«…когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях».
Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Теория подъёмной силы крыла самолёта была разработана в 1906 г. российским математиком и механиком Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921) (рис. 226).
Рис. 226. Н. Е. Жуковский
Подъёмная сила зависит от скорости движущегося предмета и от угла его наклона к направлению движущегося воздуха. Посмотрим сначала, какие силы действуют на бумажный змей, удерживаемый на ветру верёвкой (рис. 227). На поверхность змея действует сила воздушного потока, которая толкает его вверх. Кроме того, на змей действуют силы тяжести и натяжения верёвки, заставляя его двигаться вниз. При равенстве нулю суммы этих сил змей будет держаться в воздухе, но если сила давления ветра будет больше направленных вниз сил, змей будет подниматься.
В случае самолёта имеют значение форма его крыла и угол, под которым он находится по отношению к встречному потоку воздуха.
Этот угол называют углом атаки. Снизу поверхность крыла плоская, а сверху – выпуклая. Поэтому, когда самолёт находится в полёте, поток воздуха, который движется навстречу крылу, должен проделать вдоль его верхней поверхности больший путь, чем вдоль нижней, и это различие ещё больше увеличивается из-за угла атаки. Следовательно, скорость воздуха над крылом должна быть больше, чем под ним. А согласно законам аэродинамики, чем больше скорость потока, тем ниже давление в нём. Значит, давление воздуха на крыло снизу будет больше, чем давление сверху. Отсюда и возникает подъёмная сила, которая к тому же увеличивается при возрастании угла атаки. Чем больше угол атаки, тем больше подъёмная сила, но тем больше и сопротивление воздуха, которое приходится преодолевать самолёту. Поэтому, для того чтобы этот угол имел оптимальное для данной ситуации положение, на самолёте существуют специальные рули для его изменения. В зависимости от их положения самолёт набирает высоту, летит горизонтально или снижается.
Для полёта самолёта используют двигатели различного типа. Первые самолёты имели воздушные винты, или пропеллеры, которые, вращаясь, создавали поток воздуха. Современные самолёты оснащены турбовинтовыми и турбореактивными двигателями, которые позволяют им развивать очень высокую скорость (рис. 228).
Рис. 227. Полёт бумажного змея
Рис. 228. Ретроспектива самолётов (от начала XX в. до начала XXI в.): А – У-2 (1928); Б – Конкорд (1969); В – Боинг-737 (1967); Г – МиГ-21 (1956); Д – Ил-96 (1988) (в скобках указан год первого полёта)
Были созданы так называемые сверхзвуковые самолёты, скорость которых превышала скорость звука (331,5 м/с при 0 °C). Попытки использовать их для перевозки пассажиров успехом не увенчались из-за слишком большого риска, и в настоящее время их применяют только в военной авиации. Современные реактивные самолёты могут развивать скорость до 3500 км/ч, т. е. почти 1 км/с.