Удивительное рядом: всегда ли нужна бОльшая мощность, чтобы двигаться быстрее?
Мы привыкли к тому, что чем больше мощность - тем быстрее двигаешься: на машине вдавил "тапку в пол" - поехал быстрее, не вдавил - так и едешь медленно. Катаешься на лыжах, поднажал - стал двигаться быстрее. На беговой дорожке поднажал. ну вы уловили суть. Чтобы перемещаться быстро, нужна большая мощность. А чтобы перемещаться медленно, достаточно маленькой. Это универсальный закон, и не важно кто ты - машина, мотоцикл, кот (да-да, и ты тоже!). Закон един для всех. Да?
Нет. Закон един для всех, кроме вот этих засранцев!
"Лечу я как-то в горизональном полете, на индикаторе скорости 80 км/ч, решил лететь побыстрее: вдавил педаль в пол и полетел со скоростью 90" - не сказал ни один летчик в мире.
Почему не сказал? Во-первых, потому что обороты двигателя в самолете регулируются не педалью, а РУДом, но оставим эту незначительную деталь и перейдем к главному: чтобы увеличить скорость с 80 до 90 км/ч, мощность двигателя нужно уменьшить, а не увеличить.
Здесь у вас должно возникнуть два вопроса.
Второй: как эта штука, именуемая винглетами, торчащая в поток и явно увеличивающая сопротивление, может экономить керосин? (4-6% экономии, между прочим!)
Здесь у вас дожен возникнуть третий вопрос: при чем здесь вообще второй вопрос? Ну обо всем по порядку.
Итак, вы едете на машине 80 км/ч. Какие силы действуют на машину? Одна сила тащит ее вперед; эта сила, в конечном итоге, - результат работы двигателя. Другая тащит назад - это сопротивление, в основном сопротивление воздуха. Раз вы едете с постоянной скоростью, то они равны. Сопротивление воздуха, кстати, пропорционально квадрату скорости. То есть с увеличением скорости в 2 раза сопротивление увеличится в 4 раза. Вот картинка параболы, если кто забыл (или еще не узнал)
Теперь вы решили разогнаться до 90. Это в 1.125 раз больше, чем было, а значит, сопротивление выросло примерно в 1.27 раза (а требуемая мощность - вообще 1.42 раза, т.к. растет как куб!).
А что же не так с самолетами? Посмотрим на график требуемой мощности для самолетов. Чтобы разогнаться с 250 до 300 км/ч, нужна большая мощность, как мы и привыкли. Но чу! Что это у нас происходит на скоростях в районе 100-150км/ч? Нужно больше мощности, чтобы лететь медленнее!
Этот эффект вызван тем, что у летательных аппаратов, помимо лобового сопротивления, есть еще один тип сопротивления, характерный только для них, - индуктивное сопротивление. Связано оно с существованием подъемной силы. В отличие от лобового сопротивления, которое можно минимизировать, "вылизав" формы самолета (гусары молчать!), индуктивное сопротивление убрать или минимизировать нельзя. Индуктивное сопротивление - это обратная сторона существования подъемной силы, и убрать его можно, лишь убрав подъемную силу, чего ты, мой дорогой пассажир, совсем не хочешь! Называется оно так потому, что индуцируется подъемной силой (хотя не совсем правильно говорить, что одно индуцирует другое - они просто либо вместе есть, либо вместе нет).
Посмотрим, откуда оно берется:
На этой картинке мы видим две вещи:
1. воздух за самолетом отклонился вниз. Ничего удивительного - воздух оказывает силу на самолет, действующую вверх, и по закону Ньютона самолет оказывает силу на воздух, действующую вниз. Собственно, только по этому и летит. (Так что наши с вами кровные рубли, уплаченные за билет, уходят на выталкивание тучек вниз)
2. Если бы у воздуха не было трения, этим бы все и ограничилось: часть воздуха бы рванула вниз, а часть осталась на месте. Но трение у воздуха есть, поэтому отбрасываемый вниз воздух увлекает за собой своего непотревоженного соседа сбоку, и образуются вихри, как на картинке. А что такое трение? Это потери энергии. А что такое создание вихря? Это потери энергии. Так что топливо в итоге уходит не только на полезную работу по отбрасыванию воздуха вниз, но и на бесполезную (создание вихрей).
