Природа | другой взгляд

Почему воздушные змеи могут летать без двигателя? Кажется удивительным, что кусок ткани или бумаги, привязанный к тонкой верёвке, способен подняться высоко в небо без мотора, топлива и крыльев, как у самолёта. Но за этим скрывается красивая физика движения воздуха. Когда ветер встречает воздушного змея, поток разделяется. Часть воздуха проходит над его поверхностью, часть — снизу. Благодаря форме змея и углу, под которым он удерживается относительно ветра, возникает разность давлений. Одновременно поток воздуха отклоняется вниз. Согласно третьему закону Ньютона, воздух, получивший импульс вниз, создаёт ответную силу, направленную вверх. Именно она и удерживает змея в небе. Верёвка играет не менее важную роль. Она не просто соединяет человека со змеем, а задаёт правильный угол атаки. Если ослабить её слишком сильно, змей потеряет устойчивость. Если натянуть слишком резко, поток воздуха тоже может сорваться, и полёт станет неуправляемым. Интересно, что современные инженеры используют похожие принципы при создании некоторых видов ветроэнергетических установок и экспериментальных летательных аппаратов, которые получают энергию от сильных воздушных потоков. Обычный воздушный змей — это отличный пример того, как несколько простых законов аэродинамики превращают ветер в подъёмную силу.

Почему самолёт оставляет белый след в небе? В ясный день за некоторыми самолётами можно увидеть длинную белую полосу, которая иногда исчезает через несколько секунд, а иногда остаётся на небе почти час. Многие принимают её за дым от двигателей, но это совсем не так. Реактивные двигатели при сгорании топлива образуют не только углекислый газ, но и большое количество водяного пара. На высоте около десяти километров температура воздуха может опускаться ниже −50 °C. Когда горячие выхлопные газы смешиваются с таким холодным воздухом, содержащийся в них водяной пар почти мгновенно конденсируется, а затем превращается в мельчайшие кристаллы льда. Именно эти кристаллы отражают солнечный свет, поэтому след кажется ярко-белым. Продолжительность его существования зависит от состояния атмосферы. Если воздух сухой, кристаллы быстро испаряются, и след исчезает. Если же на большой высоте воздух насыщен влагой, ледяные частицы могут сохраняться очень долго и постепенно превращаться в тонкие перистые облака. Таким образом, белый след за самолётом — это вовсе не дым, а искусственно созданное человеком миниатюрное облако, возникающее благодаря сочетанию горячего выхлопа и экстремально холодного воздуха.

Почему воздушный шар поднимается в небо? Когда огромный воздушный шар медленно отрывается от земли, кажется, будто он нарушает законы физики. На самом деле происходит прямо противоположное — он идеально им подчиняется. Всё начинается с обычного воздуха. Хотя мы его не замечаем, он имеет массу и оказывает давление на всё вокруг. Именно поэтому любое тело в воздухе испытывает выталкивающую силу, подобно тому как предметы в воде испытывают действие силы Архимеда. Если внутри оболочки шара находится горячий воздух, его плотность становится меньше, чем у окружающего холодного воздуха. При том же объёме он содержит меньше молекул и, следовательно, имеет меньшую массу. В результате общий вес воздушного шара оказывается меньше веса вытесняемого им воздуха. Возникает выталкивающая сила, которая начинает поднимать шар вверх. Чем выше поднимается шар, тем более разреженным становится окружающий воздух. Со временем выталкивающая сила уменьшается, и наступает момент, когда она уравновешивается весом шара. Тогда подъём прекращается. Тот же принцип используется и в шарах с гелием. Только вместо нагревания воздуха применяется газ, который сам по себе значительно легче воздуха.