Крыло

Крыло — это тип плавника , который создает как подъемную силу , так и сопротивление при движении в воздухе. Крылья определяются двумя характеристиками формы: аэродинамическим сечением и формой плана . Эффективность крыла выражается как отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению , которое сравнивает преимущество подъемной силы с сопротивлением воздуха заданной формы крыла при полете. Аэродинамика — это изучение характеристик крыла в воздухе.

Аналогичные подводные крылья , которые движутся в воде, можно найти на судах на подводных крыльях и парусных лодках с подводными крыльями , которые быстро поднимаются из воды, а также на подводных лодках , которые используют ныряющие плоскости , чтобы направлять лодку вверх или вниз при движении под водой. Гидродинамика — это изучение поведения подводных крыльев в воде.

Слово «крыло» от древнескандинавского vængr ^[1] на протяжении многих веков относилось в основном к передним конечностям птиц (в дополнение к архитектурному проходу). Но в последние столетия значение слова расширилось и стало включать в себя подъемные конечности насекомых , летучих мышей , птерозавров , бумерангов , некоторых парусных лодок и самолетов , или аэродинамический профиль гоночного автомобиля . ^[2]

Проектирование и анализ крыльев самолетов является одним из основных приложений науки аэродинамики , которая является разделом механики жидкости . Свойства воздушного потока вокруг любого движущегося объекта могут быть найдены путем решения уравнений Навье-Стокса динамики жидкости . За исключением простых геометрий, эти уравнения трудно решить. ^[3] Можно дать более простые объяснения.

Чтобы крыло создавало «подъемную силу», оно должно быть ориентировано под соответствующим углом атаки относительно потока воздуха, проходящего мимо крыла. Когда это происходит, крыло отклоняет поток воздуха вниз, «поворачивая» воздух, когда он проходит мимо крыла. Поскольку крыло оказывает силу на воздух, чтобы изменить его направление, воздух должен оказывать силу на крыло, равную по величине, но противоположную по направлению. Эта сила возникает из-за разного давления воздуха, которое существует на верхней и нижней поверхностях крыла. ^{[4] [5] [6]}

На верхней поверхности крыла создается давление воздуха ниже, чем давление окружающей среды, а на нижней поверхности крыла — выше, чем давление окружающей среды. (См.: аэродинамический профиль ) Эти перепады давления воздуха можно измерить с помощью устройства для измерения давления или рассчитать по скорости воздуха, используя физические принципы , включая принцип Бернулли , который связывает изменения скорости воздуха с изменениями давления воздуха.

Более низкое давление воздуха на верхнюю часть крыла создает меньшую направленную вниз силу на верхнюю часть крыла, чем направленная вверх сила, создаваемая более высоким давлением воздуха на нижнюю часть крыла. Это создает направленную вверх силу на крыле. Эта сила называется подъемной силой, создаваемой крылом.

Различные скорости воздуха, проходящего мимо крыла, разница в давлении воздуха, изменение направления воздушного потока и подъемная сила на крыле являются различными способами описания того, как создается подъемная сила, поэтому можно рассчитать подъемную силу из любого из трех других. Например, подъемную силу можно рассчитать из разницы в давлении или из различных скоростей воздуха над и под крылом, или из общего изменения импульса отклоненного воздуха. Гидродинамика предлагает другие подходы к решению этих задач — все эти методы дают один и тот же ответ, если они правильно рассчитаны. Учитывая конкретное крыло и его скорость в воздухе, споры о том, какой математический подход является наиболее удобным ^{[ требуется ссылка ],} могут быть ошибочно приняты теми, кто не знаком с изучением аэродинамики, за различия во мнениях об основных принципах полета. ^[7]

Крылья с асимметричным поперечным сечением являются нормой в дозвуковом полете . Крылья с симметричным поперечным сечением также могут создавать подъемную силу, используя положительный угол атаки для отклонения воздуха вниз. Симметричные аэродинамические профили имеют более высокую скорость сваливания , чем изогнутые аэродинамические профили той же площади крыла ^[8], но используются в пилотажных самолетах, поскольку они обеспечивают те же летные характеристики, независимо от того, находится ли самолет в прямом или перевернутом положении. ^[9] Другой пример — парусные лодки, где парус представляет собой тонкий лист. ^[10]

Для скоростей полета, близких к скорости звука ( трансзвуковой полет ), используются специальные асимметричные секции аэродинамического профиля, чтобы минимизировать очень выраженное увеличение сопротивления, связанное с потоком воздуха, близким к скорости звука. ^[11] Эти аэродинамические профили, называемые сверхкритическими аэродинамическими профилями , плоские сверху и изогнутые снизу. ^[12]

