Скорость пассажирского самолета при взлете
Многие пассажиры интересуются, какую скорость развивает лайнер при взлёте и посадке. Взлёт представляет собой процесс, который длится с момента движения летательного аппарата до его отрыва от взлётной полосы. Воздушное судно способно взлететь, если подъёмная сила приобретёт значение, превышающее массу самого судна. Скорость самолёта при взлёте у разных марок отличается.
Содержание статьи:
- Почему самолёт гудит перед взлётом
- Виды взлёта
- Как происходит взлёт
- Какую скорость развивает лайнер перед взлётом и приземлением
- Скорость взлета Боинг 747
Почему самолёт гудит перед взлётом
Люди, впервые отправляющиеся в полёт, пугаются странных звуков, издаваемых лайнером в начале движения. Не нужно паниковать и нервничать. Гул перед взлётом – это нормальное явление. Когда запускаются двигатели, в салоне может шуметь система кондиционирования. Это лётчики проверяют вентиляторы на предмет исправности.
Двигатели подготавливают к полету, и звуки бывают очень громкими. Гидравлический мотор сильно гудит, иногда из-за работы бортового оборудования слышно рычание. Через 2 минуты, когда лайнер взлетит, убираются закрылки. Это сопровождается характерным шумом в салоне. На эти звуки не нужно реагировать.
Виды взлёта
Для отрыва от земли летательный аппарат преодолевает препятствия: протяжённость взлётно-посадочной полосы, погодные факторы, направление ветра.
Авиаконструкторы разработали разные способы обхода этих препятствий. Специалисты усовершенствовали не только конструкцию воздушных судов, но и процесс взлёта.
Различают 4 разновидности взлёта:
- Классический. Во время движения лайнера по взлётной полосе двигатель постепенно набирает тягу.
- С тормозов. Ускорение движения летательного аппарата начинается после достижения двигателями установленного режима тяги. До этого воздушное судно с помощью тормозов удерживается на земле.
- Посредством дополнительных средств. Применимо для боевых самолётов, которые несут службу на авианосцах. Малую протяжённость взлётно-посадочной полосы компенсируют катапультами, ракетными двигателями, установленными на самолёт или трамплинами.
Если у лайнера двигатели с вертикальной тягой (российский Як-38, к примеру), возможен вертикальный взлёт. Такие суда, как вертолёты, набирают сначала высоту с места по вертикали или их разгоняют с небольшого расстояния и постепенно переводят в горизонтальный полёт.
Как происходит взлёт
Процесс начинается с начала движения авиалайнера по взлётно-посадочной полосе для набора скорости и оканчивается на высоте перехода.
Важно! Аэродинамика самолёта осуществляется благодаря крылу особой конфигурации. Она идентична у всех судов.
Снизу профиль крыла плоский, сверху – выпуклый вне зависимости от типа лайнера. Свойства воздушного потока, проходящего под крылом, не изменяются. Воздух, прошедший через выпуклость верней части крыла, сужается и через нее проходит меньшее количество воздуха. Скорость разгона самолёта увеличивают, чтобы воздушный поток прошёл за единицу времени.
Из-за этого возникает разница в давлении воздуха в верхней и нижней части крыла лайнера. Подъёмную силу образует разница давления. Сила подталкивает крыло вверх, вместе с ним и самолёт. Он взлетает с полосы в момент, когда подъёмная сила превосходит вес самолёта.
Это возможно путём набора скорости.
Какую скорость развивает лайнер перед взлётом и приземлением
Скорость пассажирских самолётов при взлёте и посадке отличается.
Важно! Только после оценки погодных условий и особенностей взлётной полосы лётчик принимает решение, какая скорость разгона оптимальная, чтобы лайнер взлетел.
Взлёт пассажирского Боинга 737
Гражданские самолёты взлетают по классической схеме: при отрыве от земли двигатель набирает нужную тягу. Процесс:
- Когда двигатель достигнет 800 оборотов в минуту, авиалайнер начинает движение. Лётчик держит ручку управления в нейтральном положении, плавно отпуская тормоза. Воздушное судно разгоняется на 3-х колёсах.
- Скорость самолёта при взлёте должна достигнуть около 180 км/ч. Лётчик начинает плавно тянуть ручку, отклоняются щитки-закрылки, и нос аппарата поднимается. Лайнер ускоряется на 2-х шасси.
- Пока Boeing не набрал 220км/ч, он ускоряется с приподнятым носом на 2-х колёсах.
Достигнув этой отметки, судно взлетает.
Достигнув этой отметки, судно взлетает.Заключительный этап полёта – посадка. С высоты 25 метров начинается снижение. У Боинга 737 посадочная скорость 250 – 270 км/ч.
Скорость взлета Боинг 747
Boeing 747 способен развить взлётную скорость до 270 км/ч. Посадка совершается в 4 этапа:
- Выравнивание. Начинается на 8-10 метрах и оканчивается на 1 метре. Вертикальная скорость снижения приближается к нулевой отметке.
- Выдерживание. Скорость падает, судно плавно снижается.
- Парашютирование. Вертикальная скорость увеличивается, подъёмная сила крыла уменьшается.
- Приземление.
При контакте с землёй фиксируют посадочную скорость авиалайнера. У Боинга 747 она около 260 км/ч.
Какая скорость у самолёта при взлёте, зависит от разных факторов: особенностей взлётно-посадочной полосы, направления и силы ветра, влажности воздуха и давления. Разогнав пассажирский лайнер, лётчик плавно отпускает тормоза. Судно продолжает двигаться на 3-х шасси.
