Объяснить, почему выгнутая верхняя поверхность крыла заставляет воздух двигаться быстрее, задача довольно сложная. Обычно говорят, что две молекулы воздуха, одновременно отправившиеся в путь от передней кромки крыла к задней, одна по верхней поверхности крыла, а другая по нижней, должны по какой-то загадочной причине достигнуть задней кромки одновременно. Иначе говоря, те молекулы, которые следуют по криволинейной верхней поверхности крыла, должны пройти более длинный путь, поэтому, как считается, им приходится двигаться быстрее. Но это не так. На самом деле молекулы вовсе не окажутся у задней кромки крыла одновременно. И не должны, собственно. Тем не менее молекулы воздуха действительно обтекают изогнутую верхнюю поверхность крыла, вместо того чтобы отлетать по касательной, и действительно движутся по криволинейной верхней поверхности быстрее, чем по более плоской нижней, так что эффект Бернулли и в самом деле обеспечивает некоторое количество подъемной силы как следствие.

САМОЛЕТ В РЕЖИМЕ СВАЛИВАНИЯ

Рисунок турбулентности вокруг самолета в режиме сваливания.

При всем при том вклад закона Бернулли в подъемную силу в обычных условиях не так важен, как первый из упомянутых эффектов – эффект плоской доски, он же ньютоновский. Если бы бернуллиевская подъемная сила была больше ньютоновской, самолеты не могли бы летать вверх ногами. А они могут – по крайней мере, небольшие.

Выше я описал, как молекулы воздуха обтекают искривленную верхнюю поверхность крыла и не отлетают по касательной. Но это верно лишь отчасти. Если угол набегающего потока слишком велик, то есть крыло наклонено вверх слишком резко, обтекание нарушается, молекулы воздуха перестают плавно огибать крыло и отрываются от него, и возникают жуткие турбулентные вихри. Давление Бернулли исчезает, и воздушное судно внезапно теряет подъемную силу и, как говорят специалисты, впадает в режим сваливания. Режим сваливания – это очень опасно, и пилот должен принять меры, чтобы снова набрать подъемную силу, то есть уменьшить угол набегающего потока (обычно для этого нужно немного наклонить нос вниз) и тем самым восстановить плавное обтекание воздухом верхней части крыла.

Я упомянул угол набегающего потока, это угол наклона крыла относительно направления воздушного потока. Не путайте это с наклоном (тангажем) самолета относительно поперечной оси, то есть относительно земли. Когда самолет взлетает, наклон очень крут, и поэтому, если вы нарушите правила и оставите на столике стакан с питьем, оно, вероятно, прольется. В этом случае велик и угол набегающего потока. Но так бывает не всегда. У истребителя, взлетающего почти вертикально, большой наклон, но маленький угол набегающего потока, поскольку ветер, дующий на крыло, направлен почти вертикально вниз.

Говорят, что воздушное судно наклоняется, когда угол его наклона относительно земли растет или уменьшается. А когда одно крыло идет вверх, а другое – вниз, говорят, что самолет кренится. Пилоты контролируют крен при помощи элеронов на задней кромке крыла, которые можно поднимать и опускать, а наклон – при помощи таких же горизонтальных поднимающихся и опускающихся плоскостей на хвосте. Добавлю, что самолет рыскает, когда водит носом влево или вправо. Рыскание пилоты контролируют при помощи вертикального руля сзади хвоста. Летающие животные тоже наклоняются, кренятся и рыскают.

Пока что речь у нас шла в основном о самолетах с фиксированными крыльями, поскольку их теоретическая основа проще. Братья Райт и другие первые авиастроители применяли систему для “крутки” крыла – сложный механизм из тросов и блоков, при помощи которого можно было менять форму каждого крыла в отдельности и тем самым рулить летательным аппаратом. Сегодня на смену пришли подвижные элероны. Если говорить о крыле птицы, теоретические расчеты, позволяющие понять, как оно набирает подъемную силу и толкает птицу вперед, оказываются сложнее, чем для самолетов с фиксированным крылом. Птицы не просто машут крыльями: их крылья постоянно меняют форму, чутко реагируя на обстоятельства. Сочетание взмахов и изменений формы делают математику птичьего полета такой сложной, что разобрать ее здесь во всех подробностях практически невозможно. Однако можно утверждать, что у птичьих крыльев те же способы набрать подъемную силу, что и у крыльев самолета, ньютоновский и бернуллиевский, но их взаимодействие сложнее. Пока же поговорим о проблеме сваливания, которая актуальна не только для самолетов, но и для птиц.

Воздушное судно для снижения риска сваливания прибегает к хитроумным устройствам, в числе которых предкрылки. Это маленькие дополнительные крылья, хитроумно пристроенные перед основным крылом таким образом, чтобы оставались промежутки – щели. Сквозь них предкрылки перенаправляют на верхнюю поверхность основного крыла дополнительный воздух. Это позволяет отодвинуть критическую точку, на которой начинается турбулентность, сместить ее назад по верхней поверхности крыла, а следовательно, избежать сваливания. Кроме того, благодаря предкрылкам сваливание начинается при большем угле набегающего потока. При нормальном полете предкрылки обычно аккуратно сложены и убраны. Пилоты приводят их в действие во время взлета и посадки, когда угол набегающего потока велик, а скорость самолета мала. У современных авиалайнеров иногда изящно отогнут кончик крыла. Это снижает и турбулентность, и лобовое сопротивление воздуха, и некоторые птицы тоже отгибают кончики крыльев.

И САМОЛЕТЫ, И ПТИЦЫ ИМЕЮТ ДЕЛО С ОДНИМИ И ТЕМИ ЖЕ ЗАКОНАМИ ФИЗИКИ

И находят для одних и тех же задач похожие, но все же разные решения.

От сваливания страдают не только самолеты. Птицы – живые воздушные судна, и они тоже ему подвержены. Есть ли у них предкрылки, как у самолетов? В некотором роде. У многих парящих птиц образуются заметные зазоры между перьями на кончиках крыльев, и они, похоже, играют ту же роль. Элегантный пример – крылья грифов и орлов. Их огромные маховые перья первого порядка на внешней кромке крыла растопыриваются, словно лопасти вентилятора, и образуют большие промежутки. Поскольку перья очень велики, каждое из них играет роль миниатюрного крыла или предкрылка. Особенно это важно для тех птиц, которые поднимаются по спирали внутри термика, птице нужно описывать небольшие круги, чтобы случайно не вылететь из термика. Поэтому внешнее крыло движется быстрее внутреннего, которое таким образом дает меньше подъемной силы и рискует сваливанием. Здесь необычайно полезны растопыренные перья на конце крыла, которые служат предкрылками для того крыла, которое находится ближе к центру термика.