Нурбей Гулиа - Удивительная физика
Хотя на педальных велосамолетах, изготовленных из
легчайших и сверхпрочных материалов, спортсмены научились летать. В частности, грек К. Канеллопулос повторил полет Дедала протяженностью в 119 км – от Крита до острова Санторин. Размах крыльев велосамолета был 34 м, а масса всего 32 кг.
Как мы видим, человеку своими силами крыльями так и не замахать, а может ли это делать машина? Принципиально ничего не мешает существовать летательной машине с машущими крыльями. Даже зонтик, если его достаточно быстро каким-нибудь легким приводом двигать вверх-вниз, поднимется в воздух из-за разности аэродинамических сопротивлений.
Автору довелось увидеть совершенную модель летательной машины машущего полета. Тяга, которую она развивала вверх, была относительно даже выше, чем у вертолета. Это обеспечивалось достаточно сложной кинематикой движения крыльев – их было аж восемь. А простейшие модели махолетов в виде птиц продаются в магазинах. Одну из них с резиномотором вы видите на рис. 226.
Рис. 226. Модель машины с машущим полетом в виде птицы с резиномотором
Однако все-таки машущий полет связан со сложнейшей нервной деятельностью летящего существа. Обтекаемость крыльев, их углы атаки, силу взмаха и многое другое, необходимое для полета, птица изменяет, «не задумываясь», рефлекторно. Машина должна обладать гигантским электронным мозгом и сложнейшей сервосистемой, чтобы успешно маневрировать в машущем полете. И еще одно: фюзеляж такой машины будет постоянно колебаться – вверх-вниз, вверх-вниз, и пассажиры заболеют морской болезнью.
Перейдем к вертолетам, или к подъему в воздух с помощью воздушного винта. Когда же его изобрели и кто был тот вертолетный Дедал?
Рис. 227. В руках у ребенка модель вертолета выпуска 1320 г.
Писатель С. П. Бойко [3] приводит картину (рис. 227), где ребенок изображен с игрушкой в руках. Игрушка поразительно напоминает винт вертолета, такими летающими вертушками играют дети и сейчас. Установлено, что эта летающая игрушка известна с 1320 г., а сама картина написана в 1460 г.
Первым делает эскиз большого вертолета знаменитый Леонардо да Винчи (рис. 228, а). Он пишет об этой конструкции: «Остов винта должно сделать из железной проволоки, толщиной в веревку; расстояние же от окружности до центра – 25 локтей (около 12 м). Если все будет сделано как следует, то есть из прочной парусины, поры в которой тщательно замазаны крахмалом, то я думаю, что при вращении с известной скоростью такой винт как бы опишет в воздухе спираль и поднимется вверх».
Говорят, уже в наши дни на авиазаводе в Сан-Диего (США) был построен летательный аппарат по эскизам Леонардо (рис. 228, б), причем машина поднялась в воздух, даже с грузом! Так и хочется воскликнуть любимые слова Станиславского: «Не верю!» Или модель была построена не по эскизам Леонардо, или она не сдвинулась бы с места. Дело в том, что в проекте Леонардо винт должен был вращаться бегающими по платформе вокруг вертикальной оси людьми. И крутиться бы стала в первую очередь сама платформа, а не винт, который достаточно велик, и чтобы крутить его, требуется большой крутящий момент.
Рис. 229. Вертолет одновинтовой с хвостовым винтом
Не знал Леонардо законов Ньютона, не предполагал, что действие равно противодействию и на платформе появится реактивный момент, который и закрутит ее. В современных одновинтовых вертолетах, чтобы фюзеляж не вертелся в обратную винту сторону, на самом хвосте ставят поперечный винт, который этот момент и компенсирует (рис. 229). Или делают вертолет с двумя винтами, вращающимися в противоположные стороны (рис. 230 а, б). Так что если в модели из Сан-Диего не предусмотрели какого-нибудь хитрого устройства для компенсации реактивного момента, чего не было у Леонардо, то не взлетела бы эта модель.
Позвольте, а почему летают, начиная с 1320 г. и по сей день, детские вертушки и даже игрушечные вертолеты с одним винтом и без какой-либо компенсации?
