Основи аеродинаміки

Сили, що діють при стрибку з парашутом, неможливо побачити, але можна пояснити. Розібравшись, що змушує купол летіти добре, ви зрозумієте, що змушує його летіти погано.

Отже, існує всього дві основні складові, які примушують наш купол сповільнювати наше зниження – підйомна сила і опір. Круглі купола використовують опір дуже просто – захоплюючи якомога більше повітря під себе, тим самим гальмуючи наше падіння. А ось вже купол типу “крило” створює собі Піднімальну силу, прикладену до “крила” залежно від форми купола і його положення по відношенню до набігаючого потоку. Контролювання потоку повітря над “крилом” і є мистецтво пілотування парашутом.

Підйомна сила

Створювана куполом підйомна сила має дві складові. Сама по собі форма крила вже створює підйоману силу. Через його форму, його зігнутість, повітрю доводиться швидше протікати над куполом, ніж під ним. Згідно законам фізики, коли швидкість повітря підвищується, його тиск зменшується. Це створює область низького тиску над куполом, і відповідно високого під ним. Тому, під впливом високого тиску, крилу доводиться “підніматися” у напрямку до області низького тиску.

Відхилення потоку повітря – другий доданок Підйомній сили. У разі відхилення потоку в сторону – тут же з’являється відповідна реакція у зворотному напрямку – те ж саме, за рахунок чого ви можете здійснювати повороти, обертання і т.д. під час вільного падіння. Рівновага відхилення потоку і форми крила – єдиний комплекс. Якби відхилення потоку було б єдиним джерелом підйомної сили, при правому повороті клеванта (відхилення вниз правої задньої кромки крила) потік, що відхиляється вниз, штовхав би праву частину купола вгору, провокуючи крен ліворуч і, тим самим, виробляючи лівий поворот. А насправді ж, затягування правої клеванти вниз зменшує підйомну силу за рахунок підвищення опору на цій стороні. Опір викликає уповільнення правого боку купола, що при мізерній підйомної силі на цій стороні і майже не змінився на лівій викликає крен купола направо.

Основне застосування відхилення потоку – під час “подушки” при приземленні. При виконанні “подушки” (затягування двох клевант одночасно) потік відхиляється вниз, провокуючи підйом купола вгору. Але ж у цей час зростає і опір, сповільнюючи переміщення купола вперед. Що знаходиться внизу пілот, який має набагато більшу масу і менший опір, сповільнюється не так швидко, як купол, і пролітає вперед купола. Це змінює основної кут атаки купола, значно збільшуючи підйомну силу за рахунок відхилення потоку. У такому положенні купол залишається, поки вистачить підйомної сили, тобто швидкості.

Опір

Інша основна діюча на купол сила називається Опором. Опір так само проявляє себе двосторонньо, яких опір крила і паразитний опір. Говорячи простіше, опір крила – це результат тертя повітря об крило. Це покарання всіх без винятку крил, що мають хоч якусь небудь площу, і ви можете говорити про це як про підйомну силу, що штовхає назад! Паразитний опір є результат руйнування форми потоку повітря нерівномірним крилом, і все що з ним пов’язано. Отвори секцій викликають турбулентність. Шви, укладальні петлі, стропи та їх тримачі, “медуза”, слайдер і навіть ви – пілот – сприяєте опору, при цьому, абсолютно не підвищуючи підйомну силу. Парашути ніколи не будуть такими ж хорошими крилами, як крила літака, через свою структуру властивость породжувати неймовірну кількість паразитного опору.

Підйомна сила і опір – два результати обтікання повітряним потоком верхньої частини крила. Саме потік повітря над крилом створює ці сили для польоту, звідси – швидший потік – більше значення цих сил. Підйомна сила і опір зростають в геометричній прогресії по відношенню до швидкості: збільшення швидкості вдвічі підвищує підйомну силу і опір вчетверо. А це означає тільки одне: швидкість – це ключ до всього. Рухатися швидко – значить, в даному випадку, велика підйомна сила і чітка реакція в управлінні. Але це так само і значить зростаючий опір, що і змушує виробників високошвидкісних куполів вдаватися до різних прийомів: колапсуюча “медуза”, забирається слайдер, маленький діаметр строп і т.д ..

