земле. Эти нисходящие потоки создают зоны высокого давления вблизи Северного и Южного полюсов планеты.

Нагретый солнечной энергией воздух движется от экватора на юг и на север, охлаждается и опускается вниз. Вращение Земли вызывает дополнительное смещение воздуха вдоль экватора. Все это во взаимодействии приводит к тому, что Земля оказывается окруженной несколькими кольцами циркулирующего воздуха.

ПАРУСА

Масса каждого кубометра воздуха составляет 1,3 кг. Когда дует ветер, поток воздуха имеет определенный импульс. Поток воздуха влияет с некоторой силой на все, встречающееся на пути.
Паруса — это полотнища из плотной ткани, которые используют силу ветра для движения судна в нужном направлении.
В первых ветряных мельниц на центральном валу закрепляли треугольные паруса. Сила ветра заставляла их вращаться вместе с валом . От вала движение передавалось к водяным насосам или к жерновам.

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Паруса на ветряных мельницах работали не очень эффективно, забирая у ветра очень незначительную часть его энергии. Выгоднее применять колеса с лопастями, как для пропеллеров. Современные ветровые установки называют ветродвигателями и оснащают двумя или тремя лопастями длиной до 50 м. Ветродвигатели приводят в движение электрические генераторы, установленные на опорах высотой более 100 м. В зависимости от силы и направления ветра по команде компьютера специальные двигатели меняют угол установки лопастей и положение пропеллера. При умеренном ветре ветродвигатели таких размеров развивают мощность около 300 кВт. Это примерно 0,1 % мощности теплоэлектростанции, работающей на угле.

ВЕТРОВЫЕ СТАНЦИИ

Ветровые станции — это десятки установок , вырабатывающих электроэнергию для обеспечения местных потребностей. Ветровая станция Уинтек, вблизи калифорнийского города Палм-Спрингс состоит из 4 тыс. ветроэнергетических установок. Общей мощности станции хватит, чтобы обеспечить электроэнергией такой город , как Сан-Франциско. Станция расположена в естественной котловине, что действует как огромный аккумулятор солнечной энергии. Воздух в ней интенсивно прогревается и поднимается вверх , открывая путь прохладному воздуху с тихоокеанского побережья. Между побережьем и котловиной лежит долина, по которой воздух движется как по туннелю, увеличивая при этом скорость. Поэтому в районе станции постоянно дуют сильные ветры, которые вращают роторы ветродвигателей.

Роторные ветродвигатели вращаются вокруг вертикальной оси. Для них не важно, откуда дует ветер. Изображенные на рисунке лопасти называются Сарториус - от названия мышцы, что позволяет сидеть, скрестив ноги.

Роторные ветродвигатели вращаются вокруг вертикальной оси. Для них не важно, откуда дует ветер. Изображенные на рисунке лопасти называются Сарториус — от названия мышцы, что позволяет сидеть, скрестив ноги.

ПРОЕКТЫ БУДУЩЕГО

Проблема использования энергии ветров заключается в их непостоянстве. Чтобы крутить ротор электродвигателя, скорость ветра должна быть не менее 20 км/час. Выход увидели в том, чтобы связать в единую энергосеть ветровые станции и потребителей на значительном расстоянии. Тогда безветренность в одном месте будет компенсироваться энергией других станций. Хотя энергия, поступающая от ветровых станций, сейчас покрывает совсем малую часть мировых потребностей, их вклад в обеспечение теплом и светом будет расти по мере уменьшения запасов ископаемого топлива.