Рис. 231. Прыгающий «Гиро»
Здесь дело в том, что сам винт играет роль маховика или с винтом соединен маховик, как, например, в вертолете (правильнее – автожире), изображенном на рис. 231. Маховик обладает удивительной способностью безреактивности, т. е. не оказывает реактивного воздействия на поддерживающие части, да они ему и не нужны. Прикрепите к вершине волчка сверло – и при вращении волчка сверло будет сверлить, допустим, стол, не вызывая необходимости противодействия реактивным моментам, как это бывает у дрели. Поэтому только с приводом непосредственно от маховика, или если этот маховик в виде обруча находится вокруг винта (рис. 232) вертолет способен взлететь без компенсации реактивного момента. Так устроен, например, беспилотный разведывательный маховичный вертолет, запускаемый с телекамерой. Маховики с винтами раскручиваются на базовом грузовике, а затем винтам задается угол атаки, и машина взлетает. Через несколько минут она, засняв всю округу, садится на тот же грузовик. Почти так же работал и вертолет с маховиком, названный «прыгающий Гиро», построенный в Шотландии в 30-х годах прошлого века.
Рис. 232. Разведывательный маховичный вертолет
Аналогичными свойствами безреактивности обладают вертолетные винты с реактивными двигателями, расположенными на их концах (рис. 233). Вот такая реактивная безреактивность получается, простите за каламбур. Такой винт не надо крутить, опираясь на фюзеляж, он крутится сам, влекомый реактивными двигателями на концах. И точно так же, как и винт с маховиком, он может свободно на подшипниках фиксироваться на фюзеляже.
Рис. 233. Вертолет с «реактивным винтом»
А подшипники никакого крутящего момента передать не могут, в том числе и реактивного.
И еще про вертолет, чего многие не знают. Это касается вопроса, почему эти машины не летают столь же быстро, как самолеты. Оказывается, мешает этому именно несущий винт. Когда вертолет летит, а винт вращается, то на одну боковую часть винта приходится набегающий поток, равный по скорости сумме скорости лопасти винта и скорости вертолета, на другую часть – разность этих величин. Поэтому по теории крыла первая часть винта будет обладать подъемной силой больше второй, и вертолет будет крениться. Что же делать, чтобы лететь ровно?
Для этого, а также и для других важных целей винт вертолета содержит сложный и ответственный механизм, называемый «автомат-перекос». Он в течение одного оборота лопасти винта дважды изменяет угол ее атаки – уменьшает его там, где поток воздуха набегает, и увеличивает на другой стороне. И в результате подъемные силы всех частей винта уравновешиваются. Трудно представить себе всю напряженность работы такого механизма, ведь на винте «висит» вся машина, и винт этот делает сотни оборотов в минуту. Но даже автомат-перекос не может помочь, когда скорость машины равна скорости винта. Тогда вторая часть винта вообще неподвижна относительно воздуха и ее подъемная сила при любом угле атаки равна нулю. Кроме того, скорость первой части винта относительно воздуха становится чрезмерно большой. Поэтому вертолеты и не летают так быстро, как самолеты.
А автомат-перекос, придуманный нашим соотечественником Б. Н. Юрьевым (1889—1957) в 1911 г. и работающий на современных вертолетах, позволяет, кроме уже сказанного, развивать тягу и лететь в любом направлении – вперед, назад и вбок!
Первый современный вертолет построил в США русский инженер Игорь Сикорский (1889—1972) в 1939 г. Назывался он «Сикорский YS-300» и был похож на современные одновинтовые вертолеты с хвостовым поперечным винтом. Вертолет Сикорского мог совершать вертикальный взлет и посадку, летать в любом направлении и зависать в воздухе.
Как делать деньги из воздуха?
Воздушные суда с винтами – самолеты и вертолеты – летают, отбрасывая от себя воздух. А вот ветряные мельницы (рис. 234, а) известные с глубокой древности, никуда не летают, хотя имеют винт и исправно машут лопастями. Происходит процесс, очень близкий к тому, что имеет место в летательных аппаратах, но со своими особенностями. Воздух, перемещаясь относительно неподвижного воздушного винта, сам вращает его, вырабатывая энергию.
Рис. 234. Ветряная мельница (а) и ветроэлектростанция мощностью 600 кВт с башней в виде фермы (б) и в виде трубы (в)
«Мы делаем деньги из воздуха!» – гласит девиз одной из германских фирм, производящих ветроэлектростанции. И девиз этот полностью справедлив. Высотой свыше 100 м, стоят родичи ветряных мельниц – ветряки, группами и в одиночку, вырабатывая энергию из воздуха (рис. 234, а, б). А энергия – это деньги, причем с каждым годом все большие.
