Глава 8 Почему летают воздушные змеи

Глядя на парящего в воздухе воздушного змея, оператор, то есть человек, запускающий его, может быть, захочет узнать, отчего это происходит. Ведь змей тяжелее воздуха, и тот не поддерживает его, как вода поддерживает лодку. Более того, воздушный змей обладает способностью подниматься в воздух, словно аэроплан. Он то подастся назад, то нырнет вниз, и в обоих случаях важную роль играет линь, на котором его запускают. Если линь подтянуть на себя, то змей немного поднимется. Если побежать, одновременно отпуская линь, то змея можно поднять еще выше. А после полета змей снова опускается на землю.

На воздушного змея действуют четыре силы, о которых стоит рассказать подробнее. Это – сопротивление, подъемная сила, сила тяжести и движущая сила. Можно сказать, что змей летает благодаря взаимодействию всех этих сил. Но рассмотрим все их по порядку.

Первая – сила сопротивления. Это означает, что воздух оказывает сопротивление любому движущемуся в нем телу. В этом можно убедиться на простом примере. Возьмите лист картона, придайте ему горизонтальное положение и поводите им из стороны в сторону. Лист легко перемещается сквозь воздух, встречая лишь небольшое сопротивление. А теперь используйте картон как веер, придав ему вертикальное положение. И вы тут же почувствуете разницу. Появилось явное противодействие движению листа, когда воздух действует словно тормоз.

Сопротивление воздуха легко ощутить во время бега. Даже в тихий день можно почувствовать, как вас обтекает воздух, а в ветреный день ветер становится серьезным препятствием, и, чтобы преодолеть его, пешеходу приходится прилагать определенные усилия.

На этих примерах видно, как движущийся объект рассекает воздух, словно лодка рассекает воду. Воздух создает сопротивление движению объекта, тормозя его. Он будто «прилипает» к поверхности предмета, стараясь замедлить и даже остановить его движение, другими словами, преодолеть силы, которые движут предметом.

Но существует сила, направленная вверх. В этом можно легко убедиться. Положите на стол лист писчей бумаги и подуйте поверх стола. Бумага приподнимется и двинется вперед. Подобным образом ученый Джордж Кейли демонстрировал подъемную силу воздуха. Эта сила движет летящим по воздуху листом, обрывком бумаги, поднимающимся самолетом или воздушным змеем.

Каждый, кто запускал воздушного змея, использовал эту силу для того, чтобы не дать змею упасть на землю. Сначала оператор кладет змея на землю, потом берет в руки линь и бежит против ветра. Змей отрывается от земли. Медленно, если угол наклона невелик, и гораздо быстрее, если угол подобран правильно. Кроме того, если змея обдувает ветер, то над его верхней частью создается некоторое разряжение. Это помогает змею подниматься более уверенно. Благодаря возникновению вакуума змей может парить в воздухе, словно парус.

Из сказанного следует, что змей может летать только тогда, когда расположен под углом к направлению ветра. Другими словами, чтобы взлететь, змей должен находиться под углом по отношению к потоку воздуха. Этот угол называется углом атаки или углом подъемной силы. Если змей занимает положение близкое к вертикальному, то увеличивается сопротивление воздуха и увеличивается подъемная сила. Наоборот, когда змей располагается почти горизонтально, то подъемная сила убывает, и змей не поднимается.

Все это можно легко доказать. Пусть змей летит при легком ветерке. Он стремится занять вертикальное положение, почти не поднимаясь вверх. Потом змей сделает несколько ныряющих движений, стремясь упасть на землю.

При сильном ветре змей быстрее поднимается вверх. Причиной этому служит то, что при сильном ветре и большом натяжении линя змей занимает наклонное положение и его подъемная сила возрастает.

Но если по каким-то причинам змей не может занять правильное положение и угол атаки становится слишком мал, полет будет отличаться неустойчивостью, и если положение не улучшится, то змей пойдет вниз.

Теперь следует поговорить о силе тяжести. Воздушный змей стремится вниз благодаря своему весу. Змей тяжелее воздуха, и необходимы силы, чтобы преодолеть это препятствие. Прежде всего надо стараться сделать змея легким, насколько это возможно. Змей, сделанный вопреки этим правилам, будет перегружен, подобно перегруженному самолету. И тем не менее, каким бы легким ни был змей, всегда найдется сила, стремящаяся переместить его вниз.

Это стремление обусловлено силой земного тяготения. Все предметы падают на землю, если их ничто не удерживает. Сама Земля притягивает их. И если бы не было этого притяжения, то все на Земле полетело бы в космос из-за силы, возникающей от вращения Земли. Сила притяжения действует на все и всех.

Теперь необходимо сказать о том, что мы называем центром тяжести. Это точка приложения силы тяжести. Или точка, вокруг которой сбалансирован вес тела. Центр тяжести можно найти, воспользовавшись правилами геометрии или экспериментальным путем. В качестве эксперимента можно взять стержень и положить его на опору. Уравновесив его, мы найдем центр тяжести, то есть точку, в которой приложена сила тяжести.

Но что касается парящего в воздухе воздушного змея, то все не так просто. Центр тяжести – это не только точка, в которой приложена сила притяжения, а также точка, где должны пересекаться линии действия всех других сил – подъемной силы, силы сопротивления и движущей силы. Чтобы этого добиться, надо тщательно уравновесить конструкцию змея. Если будет допущена ошибка, то змей будет нестабилен в полете. Чтобы привести все силы в одну точку, оператор может произвести наладку, например, утяжелить или облегчить хвост, изменить точку прикрепления линя. Хороший полет змея во многом зависит от такой регулировки.

