Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации

Леонардо да Винчи во многом опережал свое время, и среди его проектов был своего рода предшественник вертолета. К сожалению, он вряд ли смог бы подняться в воздух, и не только потому, что должен был работать на мускульной силе человека. Человеческие мышцы слишком слабы, чтобы поднять совокупный вес человека и машины, а уменьшить его невозможно. У современных вертолетов мощные двигатели, которые сжигают большое количество углеводородного топлива, чтобы вращать массивные гудящие винты. Наклонные лопасти направляют вниз сильный ветер и прямо толкают вертолет вверх.

Кроме того, вертолету нужен дополнительный хвостовой пропеллер, который смотрит вбок (или что-то аналогичное), чтобы судно не вертелось, как волчок. По-видимому, это последнее дополнение Леонардо упустил. Штурмовикам “харриер” и их преемникам хвостовой пропеллер не нужен, поскольку у них нет винта. Они поднимаются за счет отражающих реактивных сопел, направленных вертикально вниз. Затем самолет направляет сопла назад, чтобы лететь вперед, подъемную силу он набирает при помощи крыльев, как любой нормальный самолет. А откуда берут подъемную силу нормальные самолеты? Тут все несколько сложнее.

Нормальные самолеты, в отличие от вертолетов, набирают подъемную силу за счет стремительного движения, они толкают себя вперед пропеллерами или реактивными двигателями. А поток воздуха, который мчится навстречу крыльям – над ними и под ними, – поднимает самолет двумя способами, причем оба актуальны не только для рукотворного летательного аппарата, но и для живых летающих существ. Очевидный и главнейший из двух способов называется ньютоновским. На переднюю кромку крыльев давит ветер, который по мере движения судна вперед приподнимает их за счет небольшого наклона вверх. Этот эффект можно ощутить, если высунуть руку в окно несущейся машины. Наклоните ладонь чуть-чуть вверх, и вы почувствуете, как вверх потянет всю руку. Это очевидное ньютоновское объяснение, почему крылья поднимают самолет, и основной способ для самолетов получить подъемную силу. Он сработал бы, даже если бы крылья представляли собой плоские доски, немного наклоненные вверх, поэтому можем называть его эффектом плоской доски.

ПОЖАЛУЙ, НЕ САМОЕ ГЕНИАЛЬНОЕ ИЗ ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ ЛЕОНАРДО

Даже если четыре человека будут бежать вокруг кабестана со всех ног, это устройство не поднимется над землей ни на сантиметр.

Но параллельно происходит и другой процесс, не такой очевидный. Есть второй способ, которым крылья дают подъемную силу при стремительном движении вперед. Он назван в честь Даниила Бернулли, швейцарского математика, жившего в XVIII веке. Многие не вполне понимают, как взаимодействуют эти два способа. К счастью, самолеты все равно не падают, даже если простыми словами трудно объяснить, как именно им это удается.

Итак, вот второй способ, бернуллиевский, которым крылья обеспечивают подъемную силу. Вы наверняка заметили, что у современных самолетов крылья не плоские, они искусно выгнуты. Передняя кромка толще задней. А форма сечения крыла – тщательно рассчитанная криволинейная фигура, продуманная так, чтобы воздух, обтекая поверхность крыла, давал подъемную силу согласно закону Бернулли.

Закон Бернулли гласит, что, если текучая среда (это выражение означает и газы, и жидкости) движется вдоль поверхности, давление на поверхность уменьшается. Именно поэтому занавеска в душе прилипает к телу. И чтобы этого не происходило, нередко вешают вторую занавеску снаружи бортика ванны. В этом случае поток Бернулли – это ветер, направленный сверху вниз, который генерирует текущая вода. Теперь представьте себе, что у вас есть две душевые насадки, направленные вниз, по обе стороны от занавески. Из одной вода течет быстрее, чем из другой. По закону Бернулли, занавеску “засосет” в ту сторону, откуда вода течет быстрее (“засосет” в кавычках, поскольку то, что мы принимаем за засасывание, на самом деле более высокое давление с другой стороны).

Естественно, ветер давит и на крыло самолета, который мчится вперед, рассекая воздух. Обычно самолеты стараются для усиления воздействия взлетать по возможности против доминирующего ветра. Тут есть некоторая тонкость. Согласно закону Бернулли, сила засасывания зависит от формы поверхности, вдоль которой дует ветер. Криволинейную верхнюю поверхность крыла воздух обтекает быстрее, чем более плоскую нижнюю поверхность. Вспомните поучительный пример занавески в душе. Ветер, в точности как занавеска, подсасывается вверх из-за более низкого давления на верхнюю поверхность крыла.