Похмурість чи ні, ми всі випадково відводили погляд від вікна літака, бачачи, як крила літака зазнали декількох потрясінь, і, на наш погляд, вони рухалися більше, ніж було потрібно. Так, ми сотні разів чули, що літак є найбезпечнішим видом транспорту у світі; що з кожних 2,4 мільйона рейсів лише один закінчується трагедією, і що турбулентність не спричиняла аварії принаймні 40 років.

зараз

То чому раптовий рух крил так тривожить? Як і в багатьох інших випадках, відповідь криється в нашому повному незнанні того, як літак залишається в повітрі. Ось чому ми запитали себе; Яка дивна сила дозволяє літаку підтримувати себе на висоті 10 000 метрів протягом тисяч кілометрів, без сильного поштовху, що представляє найменшу загрозу для пілотування?

Якщо ви не знаєте, як відповісти на це запитання з певністю, не хвилюйтеся; наукове співтовариство.

І це те, що, хоча авіаційні інженери більш ніж здатні будувати літаки, здатні літати (як доводять останні 80 років історії авіації), вони менше, коли справа доходить до пояснення того, як саме генерується аеродинамічний підйомник, або сила вгору, яка дозволяє металевій рамі приблизно 100 тонн утримуватися в повітрі.

Існують різні теорії з цього приводу, що, хоча вони пропонують досить правдоподібне пояснення, чому ця сила породжується, протягом багатьох років вони були позначені як неправильні або, принаймні, недостатні, оскільки вони залишають багато кінців розв'язаними. Хоча вони виконують свою інформаційну функцію (і тому їх включають до підручників та енциклопедій, спрямованих на менш освічених читачів), жодне з цих універсальних пояснень не є дійсним поясненням саме по собі.

Як ми розробляємо літаки, здатні літати, якщо ми не можемо пояснити, як вони це роблять?

На цьому етапі вам може бути цікаво, як можна спроектувати цілком функціональний комерційний літак, і в той же час, не маючи можливості чітко пояснити, звідки бере початок сила, що дозволяє літаку підніматися під час зльоту.

Дуже легко; фізика (і, зокрема, механіка рідин) є надзвичайно експериментальною наукою, в якій багато разів експерименти передують теорії. Спочатку спостерігається явище і проводяться вимірювання; пізніше проводяться експерименти і розробляються математичні моделі для пояснення даних, наданих цими експериментами, і, нарешті, розробляються теорії та закони.

Іншими словами, дослідницька робота фізиків та математиків 18-19 століть дала нам математичні формули, здатні робити дуже точні та доказові прогнози за допомогою експериментів (рівняння Нав'є-Стокса). Однак багато разів ми не маємо можливості перекласти таку ефективну і однозначну математичну мову, до мови, яка зрозуміла і розумна на наш погляд, часто обмежується тим, що ми можемо спостерігати неозброєним оком, а те, чого не можемо.

Традиційні пояснення, або те, що нам говорять підручники середньої школи

Перш за все, слід пам’ятати про це повітря - це рідина і як такий, він надає певний опір твердим тілам, які впливають на нього, подібно до морської води, коли корабель вдаряється об нього (цей другий просто має більшу щільність).

Прийнято думати, що те, що утримує літак у повітрі, - це потужність двигуна, але все-таки в гіпотетичних і малоймовірних випадках, коли двигун виходить з ладу, літак не впав би. Хоча двигун протидіє опору, який генерується спереду (опору), саме крила протидіють опору, який створюється вниз (вага).

Тобто потужність двигуна дозволяє літаку досягати певної швидкості, але саме крила завдяки своїй особливій формі генерують достатньо сили, щоб протидіяти вазі літака та його пасажирам (близько 100 тонн). Зрештою, щоб літак залишався в повітрі, повинен бути створений ідеальний баланс між чотирма зусиллями, що стоять один навпроти одного (підняття тягарів та поштовх). Коли настає ця рівновага, літак переходить у фазу круїзу.