Скорость возрастает и в момент взлёта достигает примерно 220-270 км/ч. Скорость самолётов разных моделей при взлёте и посадке отличается.
Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен и ставьте палец вверх!
Что мешает людям летать в космосе со скоростью света
- Адам Хадхази
- BBC Future
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Thinkstock
Нынешний рекорд скорости в космосе держится уже 46 лет. Корреспондент BBC Future задался вопросом, когда же он будет побит.
Мы, люди, одержимы скоростью. Так, только за последние несколько месяцев стало известно о том, что студенты в Германии поставили рекорд скорости для электромобиля, а ВВС США планируют так усовершенствовать гиперзвуковые самолеты, чтобы те развивали скорость в пять раз превышающую скорость звука, т.
е. свыше 6100 км/ч.
У таких самолетов не будет экипажа, но не потому, что люди не могут передвигаться с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже перемещались со скоростью, которая в несколько раз выше скорости звука.
Однако существует ли предел, преодолев который наши стремительно несущиеся тела уже не смогут выдерживать перегрузки?
Нынешний рекорд скорости поровну принадлежит трем астронавтам, которые участвовали в космической миссии «Аполлон 10», — Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану.
В 1969 году, когда астронавты облетели вокруг Луны и возвращались обратно, капсула в которой они находились, развила скорость, которая на Земле равнялась бы 39,897 км/час.
«Я думаю, что сто лет назад мы вряд ли могли себе представить, что человек сможет перемещаться в космосе со скоростью почти в 40 тысяч километров в час», — говорит Джим Брей из аэрокосмического концерна Lockheed Martin.
(Другие статьи сайта BBC Future на русском языке)
Брей — директор проекта обитаемого модуля для перспективного корабля «Орион» (Orion), который разрабатывается Космическим агентством США НАСА.
По замыслу разработчиков, космический корабль «Орион» – многоцелевой и частично многоразовый — должен выводить астронавтов на низкую орбиту Земли. Очень может быть, что с его помощью удастся побить рекорд скорости, установленный для человека 46 лет назад.
Новая сверхтяжелая ракета, входящая в Систему космических пусков (Space Launch System), должна, согласно плану, совершить свой первый пилотируемый полет в 2021 году. Это будет облет астероида, находящегося на окололунной орбите.
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Затем должны последовать многомесячные экспедиции к Марсу. Сейчас, по мысли конструкторов, обычная максимальная скорость «Ориона» должна составлять примерно 32 тысяч км/час.
Однако скорость, которую развил «Аполлон 10», можно будет превзойти даже при сохранении базовой конфигурации корабля «Орион».
«Orion предназначен для полетов к различным целям в течение всего своего срока эксплуатации, — говорит Брей. – Его скорость может оказаться значительно выше той, что мы сейчас планируем».
Но даже «Орион» не будет представлять пик скоростного потенциала человека. «По сути дела, не существует другого предела скорости, с какой мы можем перемещаться, кроме скорости света», — говорит Брей.
Скорость света один миллиард км/час. Есть ли надежда, что нам удастся преодолеть разрыв между 40 тысячами км/час и этими величинами?
Удивительным образом скорость как векторная величина, обозначающая быстроту перемещения и направление движения, не является для людей проблемой в физическом смысле, пока она относительно постоянна и направлена в одну сторону.
Следовательно, люди – теоретически – могут перемещаться в пространстве лишь чуть медленнее «скоростного предела вселенной», т.
е. скорости света.
Автор фото, NASA
Подпись к фото,Как будет ощущать себя человек в корабле, летящем с околосветовой скоростью?
Но даже если допустить, что мы преодолеем значительные технологические препятствия, связанные с созданием скоростных космических кораблей, наши хрупкие, состоящие в основном из воды тела столкнутся с новыми опасностями, сопряженными с эффектами высокой скорости.
Могут возникнуть и пока только воображаемые опасности, если люди смогут передвигаться быстрее скорости света благодаря использованию лазеек в современной физике или с помощью открытий, разрывающих шаблон.
Как выдержать перегрузки
Впрочем, если мы намерены передвигаться со скоростью свыше 40 тысяч км/час, нам придется достигать ее, а затем замедляться, не спеша и сохраняя терпение.
Быстрое ускорение и столь же быстрое замедление таят в себе смертельную опасность для организма человека. Об этом свидетельствует тяжесть телесных травм, возникающих в результате автомобильных катастроф, при которых скорость падает с нескольких десятков километров в час до нуля.
В чем причина этого? В том свойстве Вселенной, которое носит название инерции или способности физического тела, обладающего массой, противостоять изменению его состояния покоя или движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий.
Эта идея сформулирована в первом законе Ньютона, который гласит: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».
«Состояние покоя и движение с постоянной скоростью — это нормально для человеческого организма, — объясняет Брей. — Нам скорее следует беспокоиться о состоянии человека в момент ускорения».
Около века назад создание прочных самолетов, которые могли маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали говорить о странных симптомах, вызываемых изменениями скорости и направления полета. Эти симптомы включали в себя временную потерю зрения и ощущение либо тяжести, либо невесомости.
Причина заключается в перегрузках, измеряемых в единицах G, которые представляют собой отношение линейного ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли под воздействием притяжения или гравитации. Эти единицы отражают воздействие ускорения свободного падения на массу, например, человеческого тела.
