Как работают винты на лодках и самолетах?

Если вы хотите двигаться вперед, вам нужно отталкиваться назад; этот фундаментальный закон физики был впервые описан в 18 веке сэром Исааком Ньютоном и
актуален и сегодня. Третий закон движения Ньютона (иногда называемый «действием и
противодействием») не всегда очевиден, но он является сутью всего,
что движет нас по миру. Когда вы идете по улице, ваши ноги отталкиваются
от тротуара, чтобы вы двигались вперед. В автомобиле колеса
делают что-то похожее, когда их шины отталкиваются от
дороги. Но как насчет кораблей и самолетов, приводимых в движение винтами? Они тоже используют третий закон Ньютона, потому что винт тянет или толкает вас
вперед, выбрасывая за собой массу воздуха или воды. Как именно
это работает? Почему он такой странной формы? Давайте рассмотрим
подробнее!

Фото: Большинство винтов имеют две, три или четыре лопасти; этот винт Hamilton Sundstrand NP2000,
установленный на самолете ВМС США E-2C+ Hawkeye, имеет восемь лопастей, что повышает безопасность и упрощает обслуживание. Они изготовлены из прочных композитных материалов, установленных на цельной стальной ступице.
Фото предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Как работает пропеллер?

Пропеллеры, часто сокращенно называемые «реквизитами», иногда называют
винтами — и легко понять, почему. Чтобы вставить винт в стену, вы прикладываете
вращательное усилие по часовой стрелке к головке отвертки. Спиральная
канавка (иногда называемая винтовой резьбой) на поверхности винта
преобразует вращательное усилие в толкающую силу, которая вбивает винт
в стену и удерживает его там. Но предположим на мгновение, что вы
хотите продолжать…

На фото: Пропеллер похож на отрезанный винт и работает примерно так же: он преобразует вращательное движение двигателя в поступательную силу (тягу), которая двигает вас по небу.

Если бы вы были жуком и хотели бы пробраться сквозь бесконечно длинную деревянную стену,
вы могли бы использовать резьбу на внешней стороне вашего тела, чтобы сделать это.
Вам не нужен был бы винт, проходящий по всей длине вашего
тела: вы могли бы обойтись всего лишь небольшой резьбой на своей головке — своего рода
колпачком — чтобы вгрызться в дерево перед вами. Теперь представьте, что вы
муха, а не жук, и хотите пройти сквозь воздух, а не
сквозь дерево. Нет никаких причин, по которым вы не могли бы использовать резьбу
точно так же, чтобы тянуть себя по небу. По сути, вы были бы
мухой с пропеллером — и это примерно то, чем
были первые самолеты. Самолеты поднялись в небо, когда братья Райт
придумали, как объединить пропеллеры с двигателем и крылья, чтобы
они могли двигаться вперед и вверх одновременно.

Пропеллер — это машина, которая двигает вас вперед через текучую среду (
жидкость или газ), когда вы ее вращаете. Хотя он работает так же, как винт,
выглядит немного иначе: обычно он имеет две, три или четыре закрученные
лопасти (иногда больше), торчащие под углом от центральной ступицы, вращаемой
двигателем или мотором.
Повороты и углы действительно важны.

Фото: Крепление пропеллера к двигателю, который его приводит в действие. Вы можете видеть, что четыре лопасти установлены под углом и скручиваются по всей длине.
Фото Джиллиан Лотти предоставлено ВМС США и опубликовано на
Flickr
как работа правительства США.

Почему у пропеллера лопасти расположены под углом

Лопасти винта крепятся к ступице под углом, так же как резьба на винте
образует угол с валом. Это называется шагом (или углом наклона)
винта, и он определяет, насколько быстро он перемещает вас вперед, когда
вы его поворачиваете, и какую силу вам приходится использовать в этом процессе. Иногда (и это может сбивать с толку) расстояние, на которое винт перемещает вас вперед, когда он совершает один полный оборот, также называется его шагом,
но легко увидеть, что угол лопастей и то, насколько далеко они перемещают вас вперед за один оборот, связаны.

