правила есть одно очень серьезное исключение, которое описал в 1738 г. голландский математик Даниил Бернулли, и именно благодаря этому исключению птицы — и самолеты — умудряются держаться в воздухе.
Исключение Бернулли имеет отношение к текучей среде, и проще всего продемонстрировать его не на воздухе, а на воде. (Поясним: хотя вода намного плотнее воздуха, и то и другое — текучие среды: и воздух, и вода подчиняются одним и тем же физическим законам.) Итак, включите на даче воду и возьмите шланг для полива. Теперь выберите место на шланге и начинайте потихоньку сжимать. На этот раз: чем сильнее сдавлен шланг, тем проще сжимать его дальше!
Вот что здесь происходит. Нечто — в данном случае насос, поддерживающий давление в вашем шланге, — придает воде энергию, необходимую для прохода через шланг. Часть этой энергии тратится на движение вперед, а часть толкает воду на стенки шланга и создает давление. (Если проткнуть шланг, вода начнет фонтанировать через отверстие.) Расход воды постоянен: в любом месте шланга через его поперечное сечение в единицу времени пытается пройти равное количество воды. Если вы начинаете сжимать шланг, воде приходится двигаться быстрее, чтобы миновать узкое место. На движение вперед используется больше энергии воды — а значит, на расталкивание стенок шланга ее остается меньше. Сожмите шланг, и давление воды на его стенки
Предлагаю не вдаваться в дальнейшие подробности, а сразу рассмотреть сечение крыла. (Это может быть крыло самолета или птицы — неважно: они оба работают одинаково.) Воздух, проходящий на диаграмме слева направо, натыкается на крыло. Крыло сжимает воздух, который проходит над ним. Воздух движется быстрее, чтобы скомпенсировать сжатие, и давление на верхнюю поверхность крыла падает. Самолеты и птиц засасывает в воздух.
Ну и хватит о горизонтальном полете в безветренный день. Что происходит, если дует порывистый ветер? Что, если воздух над левым крылом дует сильнее, чем над правым? Как мы остаемся на ровном киле в условиях реального, непредсказуемого, постоянно движущегося воздуха? Понять это поможет картонка Уилбура.
Если вы будете постепенно загибать переднюю кромку вашего крыла вниз, воздух над крылом будет сжиматься все больше; давление на крыло будет падать, а крыло станет подниматься. Если в то же время вы постепенно поднимете переднюю кромку второго крыла, оно будет меньше сжимать воздух над ним, и крыло пойдет вниз. Орвилл и Уилбур доказали это теоретическое положение, прикрепив к коробчатому воздушному змею фалы, позволяющие изгибать его как изгибал Уилбур ту памятную картонную коробку. Все получилось. Потянув за фал можно было заставить змея переворачиваться на ту или иную сторону. Позже технология «крутки крыла» в сочетании с подвижным вертикальным рулем позволила машинам Райтов поворачивать в воздухе с изяществом и невероятной легкостью… Но я забегаю вперед.
Опыты с воздушными змеями братья начали в 1899 г., но им вечно не хватало ветра. Уилбур написал в Метеобюро США и получил ответ: лучше всего перенести эксперименты на Китти-Хоук — узкий песчаный остров, протянувшийся вдоль побережья Северной Каролины.
В конце сентября 1900 г. Орвилл Райт написал сестре: «Мы, конечно, не можем жаловаться на здешние условия. Мы приехали сюда в поисках ветра и песка, и мы их получили». Вместе с ветром и песком братья получили полчища комаров. Приезд на остров «стал началом самого ужасного существования, какое мне когда-либо приходилось терпеть, — жаловался Орвилл. — Они жрут нас прямо сквозь белье и носки. По всему моему телу вспухли следы от укусов, размером с куриные яйца». Но этого мало. На острове почти не было домов, и ни в одном из имеющихся им не удалось снять жилье, так что братья жили в палатках.
Сначала братья пробовали запускать свои крылья с четырехметровой лебедки, но ветра на острове оказались такими сильными и порывистыми, что вскоре они забросили башню с лебедкой и стали управлять крыльями прямо с земли, как обычными воздушными змеями. К концу 1902 г. Орвилл и Уилбур стали умелыми и опытными пилотами своего планера-прототипа. Оба они неоднократно взлетали на нем с верхушки ближайшего небольшого холма под названием Биг-Килл — Девил-Хилл, и каждый раз планер уносил их на сотню метров. Пора было добавлять мотор.
Братья решили построить собственный сверхлегкий двигатель и поручили эту задачу Чарльзу Тейлору, молодому механику из их велосипедной мастерской. Тейлор прекрасно справился. Он снял с машины все, что можно было снять, до последней унции. Позже он вспоминал: «Я выточил коленчатый вал из цельной стальной болванки весом больше ста фунтов (45 кг). Когда я закончил, готовая деталь весила около девятнадцати фунтов (8,6 кг)». Четырехцилиндровый двигатель Тейлора передавал движение на два винта противоположного вращения при помощи велосипедных цепей. Райты подсчитали, что два медленно вращающихся винта будут эффективнее одного быстро вращающегося; кроме того, они сделали так, чтобы винты вращались в противоположных направлениях и не заставляли крутиться раму.
Пока Тейлор работал над созданием двигателя, братья занимались винтами. Сделать их оказалось гораздо сложнее, чем представлялось. Братья считали, что можно будет взять готовые расчеты и чертежи судовых винтов и приспособить их таким образом, чтобы получился идеальный винт для воздуха. Однако выяснилось, что никто никогда не занимался анализом формы винтов; они просто эволюционировали за десятки лет использования! Райтам ничего не оставалось, кроме как самим приняться за расчеты.
Воздушный винт представляет собой что-то вроде вращающегося крыла. Он создает вакуум перед лопастями и зону повышенного давления позади. Но дело очень усложняется тем, что, как жаловался Орвилл, «ни винт, ни среда, в которой он работает, ни секунды не остаются в покое».
Представьте, что вам нужно вычислить скорость каждой точки на лопасти винта, но вы не знаете, с какой скоростью на самом деле будет вращаться двигатель или хотя бы какой длины нужно делать лопасти винта! В конце концов, после бесчисленных долгих и горячих споров, после множества бессонных ночей у братьев получились винты поразительной красоты, каждая лопасть выглядела естественно, словно отполированный водой сплавной лес.