Перегрузка в 1 G равна весу тела, которое находится в поле тяжести Земли и притягивается к центру планеты со скоростью 9,8 м/сек (на уровне моря).
Перегрузки, которые человек испытывает вертикально с головы до пят или наоборот, являются поистине плохой новостью для пилотов и пассажиров.
При отрицательных перегрузках, т.е. замедлении, кровь приливает от пальцев на ногах к голове, возникает чувство перенасыщения, как при стойке на руках.
Автор фото, SPL
Подпись к фото,Для того чтобы понять, сколько G смогут выдержать астронавты, их тренируют в центрифуге
«Красная пелена» (чувство, которое испытывает человек, когда кровь приливает к голове) наступает, когда распухшие от крови, полупрозрачные нижние веки поднимаются и закрывают зрачки глаз.
Сначала зрение туманится, т.е. происходит потеря цветного зрения и накатывает, что называется, «серая пелена», потом наступает полная потеря зрения или «черная пелена», но человек остается в сознании.
Чрезмерные перегрузки ведут к полной потере сознания. Это состояние называют обмороком, вызванным перегрузкой. Многие пилоты погибли из-за того, что на их глаза опускалась «черная пелена» — и они разбивались.
Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание.
Пилоты, одетые в специальные противоперегрузочные комбинезоны и обученные особым образом напрягать и расслаблять мышцы торса для того, чтобы кровь не отливала от головы, способны управлять самолетом при перегрузках примерно в девять G.
«На протяжении коротких периодов времени человеческое тело может переносить гораздо более сильные перегрузки, чем девять G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Ассоциации аэрокосмической медицины, расположенной в городе Александрия, штат Вирджиния. — Но выдерживать высокие перегрузки на протяжении длительного периода времени способны очень немногие».
Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений.
Рекорд кратковременной выносливости поставил капитан ВВС США Эли Бидинг-младший на авиабазе Холломэн в штате Нью-Мексико. В 1958 году он при торможении на специальных санях с ракетным двигателем после разгона до 55 км/ч за 0.1 секунду испытал перегрузку в 82.3 G.
Этот результат зафиксировал акселерометр, закрепленный у него на груди. На глаза Бидинга также упала «черная пелена», но он отделался только синяками во время этой выдающейся демонстрации выносливости человеческого организма.
А теперь в космос
Астронавты, в зависимости от средства передвижения, также испытывали довольно высокие перегрузки — от трех до пяти G — во время взлетов и при возвращении в плотные слои атмосферы соответственно.
Эти перегрузки переносятся сравнительно легко, благодаря разумной идее пристегивать космических путешественников к креслам в положении лежа лицом по направлению полета.
По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов.
Если перегрузки не будут представлять собой проблему для длительных экспедиций на кораблях «Орион», то с мелкими космическими камнями – микрометеоритами – все сложнее.
Автор фото, NASA
Подпись к фото,Эти частицы размером с рисовое зернышко могут развивать впечатляющие и при этом разрушительные скорости до 300 тысяч км/час. Для обеспечения целостности корабля и безопасности его экипажа «Орион» оснащен внешним защитным слоем, толщина которого варьируется от 18 до 30 см.
Кроме того, предусмотрены дополнительные экранирующие щиты, а также используется хитроумное размещение оборудования внутри корабля.
«Чтобы не лишиться полетных систем, жизненно важных для всего космического корабля, мы должны точно рассчитывать углы подлета микрометеоритов», — говорит Джим Брей.
Будьте уверены: микрометеориты – не единственная помеха для космических экспедиций, во время которых высокие скорости полета человека в безвоздушном пространстве будут играть все более важную роль.
В ходе экспедиции к Марсу придется решать и другие практические задачи, например, по снабжению экипажа продовольствием и противодействию повышенной опасности раковых заболеваний из-за воздействия на человеческий организм космической радиации.
Сокращение времени в пути снизит остроту таких проблем, поэтому быстрота перемещения будет становиться все более желаемой.
Космические полеты следующего поколения
Эта потребность в скорости воздвигнет новые препятствия на пути космических путешественников.
Новые корабли НАСА, которые угрожают побить рекорд скорости «Аполлона 10», по-прежнему будут полагаться на испытанные временем химические системы ракетных двигателей, используемые со времен первых космических полетов. Но эти системы обладают жесткими ограничениями скорости по причине высвобождения малых величин энергии на единицу топлива.
Поэтому, чтобы существенно увеличить скорость полета для людей, отправляющихся на Марс и далее, необходимы, как признают ученые, совершенно новые подходы.
«Те системы, которыми мы располагаем сегодня, вполне в состоянии доставить нас туда, — говорит Брей, — однако все мы хотели бы стать свидетелями революции в двигателях».
Эрик Дэвис, ведущий физик-исследователь в Институте перспективных исследований в Остине, штат Техас, и участник программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, шестилетнего исследовательского проекта, завершившегося в 2002 году, выделил три наиболее перспективных средства, с точки зрения традиционной физики, способных помочь человечеству достичь скоростей, разумно достаточных для межпланетных путешествий.
Если коротко, речь идет о явлениях выделения энергии при расщеплении вещества, термоядерном синтезе и аннигиляции антиматерии.
Первый метод заключается в делении атомов и применяется в коммерческих ядерных реакторах.
