Экранный эффект своими руками: измерить прибавку у самого пола

Что вообще происходит у поверхности

Крыло создаёт подъёмную силу, отклоняя поток вниз. На концах крыла воздух перетекает с нижней стороны на верхнюю, и сходят два вихря. На них уходит энергия — это индуктивное сопротивление, плата за сам факт того, что вы летите.

Близкая поверхность мешает вихрям развернуться и уменьшает скос потока. Плата падает — иногда очень заметно.

Определяющая величина здесь — отношение высоты полёта к размаху крыла, а не к чему-то ещё. Крыло размахом в метр «чувствует» землю с высоты около метра. Крыло размахом в двадцать сантиметров — с двадцати. Именно поэтому опыт надо ставить, думая в размахах, а не в сантиметрах.

Об инженерной стороне — в статье Экранопланы, о том, как этим пользуются животные, — в статье Полёт у самой воды.

Ловушка, в которую попадает почти каждый

Первое, что приходит в голову: запускать планёр с разной высоты и мерить, как далеко он улетит. Ниже запустил — дальше улетел, вот и экранный эффект.

Так делать нельзя, и результат получится бессмысленным.

Причина простая. Планёр, запущенный с высоты в метр, летит дольше — ему дольше падать. Значит, и пролетит он дальше, даже если никакого экранного эффекта не существует вовсе. А запущенный с двадцати сантиметров коснётся пола почти сразу.

То есть сама высота запуска влияет на дальность сильнее, чем измеряемое явление, и в противоположную сторону. Если мерить дальность, вы получите красивый убывающий график и уверенно докажете, что экранный эффект… вреден.

Это типичный смешанный фактор: два влияния наложились, и по одному числу их не разделить.

Как из неё выбраться

Мерить надо не дальность, а качество планирования:

K = дальность полёта ÷ высота запуска

Эта величина показывает, сколько метров вперёд планёр проходит на каждый метр снижения. Для данного аппарата в свободном воздухе она примерно постоянна — не зависит от того, с какой высоты вы его отпустили. Это свойство планёра, а не запуска.

А вот вблизи поверхности качество должно вырасти: сопротивление меньше, значит на тот же метр снижения приходится больше метров вперёд.

Поэтому график K в зависимости от высоты и есть ответ. Если K одинаково на всех высотах — эффекта не видно. Если на малых высотах K заметно выше — вы его измерили.

Задержитесь на этом. Приём «разделить на то, что мешает» — не хитрость ради этого опыта. Это основной способ, которым в физике вытаскивают слабый сигнал из сильной помехи, и он вам ещё пригодится.

Что понадобится

• Потолочная плитка из пенопласта либо тонкий плотный картон — на крыло и оперение
• Деревянная рейка или бамбуковая шпажка — фюзеляж
• Пластилин — балансировочный груз
• Резинка авиамодельная или широкая канцелярская, крючок — катапульта
• Рулетка от 10 метров, линейка
• Стопка книг или коробки — задавать высоту запуска
• Малярный скотч — отмечать точку старта

Сотня-другая рублей, если что-то придётся докупать.

Осторожно. Резинка под натяжением опасна для глаз. Работайте в защитных очках, запускайте только туда, где никого нет, и никогда не оттягивайте резинку в сторону людей.

Планёр: чем больше размах, тем лучше

Здесь есть тонкость, определяющая, получится опыт или нет.

Эффект зависит от высоты в долях размаха. Значит, у планёра с маленьким размахом придётся летать на неудобно малых высотах, где полёт длится доли секунды и мерить нечего.

Поэтому делайте большой размах и лёгкое крыло:

• размах 60–80 см, хорда 8–10 см — крыло длинное и узкое;
• фюзеляж 45–55 см;
• стабилизатор примерно 15 × 5 см, киль небольшой;
• масса как можно меньше — планёр должен лететь медленно.

Медленный полёт здесь не прихоть: чем медленнее, тем большую долю сопротивления составляет индуктивное — то самое, на которое влияет близость пола.

Обязательно измерьте размах и запишите. Все высоты дальше считаются в его долях.

Балансировка. Пластилином на носу добейтесь плавного полёта при спокойном броске рукой: без клевка и без задирания. Плохо сбалансированный планёр даст разброс, в котором утонет всё.

Порядок запусков

Катапульта. Резинку надо оттягивать каждый раз одинаково. Сделайте метку и держитесь её. Запуск — строго горизонтальный, вдоль ровного пола, в длинном коридоре или спортзале.

