178. Нагрузки, действующие на самолет
1. Нагрузки, действующие на самолет:
В общем случае, на самолет в полете действуют четыре основные силы:
- Y (Подъемная сила): Сила, направленная вверх, перпендикулярно потоку воздуха, создаваемая крыльями самолета.
- G (Сила тяжести): Сила, направленная вниз, к центру Земли, обусловленная массой самолета.
- P (Тяга): Сила, направленная вперед, создаваемая двигателем (двигателями) самолета.
- Q (Сила сопротивления): Сила, направленная назад, против движения самолета, обусловленная сопротивлением воздуха.
2. Условия равновесия для горизонтального полета:
В горизонтальном, установившемся полете, когда самолет летит с постоянной скоростью на постоянной высоте, силы находятся в равновесии. Это означает, что сумма всех сил, действующих на самолет, равна нулю. Эту ситуацию описывают равенства (308):
- Y = G (Подъемная сила равна силе тяжести): Самолет не поднимается и не опускается.
- P = Q (Тяга равна силе сопротивления): Самолет не ускоряется и не замедляется.
3. Криволинейный полет:
В криволинейном полете (например, при выполнении маневра, разворота или виража) самолет движется по кривой траектории. В этом случае силы, действующие на самолет, не находятся в равновесии. Важно отметить следующее:
- Y, G, P и Q все еще действуют на самолет. Однако их векторные суммы не равны нулю.
- Для поворота самолету требуется центростремительное ускорение. Это ускорение обеспечивается компонентами подъемной силы и, возможно, тяги, которые больше не сбалансированы силой тяжести и сопротивлением воздуха. Самолет как бы "наклоняется" в сторону поворота, и подъемная сила имеет компоненту, направленную к центру окружности, по которой движется самолет.
- В горизонтальном полете самолет находится в состоянии равновесия, где подъемная сила уравновешивает силу тяжести, а тяга уравновешивает сопротивление воздуха.
- В криволинейном полете силы не уравновешены, и самолет движется по кривой траектории благодаря наличию центростремительного ускорения, которое обеспечивается дисбалансом сил.
Ускорения в криволинейном полете:
* \(j_{t}\) (Тангенциальное ускорение): Ускорение, направленное по касательной к траектории движения самолета. Оно возникает из-за изменения скорости самолета по траектории. Если \(j_{t}\) > 0, самолет ускоряется, если \(j_{t}\) < 0, самолет замедляется.
* \(j_{n}\) (Центростремительное ускорение): Ускорение, направленное к центру кривизны траектории движения самолета. Оно возникает из-за изменения направления скорости. Равно \(V^2/r\), где \(V\) - скорость самолета, \(r\) - радиус кривизны траектории.
Инерционные силы:
Инерционные силы - это фиктивные силы, которые возникают в неинерциальных системах отсчета, таких как система отсчета, связанная с ускоряющимся самолетом. Они "кажутся" действующими на объект, хотя на самом деле являются результатом ускорения системы отсчета.
* \(N_{t} = mj_{t}\) (Тангенциальная инерционная сила): Инерционная сила, направленная противоположно тангенциальному ускорению. \(m\) - масса самолета.
* \(N_n = m(V^2/r)\) (Центробежная сила): Инерционная сила, направленная от центра кривизны траектории. Эта сила является реакцией на центростремительное ускорение.
Условия равновесия для криволинейного полета в плоскости симметрии:
* \(P_0 = Q_0\): Тяга равна силе сопротивления. Это означает, что нет ускорения в направлении движения (хотя, как указано выше, *тангенциальное* ускорение очень мало). Важно отметить, что это может быть упрощением, так как тяга и сопротивление могут быть *близки* к балансу, но небольшое тангенциальное ускорение все еще может присутствовать.
* \(Y = G \cos(\beta) + N_n\): Подъемная сила равна сумме проекции силы тяжести на ось, перпендикулярную траектории, и центробежной силы. \(\beta\) - угол крена (угол между плоскостью крыльев и горизонтальной плоскостью). Эта запись предполагает, что самолет выполняет разворот, и часть веса уравновешивается подъёмной силой, а остальная часть подъёмной силы обеспечивает центробежную силу, необходимую для поворота.
Упрощения и вираж самолета:
* Пренебрежение \(N_t\): Из-за малости тангенциального ускорения (\(j_t\)) тангенциальной инерционной силой \(N_t\) часто пренебрегают при расчетах. Это упрощает анализ сил.
* Вираж самолета: При вираже равновесие сил можно упрощенно записать как:
* \(P_0 = Q_0\): Как и ранее, пренебрегаем тангенциальным ускорением.
* \(Y = G \cos(\beta)\): Эта запись подразумевает, что подъемная сила *полностью* уравновешивает вес самолета. *Центробежная сила здесь явно не указана, но она подразумевается*. В действительности, это равновесие достигается за счет *наклона самолета* (крена). Подъемная сила направлена *вверх относительно самолета*, но из-за крена ее вертикальная составляющая (относительно земли) уравновешивает вес, а горизонтальная составляющая обеспечивает центростремительное ускорение для виража.
Ключевые моменты:
- В криволинейном полете появляются как тангенциальное, так и центростремительное ускорения.
- Этим ускорениям соответствуют инерционные силы (тангенциальная и центробежная).
- Часто делается упрощение, пренебрегая тангенциальным ускорением и, следовательно, тангенциальной инерционной силой.
- При вираже подъемная сила уравновешивает вес самолета, но это достигается за счет крена, который создает компоненту подъемной силы, обеспечивающую центростремительное ускорение.
Эта информация предоставляет более полное понимание сил и ускорений, действующих на самолет в криволинейном полете. Важно помнить, что эти модели часто являются упрощением реальной ситуации.
- 23