Вихри эти кстати очень опасны - вихрь от большого самолета вполне может перевернуть маленький самолет. Это одна из причин, почему выдерживается определенный интервал между взлетающими самолетами - это дает время вихрю ослабеть, а если есть ветер, то вихрь просто сдует с полосы ветром.
Кстати, постоянный спутник таких картинок - вопрос "что же чувствуют пассажиры. ". Нет, даже не так, а вот так:
Ну вы уже знаете ответ: такие вихри - неизменный спутник подъемной силы, а значит, пассажиры чувствуют, что не падают вниз.
Энергия вихря - это потерянная энергия. Но некоторые научились не тратить энергию вихря впустую, а использовать его для помощи ближнему: почему птицы летают клином? теперь вы знаете одну из возможных причин.
Но вернемся к нашему вопросу: как так случилось, что меньшая скорость требует большей мощности? Самолет может лететь в горизонтальном полете (т.е. не меняя высоту полета) по-разному: может лететь в почти горизонтальном положении, а может лететь, довольно сильно задрав нос вверх (сильно - это градусов 15-16).
В первом случае самолет будет лететь быстро. Он будет отбрасывать вниз большое количество воздуха, но слабенько. Во втором случае самолет будет лететь медленно. Он будет отбрасывать вниз небольшое количество воздуха, но сильно. В обоих случаях результирующая подъемная сила одинакова и равна весу самолета.
Но есть разница. Чем сильнее отбрасывается вниз воздух, тем быстрее он движется вниз, тем сильнее вихрь на границе с непотревоженным воздухом. И тем больше потери энергии в никуда, т.е. тем больше индуктивное сопротивление. Еще раз: чем медленее летишь - тем выше индуктивное сопротивление. А теперь время графиков:
Синим здесь показано обычное лобовое сопротивление. Как ему и полагается, оно растет с квадратом скорости. Фиолетовым - индуктивное сопротивление. Оно растет с уменьшением скорости, из-за того, что все больше и больше энергии приходится тратить на бесполезные вихри, а не на поддержание самолета в воздухе (на самом деле оно растет обратно пропорционально квадрату скорости). Суммарное сопротивление показано красным: с ростом скорости оно сначала уменьшается (потому что уменьшается индуктивное сопротивление), а потом снова увеличивается (потому что растет лобовое сопротивление).
Надеюсь, мы разобрались с первым вопросом, так что перейдем ко второму, про винглеты. Как мы помним, с концов крыла у нас срываются вихри, вот так:
Как мы помним, они нам увеличивают сопротивление, а потому нежелательны. Но убрать их нельзя. Что делать? Человек взял пример с уток и решил использовать вихрь себе на пользу, раз от него нельзя избавиться. Поставил на крылья винглеты.
Винглет - это маленькое крыло. На картинке выше видно, что из-за вихря воздух обтекает верхнюю часть законцовки крыла слева направо. Вот туда-то человек и воткнул еще одно крыло, чтобы использовать это движение воздуха.
Вот посмотрим на крыло. Желтым показано, как его обтекает воздух, а красная стрелка - это подъемная сила. Синяя стрелка и угол показывают угол между набегающим потоком и крылом.
Теперь посмотрим на винглет. Помним, что воздух бьет в него сбоку (т.е. в направлении от нас к нам) из-за вихря. Синяя стрелка, которая расширяется ("приближается к нам") к концу, должна символизировать этот факт. Если не символизирует, не ругайте, я художник мамкин. Воздух обтекает винглет и создает подъемную силу, которая направлена перперндикулярно потоку, т.е. в направлении к нам (красная стрелка). Обратите внимание: у этой силы есть компонента, направленная вперед по движению самолета. Пусть и небольшая. То есть мы только что из ниоткуда, а точнее из воздуха (в прямом смысле) получили маленький, но халявный двигатель! Вот так вот работают винглеты.