Второй, термоядерный синтез, заключается в создании более тяжелых атомов из простых атомов – такого рода реакции питают энергией Солнце. Это технология, которая завораживает, но не дается в руки; до ее обретения «всегда остается еще 50 лет» — и так будет всегда, как гласит старый девиз этой отрасли.
«Это весьма передовые технологии, — говорит Дэвис, — но они основаны на традиционной физике и прочно утвердились еще на заре Атомного века». По оптимистическим оценкам, двигательные системы, основанные на концепциях деления атомов и термоядерном синтезе, в теории, способны разогнать корабль до 10% скорости света, т.е. до весьма достойных 100 миллионов км/час.
Автор фото, US Air Force
Подпись к фото,Летать со сверхзвуковой скоростью — уже не проблема для человека. Другое дело — скорость света, или хотя бы близко к ней…
Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля — это антиматерия, двойник и антипод обычной материи.
Когда два вида материи приходят в соприкосновение, они уничтожают друг друга, в результате чего выделяется чистая энергия.
Технологии, позволяющие вырабатывать и хранить – пока крайне незначительные – количества антиматерии, существуют уже сегодня.
В то же время производство антивещества в полезных количествах потребует новых специальных мощностей следующего поколения, а инженерной мысли придется вступить в конкурентную гонку по созданию соответствующего космического корабля.
Но, как говорит Дэвис, немало отличных идей уже прорабатывается на чертежных досках.
Космические корабли, приводимые в движение энергией антиматерии, смогут перемещаться с ускорением в течение нескольких месяцев и даже лет и достигать более существенных процентов от скорости света.
При этом перегрузки на борту будут оставаться приемлемыми для обитателей кораблей.
Вместе с тем, такие фантастические новые скорости будут таить в себе и иные опасности для организма человека.
Энергетический град
На скорости в несколько сот миллионов километров в час любая пылинка в космосе, от распыленных атомов водорода до микрометеоритов, неизбежно становится пулей, обладающей высокой энергией и способной прошить корпус корабля насквозь.
«Когда вы передвигаетесь с очень высокой скоростью, это означает, что частицы, летящие вам навстречу, движутся с теми же скоростями», — говорит Артур Эдельстайн.
Вместе с покойным отцом, Уильямом Эдельстайном, профессором радиологии в Медицинской школе Университета имени Джона Хопкинса, он работал над научным трудом, в котором рассматривались последствия воздействия атомов космического водорода (на людей и технику) во время сверхбыстрых космических путешествий в космосе.
Хотя его содержание не превышает одного атома на кубический сантиметр, рассеянный в космосе водород может приобрести свойства интенсивной радиационной бомбардировки.
Водород начнет разлагаться на субатомные частицы, которые будут проникать внутрь корабля и подвергать воздействию радиации как экипаж, так и оборудование.
На скорости, равной 95% скорости света, воздействие такой радиации будет означать почти мгновенную смерть.
Звездолет нагреется до температур плавления, перед которыми не устоит ни один мыслимый материал, а вода, содержащаяся в организме членов экипажа, немедленно закипит.
«Это все крайне неприятные проблемы», — замечает Эдельстайн с мрачным юмором.
Он и его отец приблизительно подсчитали, что для создания некоей гипотетической системы магнитной защиты, способной оградить корабль и находящихся в нем людей от смертоносного водородного дождя, звездолет может перемещаться со скоростью, не превышающей половины скорости света. Тогда люди на борту имеют шанс выжить.
Марк Миллис, физик, занимающийся проблемами поступательного движения, и бывший руководитель программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, предупреждает, что этот потенциальный предел скорости для полетов в космосе остается пока проблемой отдаленного будущего.
«На основании физических знаний, накопленных к настоящему времени, можно сказать, что развить скорость свыше 10% от скорости света будет крайне трудно, — говорит Миллис. – Опасность нам пока не угрожает. Простая аналогия: зачем переживать, что мы можем утонуть, если мы еще даже не вошли в воду».
Быстрее света?
Если допустить, что мы, так сказать, научились плавать, сможем ли мы тогда освоить скольжение по космическому времени — если развивать дальше эту аналогию — и летать со сверхсветовой скоростью?
Гипотеза о врожденной способности к выживанию в сверхсветовой среде хотя и сомнительна, но не лишена определенных проблесков образованной просвещенности в кромешной тьме.
Один из таких интригующих способов перемещения основан на технологиях, подобных тем, что применяются в «варп-двигателе» или «двигателе искривления» из сериала «Звездный путь».
Принцип действия этой силовой установки, известной еще как «двигатель Алькубьерре»* (названного по фамилии мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре), состоит в том, что он позволяет кораблю сжимать перед собой нормальное пространство-время, описанное Альбертом Эйнштейном, и расширять его позади себя.
Автор фото, NASA
Подпись к фото,Нынешний рекорд скорости принадлежит трем астронавтам «Аполлона 10» — Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану
По существу, корабль перемещается в некоем объеме пространства-времени, своеобразном «пузыре искривления», который движется быстрее скорости света.
Таким образом, корабль остается неподвижным в нормальном пространстве-времени в этом «пузыре», не подвергаясь деформациям и избегая нарушений универсального предела скорости света.
«Вместо того чтобы плыть в толще воды нормального пространства-времени, — говорит Дэвис, — двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны».
Есть тут и определенный подвох. Для реализации этой затеи необходима экзотическая форма материи, обладающая отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время.