Зрив потоку

Потік, що проходить через крило, як і будь-яке текуче середовище, має ще кілька цікавих характеристик – одну з них ви можете легко помітити, спостерігаючи, як вода огинає камінь, що знаходиться в потоці. Рідина намагається повторити всі контури тіла по самому згладженого можливому шляху. Купол має можливість змінювати форму до певних станів без руйнування потоку. Напрямок потоку так само можна злегка змінити, не порушуючи його, але якщо зробити це занадто швидко і різко, відбувається т.зв. “зрив потоку”. Замість того, що б плавно повторювати контури тіла, потік розбивається в безладні хвилі і вири. Це дуже важлива для парашутистів деталь, тому що, по суті, це означає що будь-який раптовий, радикальний маневр значно зменшує ефективність купола через падіння підйомної сили, викликаної зміною форми крила. Найпоширеніші і драматичні приклади зриву потоку з парашута викликають його т.зв. “звал”, хоча, як ми побачимо трохи пізніше, тут є багато всяких тонкощів: надмірне задавлення передніх вільних кінців, “прокачування” клевант, різке затягування клевант і т.д.

Тяга і Маса

Для крила, що рухається крізь повітряний потік і породжує Підйомну силу, необхідна так само сила, що штовхає його вперед. Назвемо її тягою. З літаком все зрозуміло – цю проблему тут вирішує мотор. У спортивних куполів цим займається гравітація. В парашутах- крило стропи передньої кромки коротші, ніж стропи задньої кромки, що викликає нахил купола вниз. Потік, що відхиляється біля задньої кромки, викликає горизонтальне переміщення. Вага всієї системи (ви плюс спорядження) тиснуть на купол вниз. Крило ковзає, як санки з гори, згідно ухилу, виставленому передніми і задніми стропами.

Чим більше маса, що давить купол вниз – тим ця сама тяга більше. Ми будемо вважати відношення маси до площі купола т.зв. “завантаженням купола”, яка є дуже важливим показником для пілота. В Америці завантаження купола вважається відношення повної ваги парашутиста і системи в фунтах до площі купола в квадратних футах. Це змушує нас бути впевненим в тому, що при постійно незмінній завантаженості купола його переміщення по вертикалі і горизонту так само буде постійним.

Однак завантаження купола може катастрофічно зміняться під час повороту. Це легко зрозуміти, згадавши, як починають тиснути обхвати під час повороту. Чим швидше ви його робите, тим більше збільшується ваша маса. Що ж відбувається під час повороту клевант? В момент повороту купола тіло пілота продовжує рухатися в прямолінійному напрямку, поки купол не поверне його в новому напрямку. Якщо поворот ще триває, відцентрова сила продовжує утримувати пілота під ухилом, як би витягаючи його з-під купола. При цьому, діюча на вас відцентрова сила збільшує вашу масу. Якщо поворот припинити, під дією своєї маси ви повернетеся під купол. Саме це переміщення з положення “поза купола” під купол і є той самий момент, коли досягається найвища швидкість. Досягається вона завдяки тому, що в цей момент, завдяки вашій вазі, критично підвищується завантаження купола. До речі, швидкість зниження теж підвищується з тих же причин. Чим швидше ви повертаєте, більша відцентрова сила збільшує вашу масу, ані трохи не змінюючи вашу реальну вагу.

До речі, зауважте, що при деяких маневрах ви можете так само зменшувати завантаження крила на якийсь момент. На багатьох куполах пілоти можуть здійснювати повороти, які підкидають їх тіло вгору, в той час, як купол йде вниз.

У той же час, велика маса (тяга) значно поліпшують керування. Повертаючись назад до нашої аналогії з санками, додаючи на них вагу, ви змусите їх рухатися все швидше і швидше, поки, нарешті, вони не почнуть провалюватися в сніг або перевернутися. Без необхідного достатнього завантаження купол ставане млявим і пасивним, в той час як збільшення завантаження призводить до підвищення швидкості. При збільшенні швидкості в два рази – підйомна сила збільшується в чотири рази, тобто крило, наприклад, рухалося зі швидкістю 25 км / год, і створювала піднімальну силу, скажімо, (100) одиниць. При збільшенні швидкості в два рази (50 км / ч) підйомна сила збільшиться в 4 рази (400). Саме тому, реактивні літаки можуть триматися на крихітних крилах, і ось чому люди з відповідною підготовкою можуть стрибати з куполами малої площі, завантаженими до 1.4 і вище, а дехто примудряється приземлятися із завантаженням 2 ​​і навіть більше! Підвищена керованість, яка приходить з високим завантаженням купола, пов’язана не тільки з горизонтальною швидкістю переміщення, а і з проходженням поворотів, “подушкою”, швидкістю реагування.