Если мои художества оскорбляют чьи-то религиозные чувства, то вот еще картинка:
ну и напоследок:
Вместо заключения: вокруг нас много удивительных вещей, которые контр-интуитивны, и на первый взгляд невозможны. А среди пикабушников много людей с самыми разными знаниями. Так что призываю всех делиться известными вам колдунствами в постах!
конструктивная критика приветствуется, но не забываем про великую цитату от охотника из великого фильма:
На последней картинке видно, что за винглетом тоже есть вихрь. А значит, мы можем поставить винглет на винглет
На ветряках нынче тоже винглеты ставят. Работает.
Мама дорогая! Познавательный пост в куче котиков, политоты и прочего говна!
Вах, какой умный пост ! Лови плюс !
Ну и интересен механизм образования вихря. Фактически, подъемная сила крыла возникает из-за разности давлений на нижней и верхней поверхностях (которые возникают из-за разных скоростей, а те, в свою очередь, из-за разной формы). А в том месте, куда додумались сейчас ставить винглеты, воздух из области высокого давления утекал в область низкого, от этого падала подъемная сила и возникали такие вихревые потоки.
Сейчас, кстати, вообще вот такие фиговины ставят.
Мне пост понравился, спасибо!
Хотелось бы только определить точнее понятия:
Лобовое сопротивление Cx включает в себя 4 составляющие:
Сопротивление трения (в результате взаимодействия воздуха и поверхности)
Сопротивление давления (в результате разницы давлений до крыла и за ним по потоку)
Индуктивное сопротивление (в результате образования вихрей)
Волновое (при движении на околозвуковых скоростях из-за скачков уплотнения)
т.е. индуктивное сопротивление это составляющая полного лобового сопротивления.
Стоит отметить, что законцовки решают проблему только с образованием концевых вихрей на концах крыла. Индуктивное сопротивление же определяют еще и вихревая пелена, образованная на всем протяжении крыла.
Есть материал по аэродинамике, могу запелить пост. Интересна тема?
Можно вообще при нулевой мощности лететь очень быстро, правда вниз и не долго :D
Чтобы набрать скорость, убрав газ, нужно опустить нос. Иначе никак. Автор, ты несешь какую-то дичь.
Помню когда-то установил игру Ил-штурмовик2 и испытал разрыв шаблона, так как при попытке газануть самолет начинал набирать высоту и терять скорость и наоборот. Я так и не научился летать по прямой, все время приходилось чередовать небольшой набор высоты и спуск. А в бой чаще выигрывал тот, кто выше - ему легче набрать скорость и зайти сзади.
пост прочитал но всё равно не совсем понял зачем уменьшать мощьность чтобы двигаться быстрее. имеется ввиду что самолет измени угол наклона и у него снизится сопротивление воздуха? или имеется ввиду ситуация когда сумма сопротивлений станет минимальна?
обычные самолёты типа боинга 737 вообще летают со скоростями менее 250?
если нет, то эту охуительную историю попутчикам не расскажешь :(
Если вы еще расскажете, как обычное, на вид, крыло воздушные потоки обманывает, то будет вообще здорово
тупой я, не понимать. почему выходит, что бесплатный реактивный двигатель направлен вперед? может он назад направлен, тк если он против движения самолета, то это еще больше должно увеличивать расход топлива.
А на каких скоростях полета становятся критичным вот такие завихрения?
Спасибо автору! Про уменьшение интенсивности срывающихся вихрей знал, про доп. тягу - не задумывался.
Пост интересный, спасибо.
Но, мне кажется, или первый график неправильный? Где сопротивления от скорости у машин.
К возрастающей по параболе функции(зелёная) сопротивления качению прибавляют возрастающую функцию(синяя) аэродинамического сопротивления и в итоге получается красная функция суммарного сопротивления.
Так вот, с ростом скорости разность между красной и синей функциями должна увеличиваться (красная-синяя=зелёная) а на графике наоборот.