Пропеллеры выглядят как винты, так как же они связаны?
Винт преобразует вращательное движение вашей руки в поступательное движение, которое вкручивает корпус винта
(и все, к чему он прикреплен) прочно в стену. Угол резьбы на винте определяет,
какое усилие вам нужно приложить, чтобы его повернуть. Винт с крутой резьбой (и меньшим количеством витков по
его длине) будет сложнее повернуть, но он быстрее войдет в стену, в то время как винт с мелкой резьбой (и большим количеством витков по его длине) легче вращать, но вам придется повернуть его больше раз, чтобы вкрутить. Если вы находите винты запутанными, представьте себе винт, стоящий вертикально на своем плоском конце (как на фотографии выше) и представьте, что вы муравей, идущий по резьбе снизу вверх, так что резьба похожа на зигзагообразную тропинку, петляющую по склону холма. Чем плавнее извивается тропинка (чем мельче резьба), тем легче по ней подниматься (тем меньше силы нужно приложить вашему телу), но тем дальше вы будете идти и тем больше времени это займет. Подобно шестерням, блокам и рычагам, винты являются примерами простых машин — устройств, которые умножают (или иным образом преобразуют) силы.

Пропеллеры похожи на винты, но не совсем такие же, потому что они выполняют совершенно другую работу. Цель винта — удерживать что-то вроде полки на стене и минимизировать количество силы, необходимой для ввинчивания ее в твердый материал, такой как дерево или гипсокартон; у винта движущая сила практически постоянна. Но цель винта самолета — создавать большую или меньшую тягу (движущую силу) в разных точках полета (например, во время взлета или устойчивого крейсерского полета). Угол лопастей винта, его общий размер и форма влияют на тягу, как и скорость двигателя. Другое отличие заключается в том, что в то время как винт движется в простой, твердый материал и встречает более или менее постоянную силу сопротивления, винт движется в жидком воздушном потоке, и есть множество дополнительных факторов, которые следует учитывать. Например
, хотя винт создает тягу, чтобы двигать вас вперед, он также создает сопротивление, которое имеет тенденцию сдерживать вас и замедлять вас, и величина сопротивления, которое он создает, зависит от угла лопастей.
Подобные вещи делают пропеллеры гораздо более сложными, чем простые шурупы по дереву!

Фото: Этот электрический настольный вентилятор (мы смотрим сверху вниз) имеет лопасти, установленные под углом к ​​центральному валу двигателя, как у пропеллера. Лопасти имеют большую площадь, как у морских винтов, потому что они предназначены для перемещения большого объема воздуха при относительно низкой скорости двигателя. Вы не хотите, чтобы вентилятор вращался слишком быстро и скользил по вашему столу. В отличие от пропеллера самолета, сопротивление не является проблемой, поэтому не имеет значения, насколько велики лопасти.

Почему у пропеллера лопасти искривлены

Еще одно усложняющее различие между винтами и пропеллерами заключается в том, что лопасти пропеллера
не только наклонены, но и скручены: в то время как у винта постоянный шаг, шаг лопасти пропеллера
меняется по всей длине. Он самый крутой у ступицы (в
центре) и самый пологий у кончика (внешний край).

Вот почему. Посмотрите сбоку на пропеллер самолета, и вы увидите, что он напоминает
аэродинамический профиль (крыло с изогнутой верхней частью и
плоским низом). Аэродинамическое крыло создает подъемную силу в основном за счет ускорения воздуха
вниз, и оно работает наиболее эффективно, когда оно слегка наклонено
назад, чтобы создать то, что называется углом атаки
с горизонталью.
(Подробнее об этом читайте в нашей основной статье о самолетах.)
Теперь предположим, что вы берете два аэродинамических крыла, устанавливаете их по обе стороны от колеса и вращаете
его. Поворачивайтесь достаточно быстро, с крыльями под правильным углом, и
вместо создания подъемной силы вы создадите эффект завинчивания и обратную силу, которая
толкает вас вперед. Это фактически то, как работает пропеллер.

