А теперь запускаем барометр и видим значение высоты примерно в 1,5-2,4 км.

Что с высотой - вопрос интересный, но интереснее сначала задаться вторым.

Вопрос 2. А почему самолеты падают из-за неверных показаний скорости, если скорость в телефоне верна?

Наиболее частой причиной авиационных происшествий (в том числе катастроф с жертвами) является потеря управления в полете или LOC-I (Loss of control in flight).

Потеря управления не всегда означает неисправность самого самолета - фюзеляж может быть цел, органы управления и двигатели могут работать абсолютно исправно. Часто это означает, что пилоты уронили в полете технически исправный самолет, в котором по какой-то причине приборы перестали показывать корректные значения.

Немалое число авиакатастроф произошло по причине неверных показаний скорости, даже во времена, когда салон набит доброй сотней-двумя людей с телефонами в карманах. А мы только что проверили, что скорость по GPS телефон, в отличие от давления, показывает верно. Почему? Что мешало пилотам взять телефон и открыть навигатор?

А потому, что мы видим путевую скорость. Она помогает посчитать время прибытия на место, но абсолютно бесполезна для пилотирования.

Почему путевая скорость бесполезна?

Потому, что нам нужна скорость набегающего потока воздуха.

Самолет прекрасно себя чувствует в полете при соблюдении двух условий - скорость достаточна для того, чтобы крылья создавали подъемную силу и скорость недостаточна для того, чтобы эти самые крылья (и другие части самолета) начало отрывать.

То есть, самолет имеет две критических скорости - минимальную (скорость сваливания) и максимальную (конструктивный предел прочности).

Самолет летит не относительно исходной точки на земле (что показывает нам GPS), а внутри и за счет воздушных масс вокруг него. Точнее, за счет подъемной силы крыла, возникающей при движении крыла в воздушных массах. Если самолет движется слишком медленно, подъемная сила будет слишком мала для того, чтобы держать его в воздухе. А если слишком быстро - то набегающий поток начнет проминать и выламывать части самолета.

Все это значит, что для удержания самолета в диапазоне скоростей нам нужна скорость набегающего потока воздуха. И это ни разу не скорость самолета относительно земли по GPS.

А если совсем точно, то в пилотировании используется целых три скорости.

Определения:

- Приборная скорость или IAS (Indicated Airspeed) - скорость набегающего воздушного потока, измеряется трубками Пито. Является главной в процессе пилотирования, так как подъемная сила и прочностные характеристики самолета зависят от набегающего потока воздуха.

- Истинная скорость или TAS (True Airspeed) - скорость самолета относительно воздушных масс с поправкой на температуру и атмосферное давление на текущей высоте (ALT). Вычисляется как IAS + (IAS*0,02 * ALT/1000).

- Путевая скорость или GS (Ground Speed) - скорость самолета относительно земли.

Итого, если приборы пилотов начали показывать что-то странное, и у вас нет возможности высунуть руку с завалявшейся в ручной клади трубкой Пито на улицу при -50° на скорости в 800 км/ч, пилотам со своим телефоном вы не поможете.

А вот теперь насчет высунуть руку из самолета. Вернемся к нашему барометру.

Допустим, у пилотов перестали работать высотометры, и мы решили им помочь вышеупомянутым телефоном. Допустим также, что он показывает нам не “погоду”, а правильное значение.

Для чего нам вообще высота в полете?

Например, высота (также эшелон) нужна для разделения самолетов в полете. Самолеты двигаются с запада на восток на нечетных “высотах”, а с востока на запад - на четных. Сталкиваться в полете минздрав не рекомендует.

Или при отказе всех двигателей самолет может планировать с высоты на некоторое расстояние, в зависимости от числа аэродинамического качества. Если аэродинамическое качество равно 15 (значение для нашего Boeing 737), то мы можем за счет 1 метра высоты пролететь вперед 15 метров, и с высоты в 10 км мы можем пролететь целых 150 км по карте, а этого вполне может хватить для посадки самолета с внезапно иссякнувшим топливом.

Но мы делали допущение, а барометр все еще показывает 1,5 км, когда под нами 10.

Все дело в принципе измерения давления и в герметизации самолета. К несчастью, чем больше высота над уровнем моря, тем более разрежен воздух, и тем меньше там кислорода. Человеку прекрасно хватает оного на высотах до 1500 метров над уровнем моря, но выше начинается его небольшая нехватка, со временем перерастающая в незаметную потерю сознания. Впрочем, если покатать пассажиров с давлением на уровне 10000 метров над землей, можно неплохо сэкономить на курице с рыбой.

