Какой громкой бывает отрыжка?

— Ничего себе! И что, он самый большой?

Почти. Транспортный самолет Ан-225 «Мрия» еще больше. Его длина около 84 м и размах крыльев 88 м. Самолет был построен для перевозки различных компонентов советских космических ракет. В 1989 году он совершил полет, в котором было установлено сразу 110 мировых рекордов, включая рекорд максимальной взлетной массы — 509 тонн, рекорд скорости полета по замкнутому маршруту длиной 2 000 км с грузом 155 тонн — 815,09 км/ч и рекорд высоты полета с этим грузом — 12 430 м.

— Но как таким тяжеленным махинам удается оторваться от земли, не говоря уже о том, чтобы совершать рекордные полеты? Я знаю, что они это делают, просто все выглядит нереально.

Что вы этим хотите сказать?

— Я хочу сказать, что маленькие самолеты и планеры весят совсем немного и их не очень трудно оторвать от земли. Но как поднять в воздух громадину размером с дом и заставить ее там держаться?

В принципе, с помощью достаточно больших крыльев и мощных двигателей можно поднять в воздух все, что угодно. Даже дом. Правда, домом будет не очень легко управлять в полете, и большинство из них развалятся при попытке это сделать. Однако вовсе не вес и не размеры дома заставляют нас отказаться от этой идеи.

— Тогда что же?

Все дело в аэродинамике. На находящийся в воздухе самолет (или летающий дом, летающий автобус или что угодно) воздействуют четыре силы. Это сила тяжести, подъемная сила, сила тяги и сила сопротивления.

С силой тяжести все просто, она тянет самолет к земле. При прочих равных условиях чем больше масса самолета, тем сильнее его тянет вниз, и тем труднее поднять его в воздух.

— Вот и я о том же! Но как тогда…

…потерпите минутку, мы еще не закончили.

— Ой, извините.

Чтобы преодолеть силу тяжести, нам нужно создать противоположно направленную силу, которую называют подъемной. Эта сила тянет (или точнее толкает) самолет вверх, заставляя его подниматься над землей. С помощью достаточно большой подъемной силы можно поднять в небо даже самые тяжелые летательные аппараты. Для этого можно, например, использовать большой горизонтальный пропеллер или несущий винт — как у вертолетов. При вращении такого винта его расположенные под наклоном лопасти с силой гонят воздух вниз и создают область высокого давления, которое толкает вертолет в противоположном направлении — прямо вверх. Однако в случае с самолетами подъемная сила создается иначе.

— И как это делается?

В общем, двигатели самолета (винтовые или реактивные) гонят воздух назад и как бы проталкивают машину сквозь воздушную среду. Эта сила, заставляющая самолет двигаться вперед, называется тягой. Кроме того, при перемещении самолета в воздухе создается сила сопротивления. Она является результатом трения, возникающего между корпусом машины и воздухом, и тянет самолет назад, замедляя его скорость. Сила тяги должна быть достаточно большой, чтобы при разгоне самолет мог преодолеть силу сопротивления и набрать взлетную скорость, необходимую для отрыва от земли.

— Но почему сила тяги заставляет самолет не просто нестись по земле, а взлетать в небо?

Хороший вопрос. Сама по себе сила тяги не создает подъемную силу. Но зато она заставляет воздух на большой скорости обтекать крылья, которые расположены под углом к направлению движения (он называется углом атаки), чтобы отбрасывать встречный поток вниз и тем самым создавать необходимую самолету подъемную силу, которая толкает его вверх. Изогнутая форма крыла помогает создавать дополнительную подъемную силу, но она не так важна, как размеры крыла или угол атаки. Если тяги хватит, чтобы преодолеть сопротивление, то создаваемая подъемная сила может оказаться достаточно большой, чтобы преодолеть силу тяжести и поднять самолет в воздух. Это понятно?

— Понятно. Но почему нельзя просто приделать к дому крылья и двигатели и летать на нем куда угодно? Тогда, добравшись до места назначения, не нужно было бы платить за гостиницу…

Великолепная идея, и лично я с удовольствием слетал бы в собственном доме на Карибские острова, но, к сожалению, она не очень практична. Большинство домов строятся, чтобы неподвижно стоять в течение многих лет на твердой земле. И хотя поднять их в воздух с помощью достаточно мощных двигателей и крыльев теоретически возможно, необходимая для полета сила тяги, скорее всего, разнесет их на куски. Кроме того, аэродинамическое сопротивление грубой прямоугольной конструкции дома сильно затруднит задачу поддержания скорости и управления полетом. Огромные, тяжелые самолеты, вроде аэробуса А380, справляются с этими проблемами благодаря специальной конструкции корпуса — достаточно прочного, чтобы выдержать силу тяги, и обтекаемой формы, чтобы максимально снизить сопротивление.

