«Птицы рассекают крыльями воздух и летят куда хотят. Разве человек хуже птицы?» — вопрошал герой древнегреческих мифов Дедал. Согласно легенде, после создания знаменитого лабиринта Минотавра он стал пленником царя Миноса. Чтобы вырваться на свободу, Дедал изобрёл волшебные крылья для себя и своего сына Икара. 

Однако история отца и сына закончилась печально: Икар разбился, подлетев слишком близко к Солнцу. Люди, конечно, не хуже птиц, но летать, как они, вряд ли смогут. Но Дедал, к сожалению, этого не знал, ведь он не был знаком с законом Бернулли и явлением флаттера.

Существует множество историй подобных мифу об Икаре и Дедале, в этих легендах воплощена мечта людей летать «как птицы». Вот только птицы летают по-разному. Самые маленькие из них — колибри — машут крыльями с такой скоростью, что взмахи их крыльев даже невозможно разглядеть. И, наоборот, чем крупнее птица, тем медленнее она машет крыльями. Замечал, как парят в небе орлы и беркуты? В полёте они почти не совершают взмахов, зато при взлёте активно машут крыльями, словно набирают скорость. Эти птицы держатся в воздухе за счёт расправленных в стороны крыльев. Стоит им сложить крылья, как они падают вниз камнем.

Человечество, чтобы покорить небо, изучало строение крыльев, копировало их, но все попытки были безуспешны. Люди не могли до конца разгадать секрет того, как крылья держат птиц в воздухе, даже когда они ими не машут?

Первый шаг к разгадке в 1643 году сделал итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли. Он доказал, что воздух давит на предметы. А французский математик Блез Паскаль в 1663 году определил, что это давление распределено равномерно, то есть воздух одинаково давит во все стороны, а не только сверху вниз.

В 1738 году знаменитый швейцарский математик и физик Даниил Бернулли открыл свой знаменитый закон (он так и называется — закон Бернулли), который утверждает, что

при движении газов и жидкос­тей давление и скорость их течения связаны: чем больше скорость, тем ниже давление, и наоборот — чем скорость движения газа меньше, тем его давление больше.

Этот, казалось бы, простой закон и оказался тем прорывом, после которого создание самолётов стало возможным в принципе. Но до полёта первой «стальной птицы» оставалось ещё 165 лет.

Убедиться в действии закона Бернулли просто: возьми две полоски бумаги, и держи их за концы параллельно друг другу, а теперь подуй в промежуток между ними. Полоски станут сближаться. Почему? Скорость движения воздуха между полосками стала выше, чем на их внешней стороне, значит, давление воздуха между ними уменьшилось. Это давление снаружи их и притянуло

Но, на первый взгляд, закон Бернулли не объясняет, почему же птицы могут держаться в воздухе, не взмахивая крыльями. Потребовались десятилетия, чтобы понять, как это происходит. Дело оказалось в конструкции птичьего крыла. Если посмотреть на поперечный разрез крыла, то можно заметить, что оно имеет форму вытянутой капли, но не симметричной, а изогнутой, как будто на неё слегка надавили снизу (верхняя часть крыла немного с «горбинкой», а нижняя — почти плоская).

Представь, как воздух при полёте обтекает такое крыло птицы (или самолёта, крыло которого устроено по такому же принципу). Воздух раздвигается крылом: часть воздуха обтекает его сверху, часть — снизу. Но ты помнишь, что верхняя часть крыла «с горбинкой», поэтому воздух при её обтекании проделывает более длинный путь, чем по нижней, плоской части. Как мы знаем, чтобы проделать более длинный путь, воздуху нужна большая скорость. В результате, скорость обтекания крыла воздухом разная: в верхней его части она больше, чем в нижней.

Действие подьёмной силы направлено перпендикулярно встречному потоку воздуха. В горизонтальном полёте увеличение скорости и угла атаки приводит к увеличению подъёмной силы, создаваемой крылом.

Остаётся вспомнить закон Бернулли: там, где скорость воздуха выше — ниже давление. И получается, что давление воздуха на нижнюю часть крыла больше, чем на верхнюю. Вот эта разница давлений на крыло и называется подъёмной силой. Эта сила удерживает птиц и самолёты в воздухе без необходимости махать крыльями.

В начале XIX века английский изобретатель Джордж Келли сконс­труировал первый в мире (или один из первых) самолёт. У него были крылья и хвостовое оперение, но пилот для взлёта должен был бежать по земле, в буквальном смысле неся самолёт на себе. Да и «летать» на нём можно было разве что на несколько метров.

Первый по-настоящему летающий самолёт построили американцы — братья Райт, Орвил и Уилбур. В декабре 1903 года их самолёт «Флайер 1», оснащённый двигателем внутреннего сгорания (как у автомобилей) и пропеллером, продержался в воздухе одну минуту и пролетел 260 метров. И это было выдающимся достижением для того времени. Уже через два года братья создали самолёт, пролетевший целых 39 км. Так началась эра авиации. А в 1914 году, во время Первой мировой войны, самолёты уже использовались в боевых действиях.

Cамолёты совершенствовались, скорости их росли, но воздухоплавателей ждала новая проблема, получившая название флаттер. В 1930‑е годы во всех странах, развивающих авиацию, лётчики и конструкторы, испытывающие новые скоростные модели самолётов, стали сталкиваться с непонятным явлением: при увеличении скорости самолёта совершенно неожиданно и по непонятным причинам его начинало резко трясти. Да так, что у самолёта отваливались крылья! В чём причина?

Ты, конечно, качался на качелях. И знаешь, как нужно на них раскачиваться: сгибать ноги и отклоняться в такт движению качелей. Если делать это не в такт, то раскачивания не получится, может быть, даже наоборот — качели станут останавливаться. Вот это самое «в такт» в физике называется резонанс. Это означает, что собственные колебания качелей совпадают с твоими движениями.

Именно это и происходило с крыльями самолётов. Дело в том, что крыло в полёте тоже совсем незаметно колеблется. А из-за колебаний крыла колеблется и обтекающий его поток воздуха, а значит, начинает с определённой частотой колебаться и подъёмная сила. И когда самолёт достигает определённой скорости, которая называется критической скоростью флаттера, эти колебания подъёмной силы попадают «в такт» колебаний крыла. Такой резонанс и приводит к разрушению крыльев.

Эта проблема была решена под руководством Мстислава Келдыша, видного советского математика и физика. Келдыш создал практический метод расчёта критической скорости флаттера, в зависимости от технических параметров крыльев (главным образом, их жёсткости). Дело в том, что у любого самолёта есть предел скорости, которую он просто не в состоянии превысить.

Пользуясь методом Келдыша, конструкторы рассчитывали, какой должна быть жёсткость крыла, чтобы критическая скорость флаттера была больше предельной скорости самолёта, то есть, чтобы самолёт никогда не достиг скорости, приводящей к флаттеру.

Авиастроителям оставалось только изготовить крылья с такой жёсткостью.