Опознанный летающий объект: Каемочка — главное в тарелочке

Существует несколько версий происхождения современной летающей тарелки. Классическая история гласит, что в 1871 году Уильям Рассел Фрисби стал управляющим Olds Baking Company в Бриджпорте, штат Коннектикут. Вскоре он выкупил предприятие и переименовал его в Frisbee Baking Company. Пироги этой компании снабжались поддонами из фольги, на которых была рельефно выштампована фамилия владельца пекарни. В 1920-х годах вечно голодные студенты Йельского университета, в больших количествах потреблявшие пироги пекарен Фрисби, использовали пустые поддоны для развлечения, перебрасывая их друг другу по воздуху. Происхождение (но не имя) дисков оспаривают историки Голливуда, заявляющие, что еще раньше работники «фабрики грез» перебрасывались крышками от больших круглых коробок с кинопленкой. Объединяло этих пионеров то, что они пользовались металлическими тарелками, которые были предназначены совсем для других целей. Основные проблемы металлических дисков заключались в том, что они громыхали, деформировались и на них образовывались острые заусенцы.

Первый летающий диск, предназначенный для развлечения, был придуман и создан в гараже — двумя ветеранами Второй мировой войны, бывшими офицерами ВВС США Фредериком Моррисоном и Уорреном Францони. Понимая, что за пластмассами, которые стали использовать в авиации, будущее, в 1948 году два партнера создали летающий диск из пластика Tenite, разработанного компанией Eastman Kodak. Однако испытания показали, что этот материал колется при ударах об асфальт, поэтому его заменили сначала бутилстеаратом, а потом, в 1953 году, полиэтиленом, который надолго стал основным материалом для летающих дисков. Массовое производство пластиковых летающих дисков началось в 1951 году, но первая версия не дождалась успеха. В 1955-м Моррисон усовершенствовал конструкцию, разработав следующую модель, названную им Pluto Platter. Именно она, с 1957 года выпускаемая компанией Wham-O, и стала одной из самых продаваемых игрушек второй половины XX века (Моррисон получил патент на нее в 1958 году).

В июне 1947 года американская пресса сообщила, что в штате Нью-Мексико потерпел катастрофу летательный аппарат с инопланетянами. Весь мир обсуждал историю, которая породила термин «летающая тарелка». Через год Моррисон и Францони начали рекламировать свою летающую игрушку, беззастенчиво эксплуатируя шумиху вокруг пришельцев. Первые демонстрации летающего диска привлекали многочисленных зрителей, многие из которых были убеждены, что тарелка не может самостоятельно летать и за диском тянется тонкий провод для управления. Сообразительный Моррисон брал один доллар за «невидимый провод», а «волшебный» диск давал бесплатно.

Названия летающих дисков менялись вместе с владельцами авторских прав, но, как ни странно, историческое название «фрисби» оказалось самым стойким. Это слово стало таким же именем нарицательным, как «ксерокс» или «скотч». Появился даже глагол «фрисбить». Слово «фрисби» играющие часто использовали как звуковое предупреждение в случае опасности. В 1959 году фирма Wham-O, которой принадлежали права на выпуск летающего диска, решила воспользоваться названием пекарной фирмы Frisbie, которое прочно прилипло к летающей тарелке. Чтобы избежать судебных разбирательств, в названии изменили одну букву — торговая марка стала называться Frisbee (в русском языке используются два варианта — «фрисби» и «фризби»).

На «авиатело», перемещающееся в воздухе, действуют четыре силы: тяга, сила тяжести, подъемная сила и сила сопротивления воздуха. Почему же летает тарелка? Ведь у нее нет ни двигателей, как у самолета, ни мускулов и хвоста, как у птицы. С точки зрения механики и аэродинамики это гибрид крыла и гироскопа. Говоря научным языком, «круглое летающее крыло, стабилизируемое за счет вращения вокруг вертикальной оси симметрии». В полете диск, сечение которого есть несимметричное крыло, как бы делит воздух на два потока. Верхний поток обтекает выпуклую поверхность и ускоряется, а нижний — замедляется. В соответствии с законом Бернулли («где выше скорость, там ниже давление») возникает разница давлений, которая в итоге создает подъемную силу. Но не все так просто. На переднюю кромку действует бОльшая подъемная сила, чем на заднюю, и разница этих сил старается перевернуть диск, делая его полет нестабильным. В отличие от самолетов, у диска нет стабилизатора для противодействия этому эффекту. Секрет устойчивости летающего диска — в его вращении: как любой гироскоп, он, вместо того чтобы перевернуться, просто начинает соскальзывать в сторону, сохраняя более-менее горизонтальное положение.