«Физика не содержит никаких противопоказаний относительно отрицательной массы, — говорит Дэвис, — но никаких ее примеров нет, и мы никогда не встречали ее в природе».
Существует и другой подвох. В опубликованной в 2012 году работе исследователи из Университета Сиднея предположили, что «пузырь искривления» будет накапливать заряженные высокой энергией космические частицы, поскольку неизбежно начнет взаимодействовать с содержимым Вселенной.
Некоторые частицы будут проникать внутрь самого пузыря и накачивать корабль радиацией.
Застрявшие в досветовых скоростях?
Неужели мы так и обречены застрять на этапе досветовых скоростей по причине нашей деликатной биологии?!
Речь ведь не столько о том, чтобы установить новый мировой (галактический?) рекорд скорости для человека, сколько о перспективе превращения человечества в межзвездное общество.
Со скоростью в половину скорости света — а это тот предел, который, согласно данным изысканий Эдельстайна, способен выдержать наш организм — путешествие к ближайшей звезде в оба конца займет более 16 лет.
(Эффекты расширения времени, под воздействием которых для экипажа звездолета в его системе координат пройдет меньше времени, чем для людей, оставшихся на Земле в своей системе координат, не приведут к драматическим последствиям на скорости, составляющей половину скорости света).
Марк Миллис полон надежд. Принимая во внимание, что человечество изобрело противоперегрузочные костюмы и защиту от микрометеоритов, позволяющие людям безопасно путешествовать в великой голубой дали и усеянной звездами черноте космоса, он уверен, что мы сможем найти способы выживания, на какие бы скоростные рубежи не вышли в будущем.
«Те же самые технологии, которые смогут помочь нам достигать невероятных новых скоростей перемещения, — размышляет Миллис, — обеспечат нас новыми, пока неведомыми возможностями для защиты экипажей».
Примечания переводчика:
*Мигель Алькубьерре выдвинул идею своего «пузыря» в 1994 году. А в 1995 году российский физик-теоретик Сергей Красников предложил концепцию устройства для космических путешествий быстрее скорости света. Идея получила название «трубы Красникова».
Это искусственное искривление пространства времени по принципу так называемой кротовой норы. Гипотетически корабль будет двигаться по прямой от Земли к заданной звезде сквозь искривленное пространство-время, проходя через другие измерения.
Согласно теории Красникова, космический путешественник вернется обратно в то же самое время, когда он отправился в путь.
Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.
Сила, работа, мощность и крутящий момент
Сила
Прежде чем обсуждать концепцию работы, мощности или крутящего момента, нам нужно понять, что означает сила. Согласно словарю, сила — это интенсивность импульса или интенсивность воздействия. Например, если мы приложим силу к объекту, объект будет двигаться. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что для существования работы, мощности или крутящего момента должна существовать сила, которая инициирует процесс.
Единицей силы в английской системе измерения являются фунты, а в метрической системе – ньютоны. Один фунт силы равен 4,448 ньютона. Когда мы рассчитываем тягу газотурбинного двигателя, мы используем формулу «Сила = Масса × Ускорение», а тяга двигателя выражается в фунтах. GE9ТРДД 0-115 (силовая установка Боинга 777-300), например, имеет тягу 115 000 фунтов.
Работа
Изучение машин, как простых, так и сложных, можно рассматривать как изучение энергии механической работы. Это верно, потому что все машины переводят входную энергию или работу, выполняемую машиной, в выходную энергию или работу, выполняемую машиной.
Работа в механическом смысле этого слова совершается, когда сопротивление преодолевается силой, действующей на измеримом расстоянии. Участвуют два фактора: (1) сила и (2) перемещение на расстояние. В качестве примера предположим, что небольшой самолет застрял в снегу. Двое мужчин какое-то время толкают его, но самолет не двигается. Согласно техническому определению, когда люди толкали самолет, никакой работы не было. По определению работа совершается только тогда, когда объект перемещается на некоторое расстояние против силы сопротивления. Для расчета работы используется следующая формула:
Работа = Сила (F) × расстояние (d)
В английской системе сила определяется в фунтах, а расстояние — в футах или дюймах, поэтому единицами измерения будут фут-фунты или дюйм-фунты. Обратите внимание, что это те же самые единицы, которые использовались для потенциальной и кинетической энергии.
В метрической системе сила определяется в ньютонах (Н), а расстояние – в метрах, результирующими единицами измерения являются джоули. Один фунт силы равен 4,448 Н, а один метр равен 3,28 фута. Один джоуль равен 1,36 ft-lb.
Пример: Какую работу можно выполнить, подняв самолет Airbus A-320 массой 150 000 фунтов на высоту 4 фута по вертикали? [Рисунок 1]
| Рисунок 1. Самолет на домкратах |
Работа = Сила × расстояние
= 150 000 фунтов × 4 FT
= 600 000 FT-LB
66. достигается, когда буксирный тягач прицепляется к буксировочной балке, а самолет Боинг 737-800 весом 130 000 фунтов вталкивается в ангар на 80 футов? Усилие на буксировочном крюке составляет 5000 фунтов.
Работа = Сила × Расстояние
= 5 000 фунтов × 80 футов
= 400 000 ft-lb
Обратите внимание, что в последнем примере сила не равна весу самолета. Это потому, что самолет движется горизонтально, а не поднимается вертикально. Почти во всех случаях для перемещения чего-либо по горизонтали требуется меньше усилий, чем для подъема по вертикали. Большинство людей могут толкнуть свою машину на небольшое расстояние, если в ней закончился бензин, но они не могут забраться под машину и поднять ее над землей.