Центр тяжіння, Центр підйомної сили

Центр підйомної сили знаходиться в точці крила, де вона сконцентрована. Центр ваги – там, де сфокусований вага всієї системи. У спортивних куполів вага сконцентрований прямо під крилом, і має форму парашутиста, тобто Вас. Змінюючи положення центра ваги до Центру підйомної сили, ми змінюємо нахил купола, викликаючи тим самим зміна кута атаки.

Кут Атаки

Багато парашутистів вважають кут атаки – положення купола по відношенню до Землі. Це абсолютно не так! Кутом атаки називається кут між хордою купола і потоком, що набігає. Змінюється кут атаки шляхом застосування деяких зусиль на крило. В літаках це робиться за допомогою хвостового оперення, а ось парашути позбавлені цієї щасливої ​​можливості. “Подушка” -ось єдиний спосіб змінити кут атаки купола-крила. Під час використання “подушки” в якості гальма, відбувається переміщення ваги (в сенсі вас) під куполом, пересуваючи вас вперед,  легкий і високо-опірний потоку парашут сповільнюється набагато швидше, ніж важкий мало-опірний потоку парашутист. Результатом буде тимчасове збільшення кута атаки, генеруючи тим самим велику підйомну силу через більш сильного відхилення потоку.

Зауважте, що під час “подушки” змінюваний кут атаки відбувається через фактичну зміни набігаючого потоку, вага внизу йде вперед – відбувається в точності такий же вплив на крило, яке застосовують при посадці на дельтаплані. Глибоке низьке гальмування при стрибках на точність є типовим прикладом приземлення з використанням гальмування, а не “подушки”. При гарній правильній “подушці” рівномірне гальмування змусить купол рухатися все повільніше і повільніше; при цьому пілот буде знаходитися трохи попереду свого нормального положення під куполом, утримуючи тим самим підвищений кут атаки і посилене відхилення потоку. У якийсь момент швидкість купола вичерпається, і пілот повернеться назад на своє місце. В цей момент вже не залишається швидкості на створення підйомної сили ніяким відомим способом, і висока швидкість падіння починає перетягувати вас до себе, поки врешті-решт або купол знову знайде горизонтальну швидкість, або вже земля перерве цей повчальний політ.

Форма купола

При затягуванні клевант вниз ви міняєте не тільки Кут Атаки але і змінюєте саму форму купола. Крила з великим вигином генерують велику Піднімальну силу на маленьких швидкостях, але володіють величезним опором. Якщо ви затягнете клеванти вниз і будете рівно утримувати їх – це змінить вигин купола, викликаючи той ефект, завдяки якому парашут летить. Швидкість зниження виросте, породжуючи горизонтальну швидкість. Сучасні купола в основному свою “подушку” будують на куті атаки, тому найкраща “подушка” вийде тільки при повношвидкісній глісаді. Висока швидкість зниження переходить в підйомну силу при виконанні “подушки”. Але в ситуації, коли ви просто хочете сповільнити свою швидкість зниження на якийсь тривалий період, найефективніший спосіб – підвищення вигину крила пригальмовуванням.

Підсумок

Виберіть хвилину в який не будь день що б подивитися на камінь, повністю лежить в швидкоплинному потоці. Гладкий і рівний камінь буде огинати чистими і рівними потоками води, лише з невеликими турбулентними явищами на самому кінці каменя, де потоки зустрічаються. Ці потоки, що протікають над каменем – майже те ж саме, що і потоки повітря над вашим куполом. Турбулентність води за каменем – це форма опору, якийсь кільватер, що залишається вашим куполом за собою в повітрі. Невпорядкованість на цій поверхні і бурхливе й неспокійний стан вершини кромки паразитного опору ви можете легко побачити. Тепер подивимося на нерівний камінь. Потік розділяється відповідно до всього описаного вище, все ця бурхлива вода і ніяких рівних потоків. Ніяких потоків – ніякої підйомної сили. Ніякої підйомної сили – ніякого контролю. Як же ці абстрактні положення про рідинах і потоках застосовні в повсякденному скайдайвінгу? Ми дуже скоро це побачимо. Але спочатку, подивимося на різні форми куполів, для чого вони проектувалися, і що від них можна чекати.