Высоты. Пять уровней, считая от пола до крыла планёра в момент старта. Для размаха 70 см разумно взять:

Последняя высота — контрольная: там эффект должен практически отсутствовать, и она задаёт точку отсчёта.

Число запусков — по десять на высоту. Пятьдесят полётов, около часа. Меньше нельзя: разброс у такого опыта велик, и по трём запускам вы измерите только собственную неаккуратность.

Что записывать. Для каждого полёта — высоту запуска и расстояние от точки старта до точки касания пола, в сантиметрах.

Что учесть.

• Только в помещении. Сквозняк сильнее измеряемого эффекта.
• Пол должен быть ровным и одинаковым по всей длине: ковёр и паркет ведут себя по-разному.
• Осматривайте планёр после каждого десятка: помятая кромка меняет всё.

Таблица для записи

Разброс считайте просто: наибольшее значение минус наименьшее.

Как понять результат

Постройте график: по горизонтали — высота в долях размаха, по вертикали — качество K.

Чего ждать. На больших высотах K выходит на постоянное значение — это качество планёра в свободном воздухе. По мере снижения высоты K должен расти, и заметно — начиная примерно с половины размаха.

Обязательно нанесите разброс. Возьмите наибольшее и наименьшее K в каждой серии и отметьте вертикальной чертой. Если черты соседних точек перекрываются, разницы между ними вы не измерили, как бы ни хотелось.

Это и есть главная проверка честности: вывод имеет право на существование, только если он больше разброса.

С чем сравнить

Есть простое приближение — формула Визельсбергера. Она оценивает, во сколько раз индуктивное сопротивление у земли меньше, чем вдали от неё:

σ = (16h/b)² ÷ [1 + (16h/b)²]

где h — высота, b — размах. Чем меньше σ, тем сильнее выигрыш.

И сразу оговорка, без которой этой таблице верить нельзя. Приближение построено для умеренных высот и теряет точность ниже половины размаха — то есть ровно там, где эффект становится заметным. Это признают и сами аэродинамики.

Более того, оба известных измерения на живых существах дали больше расчётного: у бурого пеликана экранный эффект снял 49% индуктивного сопротивления, а у водяной ночницы измеренная экономия мощности оказалась вдвое выше предсказанной теорией. Авторы работы по ночнице говорят об этом прямо и объяснения не предлагают.

Так что формула здесь — не эталон, а грубый ориентир. Если ваш результат окажется больше расчётного, это не обязательно ошибка опыта.

Что делать, если не получилось

Разброс перекрыл разницу. Самое частое. Причины по убыванию вероятности: неодинаковая оттяжка резинки, непостоянная высота старта, сквозняк, помятое крыло. Увеличьте число запусков и сделайте жёсткий упор для резинки.

K не растёт совсем. Проверьте размах: если он меньше 40 см, то даже с пола вы не попадаете в область, где эффект заметен. И проверьте, планирует ли аппарат вообще — если он летит по баллистической дуге, а не планирует, измеряется не то.

K растёт, но и на большой высоте тоже. Значит, высота влияет на что-то ещё — например, планёр не успевает выйти на установившийся режим при низком старте. Попробуйте увеличить длину разгона.

Отрицательный результат — тоже результат. Запись «разница не обнаружена при таком-то разбросе» научно осмысленна и честна. Подгонка данных под ожидаемое — нет.

Остриё науки

Почему у животных получается больше расчётного. Вопрос открытый. Возможное объяснение: теория выведена для неподвижного крыла, а птица и летучая мышь машут. Взаимодействие машущего крыла с близкой поверхностью — область, где расчёт из первых принципов сегодня невозможен.

Где точная граница. Простое приближение известно тем, что плохо работает как раз при малых высотах. Точных общих формул для этой области нет — есть численный расчёт для конкретной геометрии.

Чего не умеет техника. Экраноплан пользуется близостью поверхности, но энергии у неё не берёт. Пеликан вдобавок снимает энергию с восходящего потока бегущей волны, экономя ещё 60–70% сверх экранного эффекта. Машины, которая так умеет, не построено.

Читать дальше

→ Экранопланы: КМ, ВВА-14 Бартини и критерий устойчивости Иродова → Полёт у самой воды: измеренная экономия у пеликана, водореза, ночницы и летучих рыб → Планёр изменяемой стреловидности: та же катапульта, другая задача → Крыло в потоке: теорема Жуковского и подъёмная сила