Трение и работа
При расчете выполненной работы измеряется фактическое преодоленное сопротивление. Это не обязательно вес перемещаемого объекта. [Рисунок 2] Груз массой 900 фунтов тянется на расстояние 200 футов. Это не означает, что проделанная работа (сила × расстояние) составляет 180 000 фут-фунтов (900 фунтов × 200 футов). Это связано с тем, что человек, тянущий груз, работает не против общего веса груза, а против трения качения тележки, которое может быть не более 90 фунтов
| Рисунок 2. Влияние трения на работу |
Трение является важным аспектом работы. Без трения было бы невозможно ходить. Нужно было бы передвигаться с места на место и натыкаться на какое-нибудь препятствие, чтобы остановиться в пункте назначения. Тем не менее, трение — это не только преимущество, но и недостаток, и его необходимо учитывать при работе с любым движущимся механизмом.
В экспериментах, связанных с трением, измерение приложенных сил показывает, что существует три вида трения. Одна сила требуется, чтобы заставить тело двигаться, а другая требуется, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью. Кроме того, после того, как тело пришло в движение, требуется значительно большая сила, чтобы заставить его скользить, чем для того, чтобы оно продолжало катиться.
Таким образом, три вида трения можно классифицировать как: (1) стартовое или статическое трение, (2) трение скольжения и (3) трение качения.
Статическое трение
При попытке скольжения тяжелого предмета по поверхности этот предмет необходимо сначала оторвать или запустить. В движении он легче скользит. Сила «отрыва», разумеется, пропорциональна весу тела. Сила, необходимая для начала медленного движения тела, обозначается буквой «F», а «F’» — это нормальная сила, прижимающая тело к поверхности, которая обычно является его весом. Поскольку важен характер поверхностей, трущихся друг о друга, их необходимо учитывать. На характер поверхностей указывает коэффициент начального трения, который обозначается буквой «к». Этот коэффициент может быть установлен для различных материалов и часто публикуется в виде таблицы. Таким образом, когда известна нагрузка (вес объекта), начальное трение можно рассчитать по следующей формуле:
F = kF’
Например, если коэффициент трения скольжения гладкого железного блока по гладкой горизонтальной поверхности равен 0,3, сила, необходимая для запуска блока весом 10 фунтов, составит 3 фунта; блок 40 фунтов, 12 фунтов
Начальное трение для объектов, оснащенных колесами и подшипниками качения, намного меньше, чем для скользящих объектов. Например, локомотиву было бы трудно одновременно привести в движение длинный состав вагонов. Таким образом, пары между автомобилями специально сделаны так, чтобы иметь люфт на несколько дюймов. Запуская поезд, машинист дает задний ход до тех пор, пока все вагоны не соберутся вместе. Затем быстрым стартом вперед приводится в движение первая машина. Этот метод используется для преодоления статического трения каждого колеса, а также инерции каждого автомобиля. Было бы невозможно, чтобы двигатель завел все автомобили в один и тот же момент, поскольку статическое трение, то есть сопротивление приводимому в движение, было бы больше, чем сила, действующая на двигатель. Однако, когда вагоны находятся в движении, статическое трение значительно снижается, и для удержания поезда в движении требуется меньшая сила, чем для его запуска.
Трение скольжения
Трение скольжения — это сопротивление движению объекта, скользящего по поверхности. Оно относится к трению, возникающему после того, как объект был приведен в движение, и всегда меньше начального трения. Величина сопротивления скольжению зависит от характера поверхности объекта, поверхности, по которой он скользит, и нормальной силы между объектом и поверхностью. Эту силу сопротивления можно рассчитать по следующей формуле:
·F = мН
В приведенной выше формуле «F» — сила сопротивления трения, выраженная в фунтах; «N» — сила, действующая на объект или со стороны объекта перпендикулярно (нормально) к поверхности, по которой он скользит; а «m» (mu) — коэффициент трения скольжения. На горизонтальной поверхности N равно весу объекта в фунтах. Площадь скользящего объекта, обращенная к скользящей поверхности, не влияет на результаты. Деревянный брусок, например, будет скользить по одной из широких сторон не легче, чем по узкой, при условии, что все стороны имеют одинаковую гладкость. Следовательно, площадь не входит в приведенное выше уравнение.
Трение качения
Сопротивление движению значительно снижается, если объект установлен на колесах или роликах. Сила трения предметов, установленных на колесах или роликах, называется трением качения. Эту силу можно вычислить по тому же уравнению, которое используется для расчета трения скольжения, но значения «m» будут намного меньше. Например, значение «m» для резиновых шин на бетоне или щебне составляет около 0,02. Значение «m» для подшипников качения очень мало, обычно в пределах от 0,001 до 0,003, и им часто пренебрегают.
Пример: Самолет полной массой 79 600 фунтов буксируется по бетонной рампе. Какую силу должен приложить буксирующий автомобиль, чтобы самолет продолжал катиться после того, как он был приведен в движение?
