Дорослі люди звикли сприймати світ таким, який він є, і не задаються питаннями про те, чому щось відбувається саме так, а не інакше. А діти у своєму прагненні пізнати світ часто спантеличують питаннями, на які важко одразу знайти відповідь. Наприклад, чому літак летить, а крилами не махає? Спочатку дорослі згадують шкільний курс фізики, намагаючись знайти відповідь, а потім переймаються і самі - а дійсно, чому?
Питання, чи може людина літати, як птах, турбував людей з давніх часів. Люди спостерігали за птахами, летючими мишами і літаючими комахами, вони бачили, що політ відбувається завдяки маханням крил і їх цікавило, чи може людина полетіти так? Чи варто спробувати? І не раз пробували.
Трохи історичних фактів
Мрія про підкорення повітря турбувала людини завжди. Досить згадати давньогрецьких міф про Дедала та Ікара, які відправилися в шлях через море на саморобних крилах. Це, зрозуміло, тільки міф, однак подібну думку про можливість польотів з використанням штучних крил великого розміру розвивав у середні століття Леонардо да Вінчі.
Геніальний вчений придумав і описав літальний пристрій, який дозволив би людині піднятися в повітря і літати подібно до птаха. Для розробки да Вінчі вивчав механізм польоту і будову пташиних крил. Результатом роботи став малюнок конструкції під назвою орнітоптер. Для підйому в повітря людина повинна була б використовувати власну м'язову силу. Але реального втілення розробки в життя не відбулося.
Схожими розробками займалися і на Русі. І мова не тільки про казкові польоти на дерев'яному орлі. Відомий факт: при царі Івані Грозному, хлоп Микита здійснив політ на штучних крилах, стрибнувши з дзвіниці. Тут йдеться швидше не про польот, а про планування - початкова швидкість була набрана не мускульною силою або чимось подібним, а за рахунок стрибка з висоти.
Подібних спроб історія знає чимало. Але це все було планування. Людина починала політ з височини, тобто набір необхідної початкової швидкості відбувався без махових рухів.
В XX столітті почалися експерименти по створенню моделей з махаючими крилами, але результату вони не приносили. Найкращий результат - людина відривалася від землі і пролітала кілька метрів. Але полетіти по-справжньому не виходило. Ретельне спостереження за рухом пташиних крил допомогло зрозуміти причину.
Крила птаха в польоті рухаються по складній траєкторії. Це не просто часті рухи вгору і вниз. Під час польоту крила описують вісімку - вгору і вниз і в той же час вперед і назад. Розшифровка високошвидкісної відеозйомки помаху крила дозволила побачити, що в той час, коли крило піднімається вгору, воно ще й розгортається у напрямку до потоку для зниження опору. У верхній точці воно повертається всією площиною поперек потоку.
Простіше кажучи, під час польоту птах спирається на повітря. При цьому частота помахів - чим вона вища, тим швидше набирає птах висоту і переходить до планування. Але і це не все. Простих помахів недостатньо для підйому від землі - необхідний початковий поштовх для створення підйомної сили. Саме для набору швидкості і підйому в повітря птиці спочатку відштовхуються від землі, а потім починають працювати крилами.
Великим птахам одного стрибка не достатньо, тому вони починають свій політ з розбігу або з висоти - дерева, будівлі, скелі. В цьому випадку виходить нирок в повітря з подальшим розкриттям крил для планування на висоті.
Людські крила не могли літати тому, що була відсутня підйомна сила. Повітря довкола крила залишалося нерухомим.
Польоти людини на крилах
Мрії про польти до цих пір розбурхують розуми учених. Спроби створити діючу модель літальних крил тривають і сьогодні. Але повноцінної моделі, що дозволяє людині саме літати завдяки крилам, та ще й з додатковим вантажем, створити поки не вдалося.
Розуміючи принцип пташиного польоту, можна спробувати розібратися, чому так складно створити махоліт. Конструкцій такого пристрою було дві:
- Однокрилі - для створення підйомної сили використовується одна пара крил, яка робить симетричний помах обома крилами;
- двокрилі - в цьому випадку одна пара крил робить помах вгору, а друга, розташована послідовно за ними, вниз.
Найскладніша частина роботи: виготовлення крил, так як для польоту необхідно, щоб крила були великими, мали поворотний механізм і двигун. Останній повинен забезпечувати необхідну частоту змахів на кожній ділянці польоту. В якості двигунів в різний час використовувалися:
- власна мускульна сила пілота;
- велосипедна тяга;
- комбінована ручна і ножна тяга;
- двигун внутрішнього згоряння.