Уже говорилось, что в полете на змея действуют три силы – сила тяжести, сила сопротивления и подъемная сила. Но есть и четвертая, о которой было упомянуто лишь вкратце, это – движущая сила. Сначала покажется удивительным, почему мы говорим о движущей силе, ведь у воздушного змея нет мотора. Но читатель тут же поймет, что движущая сила создается самим оператором и передается змею с помощью линя. Линь действует на воздушного змея как мотор, то есть передает усилие от оператора к самому змею.

Движущая сила эффективна лишь при натянутом лине. Представьте, что мы запускаем воздушного змея при слабом ветре и линь не натянут. Тогда змей будет перемещаться назад и падать вниз. Чтобы исправить это положение, оператор должен натянуть линь и побежать вперед. Это действие равносильно включению мотора. Отвечая на эту движущую силу, змей начнет подниматься вверх. Движущая сила заставляет змея принять такое положение, при котором сила сопротивления превращается в подъемную силу.

Чем больше отпускать линь, тем большее возникает сопротивление. И чем длиннее линь, тем больший вес передается на воздушного змея. В результате змей может начать падать вниз. Движение назад уменьшает угол атаки, и подъемная сила убывает. Это подтверждает, как важна движущая сила, передающаяся змею через линь.

Теперь можно кратко суммировать то, о чем говорилось в этой главе. Змей в полете – это объект, который находится под действием четырех сил, а именно: силы сопротивления, подъемной силы, силы земного притяжения и движущей силы. Сила сопротивления создается движением воздуха, который обтекает змея. Подъемная сила – это часть сопротивления, которая превращается в силу, направленную вверх. Сила притяжения обусловлена весом змея и приложена в точке, которую называют центром тяжести. Движущая сила сообщается змею линем, действующим как мотор. Эти силы действуют как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях – сопротивление и движущая сила в горизонтальной, а сила тяжести и подъемная сила – в вертикальной. Змей полетит, если линии действия всех этих сил пересекутся в центре тяжести змея. Иначе полет змея будет нестабильным, потому что силы будут приложены к разным его частям. Противоположно направленные силы должны иметь общую линию действия.

Чтобы выдержать эти требования, поверхность змея должна быть наклонена по отношению к ветру под правильным углом.

Змей должен быть также тщательно уравновешен. В связи с важностью балансировки теперь поговорим о ней.

Как было сказано, равновесие достигается правильным распределением веса вокруг центра тяжести, или, как его еще называют, центра масс. Чтобы соблюсти это требование, автор считает полезным провести следующую процедуру. Найдите точку равновесия змея по его основной рейке и отметьте ее карандашом. Это и есть центр тяжести, или центр масс.

Если змея опереть на эту точку, то он будет находиться в равновесии, и силы тяжести будут действовать одинаково на его правую и левую часть, то есть змей будет обладать так называемым продольным и поперечным равновесием. Теперь необходимо добиться, чтобы змей соблюдал это двойное равновесие в воздухе.

Прежде всего необходимо представить себе змея в полете. При обтекании змея воздухом создаются завихрения, из-за которых полет становится неустойчивым. Так, например, змей может «нырять» вперед и назад. Это означает, что он не обладает продольным равновесием. Чтобы исправить этот недостаток, надо привязать линь в нужном месте. Продольное равновесие восстанавливается, если привязать линь чуть выше центра тяжести, и змей хорошо держится в воздухе.

Может возникнуть и другая проблема. Под сильными потоками воздуха змей может начать раскачиваться из стороны в сторону. Это означает, что у него плохое поперечное равновесие. Этот дефект можно устранить, придав змею очертания правильного двугранного угла относительно основной рейки. В самолете это угол между горизонтальной поверхностью и фюзеляжем. Если посмотреть на самолет спереди, то видно, что его крылья напоминают очертание буквы V. В воздушном змее такой двугранный угол можно получить, подгибая поперечные рейки. Если змей кренится на одну сторону, то это значит, что ветер старается опустить ее, а другую сторону, наоборот, поднять. И змей будет поворачиваться, пока не достигнет равновесия. Поперечное равновесие может быть достигнуто, если соответствующим образом прикрепить линь к змею, сместив точку крепления немного в сторону.

Продольное и поперечное равновесие можно проиллюстрировать на таком примере. Если положить на обе чаши весов одинаковый вес, а потом нажать на одну из них и отпустить, то рычаг весов установится в положении равновесия. Весы демонстрируют устойчивое равновесие, что означает, что тело стремится вернуться к нему, после того как оно будет нарушено внешним воздействием.

Есть еще одна особенность, о которой необходимо упомянуть. Это устойчивость в направлении полета змея. Без нее змей будет постоянно сбиваться с курса. Такие отклонения называют «рысканием». Устойчивости на курсе добиваются применением гибкого хвоста, который работает как руль лодки.

Итак, добиться отличного полета змея невозможно, если не следовать представленным здесь рекомендациям, указывающим правильное направление к желанной цели.

Все сказанное, несомненно, полезно, но оператору придется многому учиться на практике. Используя метод проб и ошибок, устраняя одну за другой все неисправности, можно добиться превосходных результатов.