F = мН
= 0,02 мю × 79 600 фунтов
= 1 592 фунта
Мощность
Понятие мощности включает ранее обсуждавшуюся тему работы, которая представляет собой силу, приложенную на измеренном расстоянии, но добавляет еще одно соображение— время. Другими словами, сколько времени требуется для выполнения работы. Если бы кто-нибудь спросил обычного человека, может ли он или она поднять миллион фунтов на высоту 5 футов над землей, то, скорее всего, ответ был бы отрицательным. Этот человек, вероятно, предположил бы, что он или она должны поднять все сразу. Что, если ему или ей будет дано 365 дней, чтобы поднять его, и он сможет поднимать небольшой вес за раз? Затраченная работа будет одинаковой, независимо от того, сколько времени потребуется, чтобы поднять вес, но требуемая мощность будет разной. Если вес нужно поднять за более короткий промежуток времени, потребуется больше силы. Формула мощности выглядит следующим образом:
Мощность = Сила × расстояние ÷ время
Единицами мощности могут быть фут-фунты в минуту, фут-фунты в секунду, дюйм-фунты в минуту или секунду и, возможно, мили-фунты в час. Единицы зависят от того, как измеряются расстояние и время.
Много лет назад возникло желание сравнить мощность нового парового двигателя с мощностью лошадей. Люди хотели знать, скольким лошадям эквивалентна паровая машина. Значение, которое мы знаем в настоящее время как одна лошадиная сила (л.с.), было разработано, и из-за этого оно равно 550 фут-фунтам в секунду (фут-фунтам/с). Было обнаружено, что средняя лошадь могла поднять вес в 550 фунтов на расстоянии одного фута от земли за одну секунду. Значения, которые мы используем сегодня для преобразования мощности в лошадиные силы, следующие:
1 л.с. = 550 фут-фунт/с
1 л.с. = 33 000 фут-фунт/мин.
1 л.с. = 375 миль-фунтов в час (миль-фунт/час)
1 л.с. = 746 ватт (преобразование электроэнергии)
Чтобы преобразовать мощность в лошадиные силы, разделите мощность на соответствующее преобразование в зависимости от используемых единиц измерения.
Пример: Какая мощность, а также мощность в лошадиных силах потребуется, чтобы поднять турбовентиляторный двигатель GE-90 и установить его на самолет Боинг 777-300? Двигатель весит 19 000 фунтов, и его нужно поднять на 4 фута за 2 минуты.
Мощность = Сила × расстояние ÷ время
= 19 000 фунтов × 4 фута ÷ 2 мин.
= 38 000 ft-lb/min.
Hp = 38 000 ft-lb/min. ÷ 33 000 футофунтов/мин.
Hp = 1,15
Подъемник, который будет использоваться для подъема этого двигателя, должен будет приводиться в действие электродвигателем, поскольку средний человек не сможет генерировать 1,15 л.с. на руках в течение необходимых 2 минут.
Крутящий момент
Крутящий момент — очень интересное понятие и явление, и его определенно следует обсуждать в связи с работой и мощностью. В то время как работа описывается как сила, действующая на расстоянии, крутящий момент описывается как сила, действующая на расстоянии. Крутящий момент — это то, что создает скручивание и пытается заставить что-то вращаться.
Если мы надавим на объект с силой 10 фунтов, и он переместится на 10 дюймов по прямой линии, мы выполнили работу в 100 дюймофунтов. Для сравнения, если у нас есть гаечный ключ длиной 10 дюймов, который находится на болте, и мы нажимаем на него с силой 10 фунтов, к болту прикладывается крутящий момент 100 фунтов на дюйм. Если бы болт был уже затянут и не двигался, когда мы нажимали на гаечный ключ, крутящий момент в 100 фунтов на дюйм все еще существовал бы. Формула для крутящего момента:
Крутящий момент = Сила × расстояние
Несмотря на то, что эта формула выглядит так же, как и другие формулы для расчета работы, помните, что значение расстояния в этой формуле — это не линейное расстояние, которое перемещает объект, а скорее расстояние, на котором действует сила.
Обратите внимание, что при крутящем моменте ничего не должно двигаться, потому что сила прикладывается на расстоянии, а не через расстояние. Заметьте также, что хотя единицы работы и крутящего момента кажутся одинаковыми, это не так. Единицами работы были дюйм-фунты, а единицами крутящего момента — фунт-дюймы, и это то, что отличает их друг от друга.
Крутящий момент очень важен, когда речь идет о работе двигателей, как поршневых, так и газотурбинных. Оба типа двигателей создают крутящий момент до того, как смогут создать работу или мощность. В поршневом двигателе сила в фунтах давит на верхнюю часть поршня и пытается заставить его двигаться. Поршень прикреплен к шатуну, который со смещением прикреплен к коленчатому валу. Это смещение будет похоже на длину гаечного ключа, о котором говорилось ранее, и сила, действующая вдоль этой длины, создает крутящий момент. [Рисунок 3] 9Рис. 3. Поршневой двигатель и крутящий момент
В цилиндре на рис. Шатун крепится к коленчатому валу со смещением в 4 дюйма. Произведение силы на расстояние смещения представляет собой крутящий момент, в данном случае 2000 фунт-дюйм.
В газотурбинном двигателе лопасти турбины в задней части двигателя извлекают энергию из выхлопных газов с высокой скоростью. Извлеченная энергия превращается в силу в фунтах, действующую на лопасти турбины, которые находятся на расстоянии определенного количества дюймов от центра вала, который они пытаются заставить вращаться. Количество дюймов от лопастей турбины до центра вала будет равно длине гаечного ключа, о котором говорилось ранее.