— Короче, если придать самолету правильную форму и сделать его достаточно прочным, то вес не будет иметь значения. Тогда почему мы не строим самолетов еще больше и тяжелее тех, что у нас уже есть?

Отчасти потому, что у нас пока нет авиационных двигателей, достаточно мощных, чтобы разогнать до взлетной скорости что-нибудь тяжелее чем «Суперджамбо» или Ан-225. К тому же, чем тяжелее самолет, тем больше должны быть размеры его крыльев, создающих подъемную силу. Это дополнительно увеличивает вес самолета и заставляет использовать для его постройки более прочные (и легкие) материалы. И даже если такой самолет сумеют построить, это не означает, что его можно будет использовать.

— Это еще почему?

Потому что чем тяжелее самолет, тем выше должна быть его взлетная скорость. И хотя мощные двигатели смогут справиться с этой задачей, для разгона все равно потребуется время. В принципе, чем массивнее самолет, тем медленнее он разгоняется, а это означает, что для взлета и посадки ему потребуется очень длинная полоса. В большинстве аэропортов нет взлетно-посадочных полос, длина которых позволяет принимать аэробусы «Суперджамбо», и даже там, где они есть, их приходится удлинять или строить новые. Если самолет обычного типа будет в два или три раза тяжелее, чем А380, ему понадобится такая длинная полоса, что большую часть пути до места назначения он проедет по земле! Вот почему развитие тяжелой авиации, скорее всего, будет связано с самолетами, дирижаблями или ракетами,[18] способными взлетать и садиться вертикально. Но пока нам еще далеко до использования этих летательных аппаратов для повседневных путешествий и грузоперевозок.

— Значит, когда-нибудь небо заполнят высокотехнологичные ракеты и дирижабли? Как в фильмах о будущем?

Может быть.

— Попробую представить. Большим, остроконечным ракетам придется лавировать между громадными неповоротливыми дирижаблями… м-да, выглядит немного рискованно.

Мне тоже так кажется. Тогда выбирайте себе дирижабль. А я, так и быть, соглашусь на ракету.

— Эй, это нечестно!

Научные факты: пять вещей, которые весят примерно столько, сколько самолет Ан-225 «Мрия»

1,3 миллиона футбольных мячей

8 800 человек

130 африканских слонов

46 пожарных машин

3,3 Боинга 747 «Джамбо Джет»

Почему самолеты не летают между аэропортами по прямым линиям?

Они не могут, потому что для этого пришлось бы лететь сквозь Землю. Однако, с точки зрения самих самолетов, они летят строго по прямой. Просто при переносе на плоскую карту мира линии их маршрутов изгибаются.

— Погодите минутку. Мне казалось, что самолеты могут лететь в любом направлении, каком захотят, разве не так?

Так — если им разрешат.

— И им не нужно следовать всем поворотам дорог или рек и огибать горные вершины или другие препятствия?

Нет, не нужно. Во всяком случае, большим пассажирским самолетам. Они могут пролететь над любой горой на планете. Межконтинентальные перелеты обычно проходят на высоте около 11 тысяч метров. А высота Эвереста — самой высокой горы на планете — всего 8 848 м.

— Видно я чего-то не понимаю. Когда смотришь на карту авиарейсов, то видишь, что линии маршрутов всегда изогнуты. Но если самолеты могут пролетать над чем угодно и если кратчайшее расстояние между двумя точками — это прямая линия, то почему они не летают по прямой?

Потому что для этого нужно, чтобы мир был таким же плоским, как карта. На плоской поверхности все действительно так: кратчайшее расстояние между двумя точками (назовем их А и Б) — это прямая линия. Но если точки А и Б находятся на разных сторонах твердого объекта, который нельзя пройти насквозь, то возникает проблема. Вместо того чтобы направиться прямо через него, придется двигаться в обход, следуя самому короткому пути, проложенному по его поверхности. Вот почему наш кратчайший маршрут полета пролегает над изогнутой поверхностью земного шара, а не проходит сквозь него, как по туннелю.