И да, всееем на это насрать)
Лайфхак для Икара))
Если они равны то мы же не можем сдвинуться, вроде?
Нет. Закон един для всех, кроме вот этих засранцев!
Вообще-то он един для всех. Просто в наших реалиях сопротивлением можно пренебречь. Но вот уже даже у конькобежцев, не говоря уже о велосипедистах появляются приспособления чтобы бороться с сопротивлением воздуха.
БОльшая мощность нужна прежде всего для бОльшего УСКОРЕНИЯ, а не скорости (так то есть разница). Самолёты должны лететь с ОДИНАКОВОЙ (850 км/ч) скоростью, не важно мощнее у них двигатели или слабее. Это сделано для того, чтобы не создавать хаос в небе. Тысячи самолётов летят одновременно и их задача не устроить гонки, а довезти пассажиров. Конкорд был экономически невыгоден, как ни странно на первый взгляд, потому, что имел бОльшую, чем обычно, скорость. Это создавало огромные помехи для остального движения. А на счёт "законцовок" - всё справедливо.
Если бы эти силы были равны, то автомобиль стоял бы на месте.
Выставка, на которую я бы сходила
В 2019 году в Германии проходила выставка, на которой представлены бабочки, жуки и другие насекомые с очень похожими по цвету и рисунку камнями, кристаллами и минералами.
Лабрадор и бабочка род Морфо
Арагонит и бабочка Павлиноглазка
Аурипигмент и бабочка Лимонница
Кварц, галенит и бабочка
Окаменелое дерево и бабочка (Императорская мантия)
Азурит и неизвестная мне бабочка. Если кто узнал ее, напишите название в комментариях
Септария - Кальцит и бабочка род Харакс
Агат и еще одна неизвестная мне бабочка. Если кто узнал ее, напишите название в комментариях
Ползающие камни
Геологический феномен, обнаруженный на высохшем озере в США. Камни медленно двигаются по глинистому дну озера, о чём свидетельствуют длинные следы, остающиеся за ними.
Камни передвигаются самостоятельно без помощи живых существ, однако до Рождества 2013 года никто никогда не видел и не фиксировал перемещение на камеру. Подобные движения камней были отмечены в нескольких других местах, однако по числу и длине следов Рейстрэк-Плайя сильно выделяется среди остальных.
Иногда камни меняют направление своего движения
Большинство из скользящих камней попадают на дно высохшего озера с доломитового холма высотой 260 м, расположенного на южной конечности Рейстрэк-Плайя. Масса камней доходит до нескольких сотен килограммов. Следы, тянущиеся за ними, имеют длину несколько десятков метров, ширину от 8 до 30 см и глубину менее 2,5 см.
Камни приходят в движение всего один раз за два или три года, причём большая часть следов сохраняется 3–4 года. Камни с ребристой нижней поверхностью оставляют более прямые следы, а камни, лежащие на плоской стороне, блуждают из стороны в сторону. Иногда камни переворачиваются, что отражается на размере их следа.
До начала XX века явление объяснялось сверхъестественными силами, затем в период становления электромагнетизма возникло предположение о воздействии магнитных полей, которое, в общем-то, ничего не объясняло.
В 1948 году геологи Джим Макалистер и Аллен Агню нанесли на карту расположение камней и отметили их следы. Немного позже сотрудники Службы национальных парков США составили детальное описание места и журнал Life опубликовал фотографии с Рейстрэк-Плайя, после чего начались попытки объяснения движения камней. Большинство гипотез сходилось на том, что ветер при влажной поверхности дна озера по крайней мере отчасти объясняет феномен.
В 1955 году геолог Джордж Стэнли из университета Мичигана опубликовал статью, в которой утверждал, что камни слишком тяжелы, и местный ветер не в состоянии их передвинуть. Он и его соавтор предложили теорию, согласно которой в ходе сезонного затопления высохшего озера на воде образуется ледяная корка, способствующая движению камней.
