Номер 4, страница 162, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Механика жидкостей и газов. Параграф 38. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 4, страница 162.

Условие.

• Откуда берётся подъёмная сила.

Решение.

Откуда берётся подъёмная сила.

Подъёмная сила — это сила, которая действует на тело, движущееся в потоке жидкости или газа, и направлена перпендикулярно вектору скорости потока. Именно эта сила позволяет летательным аппаратам, таким как самолёты, преодолевать силу тяжести и держаться в воздухе. Её возникновение объясняется совокупностью законов аэродинамики, в первую очередь, законом Бернулли и третьим законом Ньютона.

Ключевым фактором для создания подъёмной силы является разница давлений воздуха на нижнюю и верхнюю поверхности крыла. Давление воздуха под крылом оказывается выше, чем давление над ним. Эта разница давлений ($Δp$) создаёт результирующую силу, направленную вверх.

Существует два основных, дополняющих друг друга, объяснения этого явления:

1. Объяснение на основе закона Бернулли. Крыло самолёта имеет специальный аэродинамический профиль: его верхняя поверхность более выпуклая и, следовательно, длиннее, чем нижняя, которая является более плоской. Когда воздух обтекает крыло, частицам воздуха, проходящим над крылом, приходится преодолевать больший путь за то же время, что и частицам под крылом. Следовательно, скорость потока воздуха над крылом ($V_{верх}$) выше, чем под ним ($V_{нижн}$). Согласно уравнению Бернулли, в областях с большей скоростью потока давление ниже. Таким образом, над крылом создаётся зона пониженного давления, а под ним — повышенного. Эта разница давлений и порождает подъёмную силу.

2. Объяснение на основе законов Ньютона. Крыло самолёта всегда расположено под некоторым небольшим углом к набегающему потоку воздуха. Этот угол называется углом атаки ($α$). Из-за такой ориентации и своей формы крыло в процессе движения отбрасывает набегающий поток воздуха вниз. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Отклоняя массу воздуха вниз (действие), крыло испытывает со стороны воздуха равную по силе реакцию, направленную вверх (противодействие). Эта сила реакции и есть подъёмная сила.

Величина подъёмной силы ($\text{Y}$) зависит от нескольких ключевых параметров и рассчитывается по формуле:

$Y = C_y \cdot \frac{\rho V^2}{2} \cdot S$

где:
$C_y$ — коэффициент подъёмной силы (безразмерная величина, зависящая от формы профиля крыла и угла атаки);
$\rho$ — плотность воздуха;
$\text{V}$ — скорость полёта;
$\text{S}$ — площадь крыла.

Из формулы видно, что подъёмная сила пропорциональна квадрату скорости, поэтому для взлёта самолёту необходимо набрать достаточную скорость разбега.

Ответ: Подъёмная сила возникает из-за разницы давлений воздуха над и под крылом самолёта. Благодаря специальной выпуклой форме верхней поверхности и углу атаки, воздух над крылом движется быстрее, чем под ним. Согласно закону Бернулли, это создаёт область пониженного давления сверху и повышенного снизу. Одновременно, по третьему закону Ньютона, крыло отбрасывает воздух вниз, получая в ответ от воздуха равную по силе реакцию, направленную вверх. Совокупность этих эффектов и создаёт подъёмную силу.