Фото: Лопасти пропеллера имеют форму аэродинамических крыльев, расположены под углом к ​​ступице
и закручены так, что создают постоянную тяговую силу по всей своей длине (см. рисунок ниже).
Фото Эдуардо Сарагосы предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Различные части винта движутся с разной скоростью: кончики лопастей движутся
быстрее, чем части, ближайшие к ступице. Чтобы гарантировать, что винт создает постоянную силу (тягу) по всей своей длине, угол атаки должен быть разным в разных точках вдоль лопасти — больше около ступицы, где лопасть движется медленнее всего, и меньше около кончиков, где лопасть
движется быстрее всего, — и именно поэтому лопасти винта скручены.
Без скручивания винт создавал бы разную величину тяги
на ступице и краях, что подвергло бы его большой нагрузке.

Рисунок: Лопасти движутся медленнее всего ближе к ступице (маленькая желтая стрелка),
поэтому секции аэродинамического профиля (оранжевые) там круче. Кончики лопастей движутся намного быстрее
(большая желтая стрелка), поэтому секции аэродинамического профиля там мельче, чтобы компенсировать это.
Рисунок нарисован на фотографии Эдуардо Сарагосы, любезно предоставленной
ВМС США и
Wikimedia Commons.

Изменяемый шаг

Простые воздушные винты на небольших самолетах (например, легких учебных судах) имеют лопасти, постоянно закрепленные под определенным углом к ​​ступице, который никогда не меняется; поэтому их называют воздушными винтами с фиксированным шагом .

Однако оптимальный угол наклона лопастей винта меняется в зависимости от того, что делает самолет.

Когда лопасти находятся под небольшим углом к ​​набегающему воздуху (малый или низкий шаг), они создают меньшее сопротивление (сопротивление воздуха),
поэтому винт может вращаться быстрее и вырабатывать больше мощности, что вам и нужно при взлете.
Во время крейсерского полета все наоборот, и более крутые лопасти (большой шаг) работают лучше.
Обычно винты с фиксированным шагом оптимизированы либо для крейсерского полета, либо для набора высоты. Крейсерские винты имеют больший шаг (более крутые лопасти) и, как следует из их названия, работают наиболее
эффективно, когда самолет долго несется на крейсерской скорости;
они менее эффективны во время взлета и набора высоты.
Подъемные винты имеют меньший шаг (мелкие лопасти) и обеспечивают лучшую производительность при наборе высоты и взлете,
хотя они не так хороши для крейсерского полета. Вы можете видеть, что винты с фиксированным шагом должны работать неэффективно довольно много времени, но, в их защиту, они механически просты,
а потому легки, надежны и дешевы.

Фото: Большие самолеты могут изменять угол лопастей своих винтов
во время полета с помощью зубчатых механизмов, подобных этому. Это одна из четырех ступиц винтов большого
самолета C-130H Hercules, проходящего техническое обслуживание на земле. Фото Роберта Барни предоставлено ВВС США.

Более крупные и сложные самолеты оснащены винтами изменяемого шага ,
которые выпускаются в трех основных вариантах.

1. Шаг винтов с регулируемым шагом можно изменять,
   регулируя самолет, когда он находится на земле, но не во время полета,
   поэтому их иногда называют винтами с регулируемым шагом на земле.
2. Воздушные винты с изменяемым шагом могут регулироваться пилотом во время полета,
   как правило, с помощью гидравлического механизма.
3. Винтовые винты с постоянной скоростью имеют автоматизированные гидравлические механизмы, которые изменяют шаг лопасти
   по мере необходимости, позволяя винту всегда вращаться с одной и той же (постоянной) скоростью,
   что помогает двигателю эффективно вырабатывать мощность независимо от того, что делает самолет
   или как быстро он движется.
   Вы можете увидеть несколько примеров на
   Wikimedia Commons: Винтовые винты с постоянной скоростью.