Исследования Шарпа и Кэри
Камни, лежащие на высохшем дне озера
В мае 1972 года Роберт Шарп (англ. Robert Sharp, Калифорнийский технологический институт) и Дуайт Кэри (англ. Dwight Carey, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) начали программу слежения за перемещениями камней. Тридцать камней с относительно свежими следами были помечены, а их начальное положение указано колышками. За 7 лет исследований учёные выработали теорию, по которой вода, скапливающаяся в дождливый сезон в южной части озера, разносится ветром по дну высохшего озера и смачивает его поверхность. В результате твёрдая глинистая почва сильно размокает и коэффициент трения резко снижается, что позволяет ветру сдвинуть с места даже один из самых крупных камней (его назвали Karen) массой около 350 кг.
Также были проверены гипотезы перемещения с помощью льда. Вода, движимая ветром, по ночам может покрываться ледяной коркой, в которую вмерзают расположенные на пути воды камни. Лёд вокруг камня мог увеличивать сечение взаимодействия с ветром и помогать перемещать камни вдоль потоков воды. В качестве эксперимента вокруг камня шириной 7,5 см и массой 0,5 кг был создан загон диаметром 1,7 м с расстоянием между опорами забора от 64 до 76 см. Если вокруг камней образовывался слой льда, то при движении он мог зацепиться за опору забора и замедлить движение или изменить траекторию, что отразилось бы на следе камня. Однако подобных эффектов не наблюдалось — в первую зиму камень прошёл рядом с опорой забора, переместившись на северо-запад за огороженную территорию на 8,5 м. В следующий раз внутрь загона положили два камня потяжелее — один из них через пять лет переместился в том же направлении, что и первый, однако второй за период исследований не сдвинулся с места. Это говорило о том, что ледяная корка влияет на движение камней, только если она мала.
Десять из помеченных камней сдвинулись в первую зиму исследований, причём камень A (который называли Mary Ann) прополз 64,5 м. Было отмечено, что многие камни также передвигались в следующие два зимних периода, а летом и в иные зимы стояли на месте. Спустя 7 лет всего два из 30 наблюдаемых камней не поменяли своего местоположения. Самый маленький из камней (Nancy) был 6,5 см в диаметре, причём он переместился на максимальное суммарное расстояние — 262 м, а затем всего за одну зиму — на 201 м. Наиболее массивный камень, перемещение которого было зафиксировано, весил 36 кг.
В 1993 году Пола Мессина (Paula Messina, Университет штата Калифорния в Сан-Хосе) защитила диссертацию на тему движущихся камней, в которой было показано, что в целом камни не двигались параллельно. По мнению исследователя, это подтверждает то, что лёд никак не способствует движению. После изучения изменений координат 162 камней (которые проводились с помощью GPS), было определено, что на перемещение валунов не влияют ни их размер, ни их форма. Оказалось, что характер движения в большой степени определяется положением валуна на Рейстрэк-Плайя. Согласно созданной модели, ветер над озером ведёт себя очень сложным образом, в центре озера даже образуя вихрь.
В 1995 году группа под руководством профессора Джона Рейда отметила высокую похожесть следов зимы 1992–1993 года со следами конца 1980-х. Было показано, что по крайней мере некоторые камни двигались с потоками покрытой льдом воды, причём ширина ледяной корки была около 800 м, о чём свидетельствовали характерные следы, процарапанные тонким слоем льда. Также было определено, что граничный слой, в котором ветер замедляется из-за контакта с землёй, на таких поверхностях может быть всего 5 см, что означает возможность воздействия ветров (скорость которых зимой доходит до 145 км/ч) даже на совсем невысокие камни.
В 2014 году в PLOS была опубликована работа, авторы которой описывают механизм движения камней. Учёные поместили несколько своих камней массой 5–15 кг на дно озера, снабдив их навигационными датчиками и окружив фотокамерами. Причиной движения стали большие (десятки метров), но тонкие (3–6 мм) участки льда, образующиеся после замерзания в предшествующие морозные ночи[1]. Этот плавающий лёд, увлекаемый ветром и подлёдным течением, перемещал камни со скоростью 2–5 м/мин.