— А это было бы круто, правда?

Да, действительно. Очень круто.

— Только представьте: нырнул под землю в Америке и вылетел наружу в Китае…

Да, это было бы здорово… но пока мы на такое не способны, нам приходится довольствоваться полетами на обычных самолетах над изгибающейся поверхностью земного шара. Если перенести маршрут такого полета на плоскую карту мира, то линия между пунктами вылета и прилета изогнется вверх или вниз и станет похожа на дугу. Но это происходит лишь потому, что карта является плоской, или двумерной. На сферической, трехмерной карте — такой как глобус — будет видно, что на самом деле самолет летит практически по прямой.

— Но как пилот решает, по какой дуге ему следовать и как далеко отклоняться от прямой?

Хороший вопрос. В наши дни пилоту даже не нужно ничего решать. Все вычисления по прокладке курса выполняет за него навигационный компьютер. Пилоту остается лишь следовать по этому маршруту. Если он отклонится от курса, бортовой компьютер или наземные авиадиспетчеры сразу сообщат ему об этом. Кроме того, в полете используется автопилот, устройство, которое управляет самолетом и удерживает его на курсе автоматически.

— Хорошо, но тогда объясните, как компьютер определяет, по какой дуге нужно лететь?

Самое короткое расстояние между двумя точками на земном шаре всегда проходит по большому кругу — гигантскому кругу, центр которого находится в центре Земли, а окружность огибает весь земной шар. Примером большого круга может служить экватор, который опоясывает Землю по горизонтали. Путь от Северного полюса до Южного и дальше по другой стороне Земли снова до Северного полюса образует другой большой круг (вертикальный). Между этими кругами можно расположить множество других больших кругов, под любыми углами. Чтобы определить кратчайшее расстояние, компьютер проводит через центр Земли такой большой круг, чтобы на его окружности находились оба аэропорта. Дуга (или часть окружности) между аэропортами называется геодезической линией, и маршрут самолета совпадает с этой изогнутой линией.

На обычной карте это выглядит немного странно. Например, прямой путь из Лондона в Сидней на плоской карте пролегает через Францию, Италию, Саудовскую Аравию и, в конце концов, доходит до Австралии с западной стороны. Но геодезический путь, по которому следуют самолеты, изгибается «вверх» и пролегает через Данию, Россию, Китай и Индонезию, приближаясь к Австралии почти с севера.

— Действительно странно. И маршруты самолетов всегда точно совпадают с этими большими кругами?

Не совсем. Большие круги позволяют прокладывать самые короткие из всех возможных маршрутов, но это не значит, что такой путь всегда самый быстрый или безопасный. Иногда приходится обходить запрещенные для полетов зоны в некоторых странах и крупные города. Пилот может также принять решение отклониться дальше на север или на юг, чтобы поймать попутный ветер и быстрее добраться до места назначения. А в непосредственной близости от аэропортов наземные авиадиспетчеры могут приказать пилоту изменить курс, чтобы избежать опасного сближения с другим воздушным судном.[19]

— И поэтому они всегда бесконечно долго кружат перед посадкой? Чтобы не столкнуться с другими самолетами?

Поэтому, и еще для того, чтобы выйти на правильный посадочный курс. Самолет может подлететь к аэропорту с любой стороны, но взлетно-посадочные полосы проходят лишь в нескольких направлениях, и каждый самолет должен лететь по кругу, пока не совместит линию полета с ВПП. После этого он может перейти к плавному снижению, медленно приблизиться к полосе и благополучно совершить посадку.

— Но почему пилоты не могут просто ударить по тормозам, спикировать перед полосой и выровнять самолет в последнюю минуту? Как-то в одном фильме я такое видел…

Некоторые маленькие самолеты могут проделывать подобные трюки, но повторять их на реактивных пассажирских лайнерах слишком опасно. Скорость самолета должна оставаться немного выше минимума, необходимого, чтобы удерживаться в воздухе, а чем больше самолет, тем этот минимум выше.[20] Кроме того, если они станут снижаться слишком быстро, у них могут возникнуть проблемы с контролем скорости снижения. По этой причине большинство пилотов (вполне благоразумно) предпочитают заходить на посадку с достаточного расстояния, постепенно сбрасывая скорость и плавно снижаясь до того момента, когда самолет мягко коснется полосы.