Типовим традиційним поясненням є Теорема Бернуллі, голландсько-швейцарський математик, статистик, фізик і лікар, який жив у 18 столітті. Згідно з цим поясненням, молекули повітря при зустрічі з крилом змушені відокремлюватися. Завдяки формі крила (товщі і округлі спереду), молекули, що подорожують по крилу, щоб знову зустрітися з молекулами, що рухаються внизу, повинні проїхати однакову відстань за коротший час, що збільшує швидкість. Відповідно до закону Бернуллі, чим більша швидкість, тим нижчий тиск, а це означає, що ми маємо зону низького тиску на крилі і зону високого тиску під ним, яка веде крило вгору.

Теорема Бернуллі, однак, надає занадто велике значення кривизні крила і положенню площини, ігнорування того, що є літаки, здатні літати з абсолютно рівними крилами, а також повертатися на 180 градусів під час польоту і залишатися в повітрі. Крім того, численні дослідження показали, що повітря, яке рухається над крилом літака, досягає кінця крила перед повітрям, яке рухається під крилом, і більше не зустрічається з цією секундою.

"Теорія Бернуллі поширилася з незнання, враховуючи необхідність дати просте пояснення першим польотам на літаку в 1903 році", - пояснює він. Карлос Санмігель, лікар з механіки рідини з Мадридського університету імені Карлоса III. «Аеродинаміку літаків вивчили шляхом спроб і помилок, оскільки його народження було ще до розробки офіційної теорії, і не було рівнянь, які дозволяли проводити розрахунки на попередньому етапі. Загалом, виробництво літаків завжди було дуже емпіричним. Літак братів Райт був нестабільним літаком », - додає Карлос.

Закони руху Ньютона, переформульовані щодо поведінки рідин, вони є ще одним із традиційних пояснень підйому. Відповідно до принципу дії та реакції кожна дія відповідає протилежній дії. Подібно до того, як склянка води надає низхідну силу, яка протидіє висхідній силі, яка діє столом, який її підтримує, у випадку авіації крило штовхає повітря вниз, що, в свою чергу, створює тягу крила вгору (підйом) і назад (перетягування).

Хоча ця теорія застосовна до всіх типів крил, незалежно від їх форми та кривизни, і пропонує пояснення перевернутому польоту, вона також Важко пояснити, чому навіть на абсолютно плоских крилах зона верхнього тиску створюється у верхній частині крила. Карлос підтверджує, що закони Ньютона самі по собі також представляють проблеми як пояснення.

Адже теорії Бернуллі та Ньютона вони передували першим випробуванням літаків і були просто переформульовані після першого в історії польоту силами братів Райт в 1903 році. І той, і інший не знали, що їх теорії відіграватимуть важливу роль у принципах аеронавтики. Однак, і незважаючи на їх видимі обмеження, достатньо попросити деякі популяризаційні блоги та відповідні розділи коментарів, щоб підтвердити, що сьогодні все ще існує певна дихотомія між цими двома теоремами (наче вони суперечать, а не доповнюють), і існує ще хто захищає їх зуб і ніготь.

Правильне пояснення, або те, що вони говорять нам у авіаційній кар'єрі

Точно, найбільш правильне пояснення в очах наукового співтовариства (вірніше, той із найменшими невідповідностями) - це поєднання обох теорій. Це пояснення поєднує в собі принцип дії і реакції Ньютона (літак літає, оскільки відхиляє велику кількість повітря вниз) і теорему Бернуллі (існування різниці тисків між верхньою і нижньою частинами), але вводить новий елемент, який об’єднує обидві теорії: кут атаки або нахилу крила щодо повітря, що доходить до нього спереду.

Кут атаки крила тісно пов'язаний з в'язкістю, властивість повітря, яке не передбачається традиційними теоріями. В'язкість призводить до того, що повітря "прилипає" до форми крила (ефект Коанде) і рухається закріпленим за ним як шар, поки не досягне заднього краю крила. Це те, що відоме як прикордонний шар, і саме це напрямок досліджень доктора Карлоса Санмігеля, який також закінчив свою дисертацію з експериментальної аеродинаміки.