Самолеты с винтами изменяемого шага (включая истребители времен Первой мировой войны
) обладают еще одной полезной функцией: способностью флюгировать винты
в случае отказа двигателя. Флюгирование означает поворот
лопастей винта таким образом, чтобы они были обращены ребром, создавая очень небольшой угол к набегающему воздуху,
минимизируя сопротивление воздуха и позволяя самолету либо продолжать
полет на оставшихся двигателях, либо планировать к аварийной посадке. На некоторых
самолетах шаг лопастей может быть изменен на обратный, так что винт создает
тягу воздуха вперед вместо того, чтобы двигаться назад — удобно для
дополнительного торможения (особенно если основные тормоза
на колесах внезапно выходят из строя).

Почему воздушные винты самолетов и кораблей работают по-разному

Воздушные винты (иногда называемые «воздушными винтами»,
особенно исторически и в Британии) имеют толстые и узкие лопасти, которые вращаются с высокой
скоростью, тогда как корабельные винты имеют более тонкие, широкие лопасти, которые вращаются
медленнее. Хотя основная теория одинакова, воздушные и корабельные
винты оптимизированы для очень разных скоростей в очень разных
жидкостях — быстрее в воздухе, медленнее в воде — и винт, который
хорошо работает в одной среде, не обязательно будет работать так же хорошо (или вообще не будет) в другой.

Диаграмма: Вы можете подумать, что корабельные винты всегда больше, чем самолетные, но это не совсем так, как показывает эта диаграмма. Я выбрал пять примеров морских винтов (темно-синие) и пять авиационных винтов (светло-голубые) для сравнения. Самые маленькие настоящие винты, которые вы, скорее всего, найдете, — это те, что на подвесных моторах; самые большие — это роторы на больших самолетах, таких как Bell Boeing Osprey. Возможно, это удивительно, но даже гигантские корабли не имеют винтов таких больших, как на Osprey. Однако, как правило, чем больше корабль или самолет, тем больший винт (или винты) ему нужны.

Легко понять, почему существует разница, если вернуться к третьему закону Ньютона. Самый
простой способ представить себе пропеллер — это устройство, которое двигает
транспортное средство вперед, толкая воздух или воду назад. Сила, действующая на
движущуюся назад жидкость, равна силе, действующей на движущееся вперед
транспортное средство. Теперь сила — это также скорость изменения импульса чего-либо
, поэтому мы также можем рассматривать пропеллер как устройство, которое придает
кораблю или самолету импульс вперед, сообщая воздуху или воде равное
количество импульса назад. Морская вода примерно в 1000 раз плотнее
воздуха (на уровне моря), поэтому вам нужно переместить гораздо больше воздуха, чем воды,
чтобы произвести аналогичное изменение импульса.

Это одна из причин, по которой пропеллеры самолетов вращаются намного быстрее, чем пропеллеры кораблей. Другая
причина заключается в том, что самолетам обычно нужно быстро лететь (подъемная сила, создаваемая движением
быстрого воздуха над крыльями, уравновешивает силу
тяжести и удерживает их в небе), тогда как кораблям это не нужно: плавучесть
позволяет им плавать независимо от того, движутся они или нет. В то время как самолеты летают
исключительно по воздуху, помните, что корабли работают на сложном
интерфейсе между океанами и атмосферой, где волны усложняют жизнь
; подводным лодкам, которые работают в основном под водой, легче
в более спокойной воде. У кораблей есть мощные дизельные двигатели, которые
вращаются с высокой скоростью, поэтому их пропеллеры могли бы легко вращаться так же быстро, как и пропеллеры самолетов,
если бы это было то, что нам нужно. На практике пропеллеры работают наиболее
эффективно в воде на более медленных скоростях, поэтому у корабля есть коробка передач, которая преобразует мощность
от быстро вращающегося двигателя в гораздо более низкие скорости в пропеллере.