Выпуклая поверхность тарелки фрисби сделана тонкой, а загнутая кромка толстой. Основная масса сосредоточена по краям, что делает вращающуюся тарелку более устойчивой в полете, чем вращающийся с такой же скоростью плоский диск. В то же время тарелка испытывает большее сопротивление воздуха, чем плоский диск, зато именно кромка помогает более равномерно распределить действующие на разные части диска силы по его поверхности. В частности, поток воздуха под тарелкой «захватывается» задней кромкой, что увеличивает подъемную силу задней части тарелки и уменьшает опрокидывающий эффект. Бороздки на выпуклой поверхности помогают снизить сопротивление. Подъемная сила и сила сопротивления зависят от угла атаки (между плоскостью тарелки и направлением полета). Для прямолинейного полета оптимальным считается угол атаки около 10 градусов.

Попутный ветер уменьшает скорость диска относительно воздуха, но увеличивает скорость относительно земли. При этом снижается высота полета. Для увеличения длины полета диск надо запускать с большим углом атаки. При встречном ветре скорость диска увеличивается относительно воздуха и он поднимается выше, чем в безветренную погоду. Поэтому для достаточной устойчивости диск надо сильнее закручивать. Некоторые исследования показывают, что встречный ветер в конечном счете может увеличить дальность полета.

Базовая аэродинамика не может объяснить небольших маневров тарелки, особенно в конце траектории. Поэтому изучением аспектов полета фрисби занимаются многие серьезные ученые. Несколько лет назад Джон Поттс и Билл Краутер из Манчестерского университета провели обширное исследование параметров полета фрисби в рамках изучения схем беспилотных аппаратов. Прикрепив тарелку на вращающийся стержень в аэродинамической трубе, они установили, что угол отклонения траектории зависит от угла атаки и от отношения скорости вращения кромки диска к скорости его поступательного движения. При броске фрисби вращается со скоростью примерно 8 об./с и продолжает вращение с этой скоростью даже по мере замедления поступательного движения, что и обуславливает колебания курса.

Ральф Лоренц из университета Аризоны поступил иначе: вместо того чтобы исследовать тарелки в аэродинамической трубе, он собрал электронную систему регистрации параметров полета непосредственно внутри фрисби. Многочисленные броски во дворе университета позволили ему накопить обширный материал для анализа. Лоренц делал это не просто из научного интереса: он занимался конструкциями планетных зондов (сейчас он работает в лаборатории прикладной физики группы исследования планет космического отделения университета Джона Хопкинса): «Стабилизация планетного зонда при входе в атмосферу — трудная задача. Но ведь вместо отслеживания положения и включения корректирующих двигателей достаточно просто закрутить зонд. При посадке Mars Pathfinder NASA поступило именно так. Поэтому изучение параметров полета фрисби — это важная, хотя и очень сложная задача. К тому же это может серьезно повлиять на конструкцию спускаемых зондов будущего для исследования планет».

Если вы случайно заденете локтем диск, лежащий на столе, то он полетит на пол, как книжка или камень. Но если вы запускаете его как положено, он полетит устойчиво и далеко. В наше время запуск тарелки кажется совершенно естественным, а вот еще в 1970-х приходилось долго объяснять, показывать и учить этому простому делу. Cоветы того времени звучали так: «Отведите руку назад и запускайте диск кистью руки, легко и хлестко. Плоско запущенный диск полетит по прямой, а наклоненный при запуске — по дуге. Не сжимайте диск и не бросайте его со страшной силой. Представьте, что вы бросаете соломенную шляпу на крючок».

За полвека неугомонные поклонники летающей игрушки придумали сотни игр — среди них несколько командных, в том числе излюбленное пляжное развлечение — фрисби с собакой, для него даже выпускаются специальные модели дисков: мягкие из резины и особо прочные модели, усиленные «кевларом».

За годы, прошедшие с момента изобретения летающего диска, менялись как материалы (полиэтилен, нейлон, полиэстер), так и конструкции. Для пляжных развлечений придумали складной диск из жесткого кольца-рамки, на которую натянута капроновая ткань; встречаются такие экзотические схемы, как диски с парашютом, со свистком, с лампочками и даже с газовыми баллончиками. Но полезного применения летающей игрушке никто так и не придумал.