Итак, самолёт герметизируется, то есть давление внутри самолёта нагнетается на уровень, в среднем, до 2,4 км. Разные самолеты - по-разному. Блестящий новенький Dreamliner или XWB (никто не заставлял красавца A350 таким именем нарекать, прости Airbus) сделает нам в салоне комфортную «высоту» в 1800-1900 м за счёт композитных материалов (они выдерживают более высокое давление), в то время как заслуженные цельнометаллические старики в лице 737 и A320 будут портить нам самочувствие легким высокогорьем ближе к 2,4 км над уровнем моря.

Барометр телефона измерит нам «высоту» в кабине, а для измерения настоящей высоты нам все ещё нужно вытащить телефон наружу в упомянутые -50°, а это чертовски холодно.

И да, для измерения высоты за бортом барометр телефона подходит, главное не держать его внутри кабины, что демонстрируют мои друзья из Skyduck, замеряя высоту парашютистов:

Подводя итоги. В полёте играют роль значительно большее число переменных, чем в бытовых условиях использования телефонов. Посмотреть на карте, где вы летите и с какой скоростью - можно. Посмотреть, почему затекли ноги и испортилось самочувствие в долгом перелёте - тоже.

Но не более того.

Спасибо @denokan за интерес к теме и Игорю Малухину за его книгу «737. Мой первый лайнер», в которой были подчерпнуты некоторые важные детали.

Проведя опыт несколько раз ученые увидели, что этот уровень подвержен незначительным изменениям. Тогда Торричелли высказал революционную идею для своего времени: воздух давит на поверхность ртути в сосуде и это давление определяет ее уровень в трубке. А то, что это давление может меняться заставляет уровень колебаться.

В 1644 году Торричелли писал: «Мы погружены на дно безбрежного моря воздушной стихии, которая, как известно из неоспоримых опытов, имеет вес. Причем он наибольший вблизи поверхности Земли». Так поэтично итальянец описал атмосферное давление.

Заслуги Торричелли были отмечены и в научной терминологии. Образующееся пустое пространство в трубке так и назвали «торричеливая пустота», а еще есть такая единица измерения давления – торр, которую еще называют миллиметр ртутного столба. Но не все согласились с Торричелли, продолжая утверждать, что дело все-таки не в атмосферном давлении, а в том самом страхе природы перед пустотой.

Доказать правоту итальянца пробовал известный французский математик, физик и поэт Блез Паскаль. Сначала, с помощью ряда опытов, он доказал, что пространство в трубке над ртутью не заполнено ни её парами, ни разреженным воздухом, ни некоей «тонкой материей». «Можно считать это пространство действительно пустым», – заключил он и значит, вопреки Аристотелю, пустота может существовать в природе.

Дальше надо было доказать, что на ртутный столбик влияет именно давление воздуха. Для этого Паскаль отправил своего зятя с прибором Торричелли в горы. Тот провел измерения на разной высоте и установил: разница в высоте столбика ртути на вершине и у подножия горы составила 3 дюйма 1 1/2 линии. Паскаль продолжил изучать это явление и в итоге сформировал идею гидравлического пресса и сделал ряд важный открытий в области гидростатики. Благодарные потомки назвали его именем единицу измерения давления и напряжения (в механике) в системе СИ. Но многие современники Паскаля заявили: «Не убедил!», и продолжили отстаивать правоту Аристотеля.

Точку в этом споре поставил немецкий физик и инженер Отто фон Герике, поставивший в 1654 году знаменитый Магдебургский эксперимент, в ходе которого доказал наличие давления воздуха; установил его (воздуха) упругость и весомость, а заодно - способность поддерживать горение, проводить звук. Уже этого было достаточно, чтобы войти в историю, но немец не остановился и через три года построил первый барометр. И с его помощью стал наблюдать за погодой. В итоге, в 1660 году привел жителей Магдебурга в крайнее смущение, предсказав бурю за два часа до ее начала.

Барометр фон Герике, правда, совсем не походил на современные: он состоял из медной трубки длинной в 20 магдебургских локтей (11 метров), заполненной водой вместо ртути. На этом отличия от конструкции Торричели, собственно, и заканчивались. Трубка крепилась к наружной стене трехэтажного дома Герике. Эта конструкция выглядела достаточно убедительно, чтобы завершить, наконец, споры со сторонниками аристотелевской точки зрения.