Материалы пропеллера

Фото: Корабельные винты изготавливаются из сплавов, таких как латунь, но не остаются такого цвета надолго! Этот новый винт был установлен на авианосце USS George Washington в 2005 году.
Его диаметр составляет 6,7 м (22 фута), а вес — около 30 тонн (33 тонны).
Фото Глена М. Денниса предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Раньше винты кропотливо вырезались из дерева, а теперь их, скорее всего, делают из более
предсказуемых материалов. Винты самолетов обычно изготавливаются из легких
алюминиевых или магниевых сплавов, полой
стали, деревянных ламинатов или
композитов. Судовые винты должны выдерживать коррозионное воздействие
соленой воды, поэтому их обычно изготавливают из медных сплавов, таких как латунь. Их
диаметр варьируется от примерно 15 см (6 дюймов) на небольших подвесных моторах до
9 м (30 футов) на самых больших в мире контейнеровозах.

Винты судов также разработаны для минимизации проблемы, называемой кавитацией ,
которая происходит, когда винт, работающий под большой нагрузкой (
например, слишком быстро вращаясь или работая слишком близко к поверхности), создает
область низкого давления. Пузырьки водяного пара образуются внезапно, а затем
лопаются рядом с лопастями винта, вызывая небольшие ямки на
поверхности и изнашивая ее.

Кто изобрел пропеллеры?

Вот краткий обзор нескольких ключевых моментов в истории гребных винтов:

• 3 век до н. э.: Идея использования винтов для перемещения предметов восходит к греческому
  ученому Архимеду, который придумал, как поместить длинный спиральный
  винт в цилиндр, чтобы он мог поднимать воду.
  Винты Архимеда,
  как их называют, до сих пор широко используются на фабриках для
  перемещения таких вещей, как порошки и гранулы. Они также являются ключевой особенностью
  сельскохозяйственных машин, таких как комбайны.
• XVI век н. э.: Леонардо да Винчи (1452–1519) набросал рисунок с направленным вверх гребным винтом
  в своем проекте вертолета, который он так и не построил.
• 1796: Американский изобретатель Джон Фитч создал первый простейший гребной винт в форме винта для парохода.
• 1836: Англичанин Фрэнсис Пти-Смит и шведско-американец Джон Эрикссон
  независимо друг от друга разработали современные гребные винты с лопастями для кораблей.
• 1903: Братья Уилбур и Орвилл Райт использовали закрученные пропеллеры в форме
  аэродинамических профилей, чтобы совершить первый полет с двигателем, положив начало современной эпохе воздушных путешествий.
• 1904–1905: Появились первые винты с изменяемым шагом, хотя их шаг можно было регулировать
  только на земле. Уильям Хейден подал патент на один из них в Соединенных Штатах в октябре 1904 года.
• 1924–1928: английские инженеры доктор Генри Селби Хеле-Шоу и Т. Э. Бичем изложили теорию гидравлически
  управляемого винта изменяемого шага. Практические модели появились несколько лет спустя.
• 1945–1949: Hartzell Propeller (первоначально называвшаяся Hartzell Walnut Propeller Company) стала пионером в
  использовании композитных материалов в пропеллерах. В 1978 году она представила первый серийный композитный пропеллер (для использования на испанском грузовом самолете CASA C-212 Aviocar).

Фото: Разработка эффективных пропеллеров была важной частью успеха братьев Райт в
подъёме в воздух в 1903 году. К 1908 году их самолёт был достаточно продвинут, чтобы предложить его американским военным для использования в войне. Выше: Вот самолёт Райт,
изображённый на военных испытаниях той осенью. К сожалению, один из пропеллеров раскололся во время полёта,
что привело к аварии, в которой Орвилл получил серьёзные травмы, а его пассажир погиб.
Ниже: Вот крупный план одного из пропеллеров и механизма, который его приводил в действие.
Обратите внимание, как пропеллер закручивается по всей длине. Вы также можете увидеть, как он приводится в движение двигателем
в центре с помощью цепной передачи, похожей на ту, что используется на велосипеде.
Неудивительно, на самом деле: братья Райт изначально были производителями велосипедов!
Фото предоставлено NASA на Commons.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Самолеты
• Реактивные двигатели
• Подвесные моторы
• Корабли и лодки

На других сайтах

• Винтовой двигатель на самолете Райт 1903 года: базовое введение в то, как братья Райт разместили винты на своем оригинальном самолете. Это из превосходного Руководства для начинающих по аэронавтике от NASA.
• Винты Райт 1903 года: краткий обзор научного подхода братьев Райт к проектированию винтов.