Фізичних зусиль людині для польоту недостатньо, навіть людина з відмінною фізичною підготовкою і високим рівнем витривалості не зможе довго підтримувати необхідні для польоту зусилля. А двигун, що можна поставити, повинен бути дуже легким і при цьому потужним.
Кінцева конструкція виходить дуже складною і дорогою, і на жаль, спроби втілення конструкції в життя не увінчалися успіхом.
Справу вирішують крила
Зазнавши поразки в одному, людина спробувала підкорити повітря іншим шляхом. Але і тут не обійшлося без птахів. Дослідженням займалися багато вчених - у Франції це був П'єр Луї Муйяр, в Німеччині - Лілієнталь, в Росії - Микола Єгорович Жуковський.
На зорі своєї діяльності майбутній «батько російської авіації» займався всебічним вивченням динаміки польоту птахів. Його дослідження пташиного польоту лягли в основу наукової доповіді «Про ширяння птахів», в якому були математично сформульовано фізичні основи рухів птахів. Ця робота, яка побачила світ у 1891 році, стала початком формування законів динаміки польоту.
Подальша робота Жуковського і його учня Чаплигіна була пов'язана з математичним описом профілю крила, необхідного для створення підйомної сили. Саме їх розробки дозволили описати і пояснити природу підйомної сили науковою мовою.
Розроблена модель профілю крила в розрізі схожа на витягнуту краплю - спереду округла і звужується до кінця. Така форма дозволяє сформувати силу, яка штовхає крило вгору. Це відбувається від того, що набігаюче зверху повітря створює зону зниженого тиску, а знизу - підвищеного. Сьогодні такий профіль називається профілем Жуковського.
Розробка була гарною, але з'явилися нові питання, адже для створення підйомної сили обов'язково потрібен набігаючий повітряний потік. Зробити його в нерухомому стані неможливо. Значить, крило повинно рухатися само, а значить потрібно розробити конструкцію, яка могла б надати швидкість. Так розробка крила потягнула за собою створення тяглового двигуна, до якого повинно було прикріпитися крило. Все це не могло працювати самостійно, потрібен був чоловік, який зміг би керувати цією конструкцією - пілот. Поступово з окремих частин стала вимальовуватися цілісна конструкція - літак.
Завдяки аеродинамічній формі профілю, що діє на крило підвищеного тиску і потужності двигуна, літак спирається на повітря, як автомобіль на дорогу. Звичайній людині таке може здатися дивним, проте це так і є, якщо пояснювати простими словами.
Роботи Жуковського показали, що самий простий варіант крил: не складна конструкція, що вимагає сили для помахів, а пряме стаціонарне крило з аеродинамічними характеристиками. І донині така конструкція використовується в літакобудуванні у всьому світі.
Дослідження аеродинамічного профілю крила не обмежилися роботами Жуковського. Надалі з'ясувалося, що для різних режимів польоту і різної швидкості потрібні різні профілі. Літаки, що літають на дозвукових швидкостях, оснащуються каплеподібним профілем крила, а у надзвукових літаків переважно крило трикутного профілю.
І все-таки вони махають!
Начебто стаціонарне крило і не махає, як пташине, але все-таки сказати, що воно не махає зовсім - значить збрехати. Так, літаки не махають для того, щоб створювати підйомну силу, це за нього робить аеродинамічне крило і набігаючий потік повітря.
Якщо ви здійснете свою подорож на літаку і ваші місця будуть поруч з крилами, зверніть увагу - крила ніби дихають, ніби гойдаються і згинаються верх і вниз. Може навіть здатися, що з крилом якісь проблеми. Насправді, ніяких проблем немає, ці рухи –це робота крила, так повинно бути. Так крила літака пристосовуються до набігаючого потоку повітря, навантажень від працюючого двигуна.
Проектування крила враховує всі навантаження, які може відчувати літак у повітрі. Самі матеріали підбираються таким чином, щоб майбутня конструкція витримувала будь-режим польоту.
Виходить, що літак все ж махає крилами, але по-своєму і для інших цілей. І так у будь-якої моделі літака. Відрізнятися може лише амплітуда коливань - на одних моделях ці «помахи» видно неозброєним оком, деякі пасажири не на жарт лякаєтюся, побачивши ці помахи. В інших моделях відчути коливання можуть тільки прилади.
Мрії людини про польоти на крилах поки не здійснилися. Створений природою механізм польотів птахів і комах складний для повтору. У живій істоті все пристосовано для цього - від будови скелета до мислення. Але навіть сучасні матеріали та технології не дозволяють створити повноцінну модель для польоту людини з прикріпленими крилами. Можливо, поки що. Зрештою польоти в космос всього сто років тому були фантастикою, а сьогодні це реальність.