Крылья самолета могут иметь некоторые из следующих особенностей:

• Закругленное сечение передней кромки
• Острое поперечное сечение задней кромки
• Передовые устройства, такие как планки , щели или расширения
• Устройства задней кромки крыла, такие как закрылки или флапероны (комбинация закрылков и элеронов)
• Винглеты для предотвращения образования вихрей на законцовках крыльев, увеличивающих сопротивление и уменьшающих подъемную силу
• Двугранный , или положительный угол наклона крыла к горизонтали, увеличивает спиральную устойчивость вокруг оси крена, тогда как ксеноновый , или отрицательный угол наклона крыла к горизонтали, уменьшает спиральную устойчивость.

Крылья самолетов могут иметь различные устройства, такие как закрылки или предкрылки, которые пилот использует для изменения формы и площади поверхности крыла с целью изменения его эксплуатационных характеристик в полете.

• Элероны (обычно около законцовок крыла) для наклона самолета
• Спойлеры на верхней поверхности для увеличения сопротивления при спуске и уменьшения подъемной силы для увеличения нагрузки на колеса при торможении
• Генераторы вихрей, помогающие предотвратить отрыв потока в трансзвуковом потоке
• Крыльевые ограждения удерживают поток, прикрепленный к крылу, предотвращая отрыв пограничного слоя от направления распространения крена.
• Складывающиеся крылья позволяют разместить больше самолетов в ограниченном пространстве ангарной палубы авианосца .
• Крыло изменяемой стреловидности или «маховое крыло», которое позволяет расправлять крылья во время полета на низкой скорости (например, взлет, посадка и барражирование) и стреловидные крылья для полета на высокой скорости (включая сверхзвуковой полет ), например, у F-111 Aardvark , F-14 Tomcat , Panavia Tornado , МиГ-23 , МиГ-27 , Ту-160 и B-1B Lancer .

• Стреловидные крылья
• Крылья изменяемой стреловидности (включая косые крылья )
• Крылья Дельта
• эллиптическое крыло s
• трапециевидные крылья

Помимо самолетов с фиксированным крылом , формы крыла применяются в следующих областях: ^{[ необходима ссылка ]}

• Дельтапланы , которые используют крылья от полностью гибких ( парапланы , планирующие парашюты ), гибких (каркасные парусные крылья) до жестких
• Воздушные змеи , которые используют различные подъемные поверхности
• Летающие модели самолетов
• Вертолеты , которые используют вращающееся крыло с изменяемым углом наклона для обеспечения направленной силы.
• Гребные винты , лопасти которых создают подъемную силу для движения.
• Космический челнок НАСА , который использует свои крылья только для планирования во время спуска на взлетно-посадочную полосу. Такие типы самолетов называются космопланами .
• Некоторые гоночные автомобили , особенно автомобили Формулы-1 , в которых используются перевернутые крылья (или аэродинамические профили ) для обеспечения большего сцепления на высоких скоростях.
• Парусные суда , которые используют паруса в качестве вертикальных крыльев с переменной наполненностью и направлением для движения по воде.

В 1948 году Фрэнсис Рогалло изобрел полностью мягкое гибкое крыло. Домина Жальбер изобрела гибкие беслонжеронные толстые крылья с аэродинамическим профилем.

Крылья эволюционировали несколько раз в истории: у динозавров (см. Птерозавры ), насекомых , птиц (см. Крыло птицы ), млекопитающих (см . Летучие мыши ), рыб, рептилий и растений. Крылья птерозавров, птиц, летучих мышей и рептилий произошли от существующих конечностей, однако крылья насекомых эволюционировали как совершенно отдельная структура. ^[13] Крылья способствовали увеличению передвижения , расселения и диверсификации. ^[14] Различные виды пингвинов и других летающих или нелетающих водоплавающих птиц, таких как чистики , бакланы , кайры , буревестники , гаги и турпаны, а также ныряющие буревестники являются эффективными подводными пловцами и используют свои крылья для передвижения по воде. ^[15]

• Формы крыльев в природе
• 
  Семена крылатых деревьев, вызывающие авторотацию при снижении
• 
  Смеющаяся чайка , демонстрирующая очертания « крыла чайки ».
• 
  Летучая мышь в полете
• 
  стрекозы спариваются в полете

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Крылья» .

• Как работают крылья - Хольгер Бабинский Физика Образование 2003
• Как летают самолеты: физическое описание подъемной силы
• Разоблачение науки о полете – аудиофрагмент в программе NPR Talk of the Nation Science Friday
• Объяснения и моделирования НАСА
• Полет крыла StyroHawk
• Посмотрите, как он летает