Убедительно, но неудобно. Иметь дома прибор, предсказывающий бурю, или даже – дождь хотели бы многие. Но не таких габаритов. Спрос рождает предложение, и вскоре мастера стали изготавливать компактные, можно сказать, комнатные версии «трубки Торричелли». Конечно, поначалу счет шел на единицы и покупала их преимущественно просвещенная публика.

В числе тех, кто увлекся опытами с измерением атмосферного давления был английский физик Роберт Бойль. Он усовершенствовал прибор и в 1665 году дал ему новое название – барометр. Эту работу продолжил помощник, Роберт Гук, который начал создавать барометры в форме колеса или банджо. А заодно разработал для них шкалу, где низкое давление соответствовало дождю или шторму, а высокое – хорошей и сухой погоде. Он вообще был очень изобретательным ученым: придумал спиральную пружину для регулирования хода часов, первую в мире систему оптического телеграфа и много других полезных вещей.

В последующие пару столетий выпускали разные барометры, и с вертикальной трубкой, и с круглой шкалой. Но высота корпуса у них была одинакова, равная высоте того самого ртутного столба (порядка 75 см).

Исключением из этого «тренда» стал прибор для измерения давления, придуманный знаменитым ученым Готфридом Лейбницем в 1698 году. В нем вообще не было жидкости, почему изобретатель назвал его анероид (греч. a — частица отрицания + nērós — «вода»). Он показывает давление, действующее на гофрированную тонкостенную металлическую коробку, внутри которой создано разрежение. При повышении давления коробка слегка сжимается, а при понижении – слегка расширяется. Этих колебаний достаточно, чтобы показать результат на шкале анероида, где обычно делались надписи «дождь», «переменно», «ясно» и проч.

Этот прибор за свои малые размеры пришелся по душе путешественникам. Вероятно, был он (вместе с классическим барометром) и на борту британского экспедиционного судна «Бигль», когда на нем совершал свое знаменитое путешествие Чарльз Дарвин. Во всяком случае – у капитана корабля Роберта Фицроя, который очень интересовался закономерностями погодных изменений. Для него это была не первая успешная экспедиция (и не последняя), что благотворно сказалось на карьере моряка. В последующие годы, он успел побывать депутатом парламента, губернатором Новой Зеландии. А затем, в 1854 году, уже в чине адмирала, он стал основоположником метеорологической службы Великобритании.

Адмирал Фицрой разработал свой вариант барометра (носящий его имя) с бумажной шкалой и указаниями, как с его помощью предсказывать погоду. Силами ведомства Фицроя была создана сеть метеорологических станций: девятнадцать в Англии, одна в Копенгагене, одна в Голландии, две во Франции (Брест и Байен) и ещё одна в Лиссабоне. Станции были соединены с центром службы погоды недавно изобретённым телеграфом Морзе. Сведения о погоде, собранные с этих станций, анализировались в центре службы погоды и на основании этого анализа давались рекомендации. Изучение погоды перестало быть делом одиночек, на смену шла система.

Вскоре Фицрой написал первый учебник по метеорологии, который в 1865 году был переведен на русский язык под названием «Практическая метеорология контр-адмирала Фицроя». «Мы живём в воздушном океане, все изменения погоды зависят от солнечного излучения. Нужно помнить, что состояние воздушного океана скорее говорит о будущей погоде, чем о погоде в настоящий момент», - писал он во введении.

Предсказание погоды из прерогативы шаманов, жрецов и тому подобной публики стало обычным делом. В 1873 г. в Вене состоялся первый международный метеорологический конгресс, на котором был выработан ряд стандартов для синоптиков разных стран.

Наша страна в этом отношении не отставала, во второй половине XIX века был создан ряд ведомственных метеорологических сетей из десятков станций и дождемерных пунктов.

В 1913 г. по представлению академика М. А. Рыкачёва, директора Главной физической обсерватории (ГФО), был подготовлен закон, касающийся Гидрометеослужбы, позволявший существенно увеличить её финансирование и возможности. Законом предусматривалось создание 150 постоянных и 50 опорных новых станций. Центральным метеорологическим учреждением России стала собственно ГФО.

Эта система стала еще более мощной в годы Первой мировой войны, но была практически уничтожена последовавшей за ней Гражданской. Восстановить ее в дореволюционных масштабах удалось лишь к 1930-м годам. Ну а дальше начинается совсем другая история.