2.4.45. Вертолет массы $m$, неподвижно зависший над землей, направляет своими винтами вниз струю воздуха. Какова затрачиваемая двигателем вертолета мощность, если скорость струи воздуха равна $u$?
Решение
Для поддержания зависания вертолет должен компенсировать свою силу тяжести $mg$ с помощью силы тяги $F$, создаваемой потоками воздуха. Согласно закону сохранения импульса, вертолет передает импульс воздуху, создавая нисходящий поток. Если расход массы воздуха через винты (массовый поток) обозначить как $\dot{m}_{t}$, то изменение импульса воздуха в единицу времени дает силу тяги:
$$F=\dot{m}_{t}u$$
Так как вертолет находится в равновесии, сила тяги равна его весу:
$$\dot{m}_{t}u=mg$$
Отсюда находим массовый расход воздуха:
$$\dot{m}_{t}=\frac{mg}{u}$$
Мощность это скорость передачи энергии: $N=\frac{E}{t}$. Энергия, передаваемая воздуху за единицу времени, — это кинетическая энергия воздуха. Кинетическая энергия массы $m_{воздух}$, движущейся со скоростью $u$, равна:
$$E=\frac{m_{воздух}u^{2}}{2}$$
Поделим на время:
$$\frac{E}{t}=\frac{m_{воздух}u^{2}}{2t}$$
По определению $\frac{m_{воздух}}{t}=\dot{m}_{t}$, тогда получим:
$$N=\frac{\dot{m}_{t}u^{2}}{2}$$
Подставляя найденное значение для $\dot{m}_{t}$, получим: