Как работают парашюты | Наука о сопротивлении воздуха

Вы кричите в небе, надежно укрывшись в кабине реактивного истребителя
,
когда раздается внезапный громкий хлопок, и двигатель вибрирует и останавливается
. Ну, это просто здорово, не правда ли? Вот вы летите со скоростью
около 2000 км/ч (1200 миль в час), в нескольких километрах/милях над землей
, и ваш самолет выбрал именно этот момент, чтобы сломаться! Что
вы делаете? Катапультируйтесь как можно скорее, подождите, пока самолет улетит
, а затем ударьте по парашюту. Если повезет, вы
благополучно приземлитесь и доживете до следующего полета. Когда дело доходит до
спасения жизней, парашюты являются одними из самых простых и эффективных
изобретений. Как именно они работают? Давайте рассмотрим подробнее!

Фото: Традиционный круглый парашют. Хотя военные парашютисты все еще используют их,
для любительского дайвинга они уже в значительной степени устарели. Фото Криса Десмонда предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Как работает парашют в теории?

Подбросьте мяч в воздух, и рано или поздно он обязательно упадет на землю
. Это потому, что Земля притягивает все к себе силой
, называемой гравитацией. Вы, вероятно, изучали в школе, что
сила гравитации Земли примерно одинакова во всем мире (она немного различается
, но не так уж сильно) и что если вы сбросите тяжелый камень и легкое перышко с вершины
небоскреба, гравитация притянет их к земле с абсолютно одинаковой скоростью.

Фото: Теоретически разные предметы должны падать с одинаковой скоростью; на практике все немного сложнее.

Если бы не было воздуха, перо и камень упали бы на землю одновременно
. На практике камень достигает земли гораздо быстрее, не
потому что он весит больше, а потому что перо раскрывается и цепляется
за воздух при падении. Сопротивление воздуха (также называемое сопротивлением)
замедляет его.

Что вызывает сопротивление воздуха?

То, что воздух невидим, не означает, что его нет. Атмосфера Земли заполнена
молекулами газа, поэтому, если вы хотите двигаться по воздуху — пешком,
на машине, в самолете или свисая с парашюта, — вам придется отталкивать их с пути. Мы действительно замечаем это только тогда, когда движемся на скорости.

Сопротивление воздуха немного похоже на то, как вода давит на ваше тело
, когда вы находитесь в бассейне, за исключением того, что воздух невидим! Если вы спрыгнете с
трамплина или плюхнетесь на живот, неуклюжая форма вашего тела создаст большое
сопротивление и быстро остановит вас, когда вы врежетесь в воду. Но
если вы сделаете острую заостренную форму руками и грациозно нырнете, ваше тело
чисто рассечет воду, и вы продолжите быстро двигаться, когда войдете в нее. Когда вы прыгаете или плюхаетесь на живот,
ваше тело быстро замедляется, потому что вода не может достаточно быстро уйти с вашего пути.
Когда вы ныряете, вы плавно разделяете воду перед собой, чтобы ваше тело могло быстро скользить по ней. С парашютами нам нужен эффект замедления.

Если вы падаете с самолета без парашюта, ваше относительно компактное тело проносится
по воздуху, как камень; откройте парашют, и вы создадите большее
сопротивление воздуха, опускаясь к земле медленнее и безопаснее — гораздо
более похоже на перышко. Проще говоря, парашют работает,
увеличивая ваше сопротивление воздуха по мере падения.

Фото: Испытание сверхзвукового парашюта для марсохода NASA Perseverance в аэродинамической трубе. Фото предоставлено NASA.

Предельная скорость

Когда сила тянет что-то, она заставляет этот объект двигаться быстрее,
заставляя его набирать скорость. Другими словами, она заставляет объект ускоряться
. Как и любая другая сила, гравитация заставляет падающие
объекты ускоряться — но только до определенного момента.

Если вы выпрыгнете из самолета, ваше тело должно ускоряться на 10 метров в
секунду (32 фута в секунду) каждую секунду падения. Мы называем это ускорением 10 метров в секунду за секунду (или 10 метров в секунду в квадрате, для краткости, и записываем это так: 10 м/с/с или 10 м/с2). Если бы вы были достаточно высоко от земли, то примерно через полторы минуты (скажем, 100 секунд) вы бы теоретически
падали со скоростью около 1000 метров в секунду (3600 км/ч или 2200 миль в час), что
примерно так же быстро, как самые быстрые реактивные самолеты когда-либо летали!

Иллюстрация: Когда вы достигаете предельной скорости, направленная вверх сила сопротивления воздуха
в точности уравновешивает направленную вниз силу тяжести, и вы прекращаете ускоряться.

На практике этого просто не происходит. Примерно через 12 секунд вы достигаете скорости, при которой сила
сопротивления воздуха (толкающая вас вверх) увеличивается настолько, что
уравновешивает силу тяжести (тянущую вас вниз). В этот
момент нет чистого ускорения, и вы продолжаете падать с
постоянной скоростью, называемой вашей конечной скоростью. К сожалению,
конечная скорость падающего человека (с вытянутыми руками в классическом
положении свободного падения) составляет около 55 метров в секунду (200 км/ч или 125 миль в час), что все еще достаточно быстро, чтобы
убить вас, особенно если вы падаете с самолета!

Фото: 1) Свободное падение в теории: в этом тренировочном упражнении парашютист отрабатывает свободное падение, паря над огромным горизонтально установленным вентилятором. Сила воздуха, толкающего вверх, в точности равна весу прыгуна, тянущему его вниз, поэтому он парит в воздухе. Фото Гэри Л. Джонсона предоставлено
ВМС США и
Wikimedia Commons.

Фото: 2) Свободное падение на практике: на самом деле, это не воздух движется мимо вас — вы движетесь сквозь воздух — но физика остается прежней: как только вы достигаете предельной скорости, сила воздуха на вашем теле, толкающая вас вверх, в точности равна силе гравитации, тянущей вас вниз. Фото Эшли Майерс предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Насколько парашют замедляет вас?

Перья падают медленнее камней, потому что их конечная скорость ниже. Поэтому
еще один способ понять, как работает парашют, — это осознать
, что он резко снижает вашу конечную скорость,
увеличивая сопротивление воздуха при падении. Он делает это, раскрываясь
позади вас и создавая большую площадь поверхности материала с
огромным сопротивлением. Парашюты разработаны для снижения вашей конечной
скорости примерно на 90 процентов, чтобы вы ударялись о землю на относительно
низкой скорости, может быть, 5–6 метров в секунду (примерно 20 км/ч или 12
миль в час) — в идеале, чтобы вы могли приземлиться на ноги и уйти невредимым.

Какую форму имеют парашюты?

Фото: Квадратные парашюты «ram-air» гораздо более распространены, чем круглые, потому что ими легче управлять и контролировать. Фото Шеннона К. Кэссиди предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Традиционно парашюты были круглыми (куполообразными) и с их свисающими стропами немного напоминали медузу, когда они падали. У них были вентиляционные отверстия, через которые выходил воздух, что помогало им не раскачиваться при спуске, а их стропы обеспечивали очень простое управление.

Большинство современных парашютов имеют прямоугольную форму (конструкция, известная как ram-air ). Они имеют ряд ячеек, которые надуваются, когда воздух «влетает» в них, поэтому они образуют довольно жесткое, изогнутое крыло аэродинамического профиля, которое гораздо более управляемо и контролируемо, чем куполообразный парашют.

Круглые парашюты по-прежнему широко используются военными парашютистами, поскольку они хорошо подходят для выброски большого количества людей вместе, на довольно небольшой площади, на относительно небольшой высоте; парашютисты просто пытаются
быстро приземлиться, а не хвастаться своей техникой прыжков с парашютом. С другой стороны, любители дайвинга считают круглые парашюты устаревшими: практически все они теперь используют вместо них конструкцию с набегающим потоком воздуха.

Фото: Парашютисты часто используют круглые парашюты, потому что это эффективный способ быстро и безопасно спустить на землю множество людей в довольно небольшом пространстве. Этот прыжок с парашютом состоялся в Латвии в июне 2018 года. Фото Джины Даналс предоставлено ВМС США и
DVIDS.

Как на практике работает парашют?

Парашютисты делают прыжок с парашютом легким, но на практике все немного сложнее
! То, чего вы пытаетесь добиться, это получить большой кусок
сверхпрочного материала, раскрывающийся над вами и позади вас совершенно
равномерно, когда вы только что выпрыгнули из самолета, который мчится,
может быть, в десять раз быстрее гоночного автомобиля! Как вы вообще можете
что-то безопасно тянуть за собой в таких условиях?

Парашюты на самом деле представляют собой три парашюта в одном, упакованных в один рюкзак,
называемый контейнером. Есть основной парашют,
запасной парашют (на случай отказа основного) и крошечный
парашют внизу контейнера, называемый вытяжным
парашютом, который помогает раскрыться основному парашюту. Как только вы оказываетесь вне
самолета, вы активируете вытяжной парашют (либо потянув за
вытяжной трос, либо просто подбросив вытяжной парашют в воздух). Он быстро раскрывается позади вас, создавая достаточно силы, чтобы вытащить основной парашют из контейнера. Основной
парашют должен быть тщательно упакован, чтобы тросы, которые соединяют его
с вашей подвеской (известные как стропы подвески), правильно раскрылись и
выпрямились позади вас. Основной парашют разработан так, чтобы
раскрываться с задержкой, чтобы ваше тело не тормозилось и не дергалось слишком
резко и внезапно. Это безопаснее и удобнее для вас, а
также снижает риск разрыва или порыва парашюта.

Сила, действующая на парашют, значительна, поэтому он должен быть сделан из
действительно прочных материалов. Первоначально парашюты изготавливались из холста
или шелка, но теперь вместо них обычно используются недорогие, легкие синтетические материалы, такие как
нейлон и кевлар® (химический родственник нейлона).

Фото: Парашюты сделаны из прочного и легкого нейлона и должны быть упакованы очень тщательно, чтобы они правильно раскрылись при развертывании. Фото Гэри Уорда предоставлено ВМС США
и Wikimedia Commons.

Более мягкие посадки

Парашюты были изобретены около века назад, но они продолжают развиваться, поскольку изобретатели
придумывают все лучшие способы повышения их безопасности и управляемости. Вот более продвинутый парашют, разработанный для армии США в 2001 году (и запатентованный в 2003 году). Он содержит те же основные характеристики, что и другие парашюты: купол (10, синий), юбку под ним (12) и стропы подвески (14) в четырех группах, называемых свободными концами (16), прикрепленные к уздечке (22), которая поддерживает обвязку (26) и парашютиста (P). Но он также имеет две улучшенные функции безопасности, чтобы снизить риск слишком быстрого и жесткого приземления парашютиста. В верхней части парашюта есть уздечка с дополнительной петлей веревки с каждой стороны и электрический режущий механизм для его освобождения (розовый, вверху, обозначен как 28). В середине у него есть то, что известно как пневматическая мышца (ярко-зеленый, 24). Имеется устройство для измерения высоты (серое, вверху, 34, 36, 44), которое проецирует лучи радара на землю, чтобы измерить вашу высоту и скорость, а также определить, когда необходимо задействовать механизмы безопасности.

Художественные работы: предоставлены Бюро по патентам и товарным знакам США, из патента США 6,575,408: Узел мягкой посадки для парашюта, авторы Ричард Дж. Бенни и Глен Дж. Браун, переданного Соединенным Штатам Америки (армии США), 10 июня 2003 г.

Как это работает? Это показано на рисунке справа. Если ветер дует слишком быстро горизонтально, соответствующий электрический механизм отпускает одну из дополнительных боковых веревок, заставляя парашют наклоняться в противоположную сторону, тем самым снижая вашу скорость. Когда вы приближаетесь к земле, если вы движетесь слишком быстро, пневматическая мышца сокращается, подтягивая вас гораздо ближе к куполу и тем самым снижая вашу скорость.

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

Вам могут понравиться эти статьи, охватывающие смежные темы:

• Аэродинамика
• Самолеты
• Тормоза
• История полета
• нейлон

Книги

• «Руководство по парашютам: технический трактат об аэродинамических замедлителях» Дэна Пойнтера. Para Publishing, 1991. Классическое, очень подробное руководство, которое издается уже более 40 лет.
• Парашютный спорт: Справочник парашютиста Дэна Пойнтера и Майка Туроффа. Para Publishing, 2003. Подробный обзор парашютного спорта, от обучения свободному падению до профессиональных техник.

Статьи

• Она хочет, чтобы чернокожие парашютисты стали более заметными. Посмотрите, как высоко Алина Тугенд. The New York Times, 5 марта 2020 г. Как Даниэль Уильямс прокладывает путь для цветных людей, которые любят спорт на открытом воздухе.
• Skydiver Survives Jump From 25,000 Feet, and Without a Parachute by Maggie Astor. The New York Times, 30 июля 2016. Как можно выжить в прыжке с парашютом без парашюта? Все дело в подготовке!
• Ну, это не сработало: самодельные парашюты восхитительны, пока вы не прыгнете, Джордан Голсон. Wired, 3 декабря 2014 г. История «летающего портного» Остина Франца Рихельта, который изобрел парашют и погиб, испытывая его в 1912 году.
• Выживание парашютиста «невероятно»: BBC News, 2 сентября 2009 г. Драматическая история парашютиста, у которого не раскрылись ни основной, ни запасной парашют (включая видеозапись).
• Демонстрация парашюта для голубей военного времени: BBC News, 19 апреля 2005 г. Как голубей сбрасывали с парашютом в тылу врага во время Второй мировой войны.
• Устройства для эвакуации из небоскребов, Крейг Тейлор. The New York Times, 15 декабря 2002 г. Изобретатели работают над небольшими парашютами и другими устройствами, которые могут помочь людям покинуть высокие здания в чрезвычайных ситуациях.

Полезные организации

• Ассоциация парашютистов США: организация, представляющая людей, увлекающихся прыжками с парашютом.
• British Skydiving: британская некоммерческая организация, основанная в 1961 году, которая занимается популяризацией парашютного спорта. (Ранее называлась Британской парашютной ассоциацией.)

Патенты

Более подробную техническую информацию можно найти здесь:

• Патент США 6,575,408: Узел мягкой посадки для парашюта, Ричард Дж. Бенни и Глен Дж. Браун, переданный Соединенным Штатам Америки (армия США). 10 июня 2003 г. Парашют со встроенными датчиками высоты, который автоматически компенсирует слишком быструю посадку.
• Патент США 3,066,632: Механизм сброса парашюта Уолдо Э. Бернисса, переданный Соединенным Штатам Америки (ВМС США) 5 ноября 1959 г. Механизм, работающий на инерции, используемый в парашютах, которые запускают торпеды.