Таким чином, коли нахил крила перевищує певний кут, сила, що створюється в'язкістю, не є достатньою для того, щоб шари повітря продовжували прилипати до верхньої частини крила, і підйом втрачається. Ця теорія також пояснює перевернутий політ; Коли літак повертається на 180 градусів і перевертається вниз, кут атаки все ще присутній, але в зворотному напрямку, створюючи негативний підйом.

Карлос, зі свого боку, воліє пояснювати це через рівняння Ейлера або те саме, закони Ньютона в поєднанні із збереженням маси та енергії. "Ключ не в конструкції крила, а в поведінці повітря навколо нього", стверджує Карлос. "Повітря відхиляється навколо крила так само, як і при будь-якій іншій перешкоді, будь то машина, вітрогенератор або пагорб".

Математика, або чому нам не потрібне "логічне" пояснення

Як ми вже згадували на початку, ці теорії є просто способом осмислення математичної мови, часто занадто абстрактною та невловимою. Тим не менше, математичні формули самі по собі дозволяють виготовляти цілком життєздатні літаки з 1940 року.

Зокрема, це працює з складні рівняння Нав'є-Стокса, які дозволяють дуже точно розрахувати рух рідини без необхідності вдаватися до випробувань у аеродинамічних трубах чи інших повномасштабних експериментів. Звичайно, їх складність така, що нам ще не вдалося вирішити їх аналітично (насправді людині, яка нарешті вдається їх вирішити на папері, пропонують понад 810 000 євро), за допомогою яких вони дозволяють лише приблизні розрахунки.

"Ми не можемо вирішити їх аналітично; нам недоступні”, Пояснює Карлос. "Щоб отримати точне рішення рівнянь Нав'є-Стокса, застосованих до реальних проблем, необхідні суперкомп'ютери (такі як MareNostrum, в Барселоні), а також процеси обчислення місяців і місяців". Поле, яке займається пошуком рішень рівнянь Нав'є-Стокса за допомогою комп'ютерного моделювання, є тим, що відоме як обчислювальна механіка рідини. "Вони вже 30 років говорять, що настане день, коли суперкомп’ютери зможуть вирішити рівняння Нав’є-Стокса, а експериментальну фазу можна повністю позбавити, оскільки вона дуже дорога », - пояснює Карлос. Враховуючи складність рівнянь Нав'є-Стока, застосовуються спрощення або моделі, що полегшують процес розрахунку і дозволяють отримати приблизні рішення руху повітря в реальних випадках.

Нам зрозуміло, що до цього дня, неможливо спроектувати літак, використовуючи лише рівняння та чисельне моделювання, швидше, необхідні експерименти. Однак Карлос оптимістичний і вірить, що настане день, коли досягнення в обчислювальних та експериментальних методах дозволять краще зрозуміти явища, що лежать в основі рівнянь Нав'є-Стокса, і можуть бути створені моделі, які можуть передбачити поведінку повітря. утворення вихорів і вихорів. "Досягнення цифрової фотографії вже дозволяють обчислити рух повітря за простою фотографією", - пояснює інженер, маючи на увазі наступне зображення техніки швидкісного зображення частинок (PIV).

Підводячи підсумок, дискусія щодо походження підйомника чи сили, що дозволяє літаку підніматися під час зльоту, є не що інше, як суперечка, яка оточує наукове поширення в цілому; Чи справді можливо придумати просте, зрозуміле та логічне пояснення, яке можна включити до підручників середньої школи, не спричиняючи при цьому надто спрощення, яке парадоксально робить пояснення недійсним?

Карлос поділяє той самий сумнів. “Проблема полягає в тому, щоб дуже просто пояснити дуже складне явище. На смертному одрі фізик Вернер Гейзенберг сказав, що перше, що він збирається запитати у Бога, це пояснення відносності та турбулентності, і що він очікував отримати відповідь лише на перше ", - підсумовує він.