— Короче говоря, самолет взлетает, летит по дуге большого круга, которая на самом деле является прямой линией, а потом кружит вокруг аэропорта, пока не выйдет на посадочную прямую… правильно?

Абсолютно.

— Слава богу, теперь до меня и впрямь дошло.

А может вкривь?

— Тьфу на вас, прекратите!

Прошу прощения.

Наука и жизнь: проложите свой собственный маршрут полета

Хотите самостоятельно поработать с геодезическими линиями? Тогда попробуйте следующее:

1. Возьмите апельсин. Сгодится любой, но лучше, если он будет с гладкой кожурой. Это планета Земля.

2. Возьмите две булавки и воткните их в апельсин в любом месте на его поверхности. Постарайтесь не уколоть палец и следите за тем, чтобы сок не попал в глаза (что будет смешно всем, кроме вас).

3. А теперь возьмите кусочек веревочки или шнурка от ботинок и привяжите его к обеим булавкам, чтобы получилась линия.

4. Шариковой ручкой или фломастером отметьте эту линию на поверхности апельсина, чтобы проложить маршрут вашего полета.

5. Вытащите булавки, снимите веревочку и аккуратно очистите апельсин. Постарайтесь чтобы корка с проведенной линией осталась целой.

6. А теперь расправьте корку на столе. Линия осталась прямой или изогнулась?

7. Поздравляем! Вы начертили геодезический маршрут полета. Возможно, он пригодится какому-нибудь крошечному пилоту-насекомому.

8. А сейчас можете полакомиться вашей планетой.

Если Земля вращается с запаса на восток, то почему полеты на запад проходят не намного быстрее, чем на восток?

Потому что атмосфера Земли и все летящие в ней самолеты тоже вращаются с запада на восток, и это сводит на нет эффект движения планеты. Кроме того, под воздействием попутных и встречных ветров полеты на запад часто проходят медленнее, чем на восток.

— Самолеты тоже вращаются? Но почему тогда всех пассажиров не тошнит?

Суть в том, что на самом деле они не вращаются, а просто перемещаются вместе с вращающейся Землей. И точно также, как вы не чувствуете, что Земля вращается под вашими ногами, вы не замечаете вращения самолета, когда находитесь на его борту, и поэтому вас не тошнит.

— Вы меня запутали.

Ладно, давайте разберемся. Вот сейчас вы сидите, стоите или лежите (в зависимости от того, как вам удобнее всего читать) и никуда не идете, не едете и не летите. Другими словами, вы не двигаетесь. Правильно?

— Правильно.

А вот и неправильно. Если только вы не находитесь прямо на Северном или Южном полюсе (а если так, то прошу прощения), то вы сидите, стоите или лежите на месте, которое уже двигается. Место, которое вы сейчас занимаете, все время вращается вокруг центра Земли, совершая один полный оборот за сутки, потому что планета вращается вокруг своей оси. Если вы располагаетесь где-нибудь в районе экватора, скажем, в Сингапуре или Эквадоре, то за 24 часа такого вращения вы покрываете дистанцию в 40 тысяч километров, двигаясь со скоростью больше 1600 км/ч! Чем дальше вы находитесь к югу или северу от экватора (который является самой толстой частью планеты и поэтому имеет самую большую протяженность), тем меньшее расстояние вам приходится преодолевать, и тем меньше становится ваша скорость. Но факт остается фактом. Даже если вам кажется, что вы сидите неподвижно, в действительности вы несетесь вокруг центра планеты с умопомрачительной скоростью.

— Но почему я этого не ощущаю?

Просто потому, что вы движетесь с постоянной скоростью, и ничто не проносится мимо, чтобы вы смогли осознать, что не стоите на месте. Нечто подобное происходит в движущемся поезде. Пока он не начнет увеличивать или замедлять скорость, вы можете сидеть, стоять или даже ходить по вагону и вообще забыть о том, что куда-то едете. Правда, эффект мгновенно исчезнет, если вы выглянете в окно и увидите, как проносятся мимо деревья и дома, или откроете окно и в купе ворвется поток воздуха.