Книги

• Морские гребные винты и движение (четвертое издание) Джона Карлтона. Butterworth-Heinemann, 2018. Подробно рассматривает материалы и конструкцию гребных винтов, поток жидкости и механику движения по воде.
• Справочник по гребным винтам Дэйва Джерра. McGraw-Hill Professional, 2018. Менее теоретическое, это гораздо более простое и практичное руководство для владельцев лодок.
• Аэродинамика воздушных винтов: история, аэродинамика и эксплуатация воздушных винтов Фрэнка Хитченса. Эндрюс, 2015. Подробный обзор исторического развития и эксплуатации воздушных винтов.
• Теория и практика летных характеристик Аджоя Кумара Кунду, Марка А. Прайса, Дэвида Риордана. John Wiley, 2016. Полное руководство по процессу проектирования самолета, от аэродинамики и материалов до безопасности и оценки стоимости. Пропеллеры рассматриваются в главе 7.
• Трактат о винтовом гребном винте: с различными предложениями по улучшению Джона Борна. Лонгман, 1855. Интересная историческая книга о конструкции гребного винта середины 19 века. Первые 80 страниц или около того — это подробная история гребных винтов, восходящая к древним ветряным мельницам.
• Пропеллер самолета
  : Корпус воздушной авиации армии США, 1921. Устаревшее, но тем не менее интересное техническое руководство по проектированию и производству пропеллеров в начале 20-го века, включающее множество интересной практической информации о производстве
  деревянных пропеллеров. Это будет очень интересно, если вы экспериментируете с собственными пропеллерами.

Технические статьи

• Воздушный винт с изменяемым шагом, доктор Генри Селби Хеле-Шоу и Т. Э. Бичем, The Aeronautical Journal, том 32, выпуск 211, июль 1928 г., стр. 525–554. Доклад о винтах с изменяемым шагом от двух пионеров в этой области.

Патенты

Для более глубокого технического понимания попробуйте почитать патенты. Вот очень небольшая подборка, охватывающая корабельные и самолетные винты:

• Патент США 442,614: Морской гребной винт, Герман Док, 16 декабря 1890 г. Описывает направляющую, которую можно разместить вокруг гребного винта, чтобы максимально увеличить его тяговую силу.
• Патент США 794,010: Пропеллер Уильяма Б. Хейдена, 4 июля 1905 г. Ранняя конструкция воздушного винта изменяемого шага для самолета.
• Патент США 2,471,953: Система управления шагом лопастей воздушного винта, Джек Гамильтон, Curtiss-Wright Corp., 31 мая 1949 г. Электромеханическая система на основе регулятора для автоматического управления шагом лопастей.
• Патент США 2,500,382: Складной гребной винт Элтона Роули, 14 марта 1950 г. Ранний пример морского гребного винта, лопасти которого автоматически складываются для уменьшения сопротивления воды при остановке двигателя.
• Патент США 2,272,358: Воздушный винт самолета, Эдвард Штейнхаус, 10 февраля 1942 г. Объясняет принцип действия полого, обтекаемого винта.

Деятельность

• Сделайте вертолет для полета на Марс из бумаги: NASA JPL. Какие формы лопастей ротора наиболее эффективны для вертолета? В этом эксперименте вы проверите и узнаете!
• Эффективная конструкция пропеллера: Science Buddies. Экспериментируйте с разными пропеллерами и измеряйте их эффективность с помощью вольтметра.
• Сделайте деревянный пропеллер: Инструкции. Как вырезать свой собственный декоративный пропеллер.