Математически существует зависимость между мощностью двигателя и крутящим моментом двигателя. Формула, показывающая эту взаимосвязь, выглядит следующим образом:
Крутящий момент = Мощность в лошадиных силах × 5252 ÷ об/мин
Пример: Cessna 172R оснащена двигателем Lycoming IO-360, который развивает мощность 180 л.с. при 2700 об/мин. Сколько фунт-фут крутящего момента развивает двигатель?
Крутящий момент = 180 × 5 252 ÷ 2 700
= 350 фунто-футов.
СВЯЗАННЫЕ ПОСТЫ
- Физика для авиации
- Материя
- Энергия
- Простые машины
- Напряжение
- Движение
- Тепло
- Атмосферный двигатель
Поделитесь этой статьей
В этом блоге я попытаюсь объяснить, почему это сравнение не имеет смысла. Как мы выражаем мощность или тягу (как это в данном случае называется) газотурбинного двигателя, используемого для движения самолета? Поршневые двигатели автомобилей принципиально отличаются от авиационных двигателей В автомобильной промышленности и в легкой авиации используются поршневые двигатели . Эти двигатели, в отличие от двигателей больших коммерческих самолетов, вырабатывают мощность на коленчатом валу, к которому прикреплены поршни.
В поршневых двигателях автомобилей коленчатый вал соединен с трансмиссией, которая приводит в движение колеса. А в поршневом двигателе, используемом для движения самолета, гребной винт приводится в движение коленчатым валом. Он действует как вентилятор с большим турбовентиляторным двигателем. Мощность поршневого двигателя выражается в ватт или в старину в лошадиных силах. 1 лошадиная сила равна 746 ваттам.
В реактивном двигателе воздух всасывается во впускное отверстие. После этого он сжимается в компрессоре до высокого давления и смешивается с топливом в камере сгорания. Горячие газы текут назад через систему турбины. Это приводит в действие компрессорную систему, и в конце воздух выходит из двигателя через выхлопную систему.
Так как же двигатель производит мощность, которая двигает самолет вперед? Именно здесь появляется один из величайших научных гениев: мистер Ньютон.
Ньютон был одним из самых известных физиков, живших между 1643 и 1727 годами. Он сформулировал несколько законов физики. Два важных для работы основ реактивного двигателя:
- Существует прямая связь между движением тела и приложенной к нему силой
- Когда одно тело действует с силой на второе тело, второе тело одновременно действует на первое тело с силой, равной по величине и противоположной по направлению.
И это точно объясняет основы работы реактивного двигателя.
Газ ускоряется через двигатель в направлении назад. Как следствие, на двигатель действует сила, равная, но направленная в противоположном направлении вперед. Поскольку двигатель прикреплен к самолету, самолет движется в том же направлении!
Законы физики в ньютонахИтак, теперь мы знаем, что реактивные двигатели создают силу, которая перемещает самолет по воздуху. Сила, создаваемая реактивным двигателем, называется тягой. В простейшей форме это сила, приложенная к летательному аппарату в направлении полета. Эта сила выражается согласно законы физики в ньютонах. В зависимости от различных единиц измерения это выражается в ньютонах, килограммах или фунтах силы. 1 Ньютон равен 0,102 кг, а это 0,225 фунта силы.
Генератор General Electric GEnx 1B, используемый на нашем самолете Boeing 787, создает 75 000 фунтов силы во время взлета. Это равно: 333,617 Ньютона или: 34,019 Килограмм силы.
Звучит как огромная сила, но скромная по сравнению с ракетными двигателями. Просто чтобы дать вам представление: космический шаттл был запущен с тягой 7,3 миллиона фунтов!
Таким образом, сравнение поршневого двигателя и реактивного двигателя коммерческого самолета — непростая задача. Это два совершенно разных двигателя! Чтобы сравнить мощность реактивного двигателя коммерческого самолета с двигателем, используемым в автомобиле, вам необходимо преобразовать тягу в мощность на валу, чтобы сравнить ее с мощностью коленчатого вала поршневого двигателя.
Как нам это сделать? Если мы примем во внимание вес самолета, скорость и лобовое сопротивление (сопротивление самолета, движущегося по воздуху), мы можем рассчитать теоретическое количество ватт, производимых двигателями. 1 мегаватт равен 1341 лошадиной силе. Для самолета типа Boeing 777 с двумя GE 90-115B каждый двигатель вырабатывает примерно 23 МВт мощности во время крейсерского полета с полностью загруженным самолетом. Это 30,843 лошадиных силы.
Другой способ взглянуть на сравнение; двигатель GP 7200 или Airbus A380 равняется на взлете для всех четырех двигателей около 230 МВт общей мощности вентилятора. Это мощность, необходимая для привода вентилятора двигателей. Это равняется 308,435 л.с., поэтому каждый двигатель выдает около 77,109 л.с. для привода вентилятора во время взлета! Чтобы дать вам представление, двигатель Формулы-1 выдает около 800 лошадиных сил. Это без учета дополнительной гибридной электрической мощности. Средний автомобиль производит 100 лошадиных сил или 75 киловатт.
Заключение В общем, сравнение мощности авиационных двигателей с выражением мощности поршневого двигателя автомобиля несколько сложнее. Почему это? Из-за различий в физике автомобиля по сравнению с самолетом сравнивать два способа передвижения не так просто. Мощность авиационного двигателя выражается в ньютонах, килограммах или фунтах силы. Поршневой двигатель передает мощность на вал, который приводит в движение автомобиль или пропеллер легкого самолета.