Если сейчас вы неподвижно стоите на земле, то вас и расположенные вокруг деревья, дома и воздух прижимает к поверхности планеты одна и та же сила — сила тяжести. Вам кажется, будто вы и вся окружающая обстановка неподвижны, хотя в действительности все несется вокруг земной оси — с одной и той же постоянной скоростью. Так проявляется в реальности физический принцип относительности движения. Применительно к данной ситуации вам достаточно знать, что относительным движением называется перемещение тела с некоторой скоростью по отношению к какому-то другому телу, которое служит точкой отсчета. И когда вы стоите на месте, то скорость вашего перемещения относительно планеты под вашими ногами равна нулю, то есть по отношению к Земле вы не двигаетесь и можете преспокойно игнорировать тот факт, что на самом деле вы куда-то несетесь вместе с ней.

— Хорошо, но как применить этот принцип к самолетам и другим летательным аппаратам? Ведь когда на самолете или вертолете мы поднимемся в воздух, то уже не будем находиться на Земле, правильно? И если Земля вращается так быстро, то почему нельзя просто подняться в воздух на вертолете в Европе и повисеть на одном месте несколько часов, пока под нами не окажется Америка?

Прекрасная идея, но боюсь, что ничего не получится.

— Почему?

Если вертолет зависнет на месте (вместо того чтобы полететь на север, юг, восток или запад), то он будет сохранять неподвижность по отношению к расположенной под ним Земле и к атмосфере вокруг него. А поскольку они, как нам известно, движутся с запада на восток с сумасшедшей скоростью, то и вертолет будет делать то же самое. Так что через семь часов он будет по-прежнему висеть над Европой (если к тому времени у него не закончится горючее).

— Да, полный пролет. А как насчет полета в Америку на самолете? Если Америка вращается с запада на восток, а мы полетим с востока на запад, тогда Америка и самолет будут двигаться навстречу друг другу, и добраться туда можно будет намного быстрее, не так ли?

Боюсь, что нет.

— Ну почему опять нет?!

Потому что, когда ваш самолет еще даже не начал разбег, а только выруливал на взлетную полосу, он уже двигался на восток с огромной скоростью, вместе со всей остальной Европой. А теперь предположим, что он взлетел и направился на запад со скоростью 500 км/ч. Эта цифра измеряется относительно европейского аэропорта, откуда он поднялся, американского аэропорта, куда он направляется, и атмосферы над Атлантическим океаном, через которую ему нужно будет пролететь. Но поскольку оба аэропорта тоже перемещаются с запада на восток со скоростью гораздо большей, чем 500 км/ч, то это означает, что самолет, в сущности, тоже движется с запада на восток, только на 500 км/ч медленнее, чем аэропорты и атмосфера!

Если все это звучит как полная белиберда (на мой взгляд, так оно и есть!), то можно принять в расчет только относительное движение и игнорировать тот факт, что самолет, Земля и атмосфера вращаются с запада на восток. Давайте взглянем на ситуацию так: когда самолет стоит на взлетной полосе, его скорость относительно аэропорта равна нулю. После взлета он направится в сторону американского аэропорта с относительной скоростью 500 км/ч. Поскольку скорость измеряется относительно аэропорта, то нам все равно, стоит этот аэропорт на месте или движется на восток. Значение имеет лишь то, что самолет преодолевает расстояние между двумя аэропортами со скоростью 500 км/ч. В итоге получится, что добираться туда ему придется от шести до десяти часов, потому что именно столько времени потребуется, чтобы пролететь это расстояние. Все, конец истории.

— Тогда получается, что полеты на запад и восток занимают одинаковое время?

Не совсем. Время в полете может оказаться разным, но это связано не столько с вращением Земли, сколько с направлением преобладающих ветров. Например, ветра над Атлантикой, между Америкой и Европой, как правило, дуют преимущественно с запада на восток (особенно на больших высотах, где формируются скоростные воздушные потоки, именуемые высотными струйными течениями). Поэтому, когда самолет летит на восток, ветер помогает ему лететь быстрее. Мы называем такой ветер попутным. Когда самолет летит на запад, ветер будет дуть ему в лоб и замедлять его движение. Такой ветер называется встречным. Благодаря встречным и попутным ветрам на многих хорошо освоенных воздушных трассах полеты на восток часто занимают меньше времени, чем в обратном направлении.

— Ну все, пора передохнуть. По ходу, у меня полная каша в голове. Думаю, надо чуток посидеть и все переварить.

Отличная мысль. Но помните, даже когда голова у вас перестанет кружиться, все остальные части вашего тела будут продолжать движение.

— Хорош издеваться.