Но существует сила, направленная вверх. В этом можно легко убедиться. Положите на стол лист писчей бумаги и подуйте поверх стола. Бумага приподнимется и двинется вперед. Подобным образом ученый Джордж Кейли демонстрировал подъемную силу воздуха. Эта сила движет летящим по воздуху листом, обрывком бумаги, поднимающимся самолетом или воздушным змеем.
Каждый, кто запускал воздушного змея, использовал эту силу для того, чтобы не дать змею упасть на землю. Сначала оператор кладет змея на землю, потом берет в руки линь и бежит против ветра. Змей отрывается от земли. Медленно, если угол наклона невелик, и гораздо быстрее, если угол подобран правильно. Кроме того, если змея обдувает ветер, то над его верхней частью создается некоторое разряжение. Это помогает змею подниматься более уверенно. Благодаря возникновению вакуума змей может парить в воздухе, словно парус.
Из сказанного следует, что змей может летать только тогда, когда расположен под углом к направлению ветра. Другими словами, чтобы взлететь, змей должен находиться под углом по отношению к потоку воздуха. Этот угол называется углом атаки или углом подъемной силы. Если змей занимает положение близкое к вертикальному, то увеличивается сопротивление воздуха и увеличивается подъемная сила. Наоборот, когда змей располагается почти горизонтально, то подъемная сила убывает, и змей не поднимается.
Все это можно легко доказать. Пусть змей летит при легком ветерке. Он стремится занять вертикальное положение, почти не поднимаясь вверх. Потом змей сделает несколько ныряющих движений, стремясь упасть на землю.
При сильном ветре змей быстрее поднимается вверх. Причиной этому служит то, что при сильном ветре и большом натяжении линя змей занимает наклонное положение и его подъемная сила возрастает.
Но если по каким-то причинам змей не может занять правильное положение и угол атаки становится слишком мал, полет будет отличаться неустойчивостью, и если положение не улучшится, то змей пойдет вниз.
Теперь следует поговорить о силе тяжести. Воздушный змей стремится вниз благодаря своему весу. Змей тяжелее воздуха, и необходимы силы, чтобы преодолеть это препятствие. Прежде всего надо стараться сделать змея легким, насколько это возможно. Змей, сделанный вопреки этим правилам, будет перегружен, подобно перегруженному самолету. И тем не менее, каким бы легким ни был змей, всегда найдется сила, стремящаяся переместить его вниз.
Это стремление обусловлено силой земного тяготения. Все предметы падают на землю, если их ничто не удерживает. Сама Земля притягивает их. И если бы не было этого притяжения, то все на Земле полетело бы в космос из-за силы, возникающей от вращения Земли. Сила притяжения действует на все и всех.
Теперь необходимо сказать о том, что мы называем центром тяжести. Это точка приложения силы тяжести. Или точка, вокруг которой сбалансирован вес тела. Центр тяжести можно найти, воспользовавшись правилами геометрии или экспериментальным путем. В качестве эксперимента можно взять стержень и положить его на опору. Уравновесив его, мы найдем центр тяжести, то есть точку, в которой приложена сила тяжести.
Но что касается парящего в воздухе воздушного змея, то все не так просто. Центр тяжести – это не только точка, в которой приложена сила притяжения, а также точка, где должны пересекаться линии действия всех других сил – подъемной силы, силы сопротивления и движущей силы. Чтобы этого добиться, надо тщательно уравновесить конструкцию змея. Если будет допущена ошибка, то змей будет нестабилен в полете. Чтобы привести все силы в одну точку, оператор может произвести наладку, например, утяжелить или облегчить хвост, изменить точку прикрепления линя. Хороший полет змея во многом зависит от такой регулировки.
Уже говорилось, что в полете на змея действуют три силы – сила тяжести, сила сопротивления и подъемная сила. Но есть и четвертая, о которой было упомянуто лишь вкратце, это – движущая сила. Сначала покажется удивительным, почему мы говорим о движущей силе, ведь у воздушного змея нет мотора. Но читатель тут же поймет, что движущая сила создается самим оператором и передается змею с помощью линя. Линь действует на воздушного змея как мотор, то есть передает усилие от оператора к самому змею.
Движущая сила эффективна лишь при натянутом лине. Представьте, что мы запускаем воздушного змея при слабом ветре и линь не натянут. Тогда змей будет перемещаться назад и падать вниз. Чтобы исправить это положение, оператор должен натянуть линь и побежать вперед. Это действие равносильно включению мотора. Отвечая на эту движущую силу, змей начнет подниматься вверх. Движущая сила заставляет змея принять такое положение, при котором сила сопротивления превращается в подъемную силу.
Чем больше отпускать линь, тем большее возникает сопротивление. И чем длиннее линь, тем больший вес передается на воздушного змея. В результате змей может начать падать вниз. Движение назад уменьшает угол атаки, и подъемная сила убывает. Это подтверждает, как важна движущая сила, передающаяся змею через линь.