Являются ли крылья более эффективными в создании подъемной силы по сравнению с направлением тяги двигателя вниз?

Интересный вопрос. Чисто эмпирически, это именно то отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, которое вы ищете. Если вы примете это значение как данное для любого конкретного самолета, вы получите прямой ответ о том, насколько эффективнее крылья. Это отношение подъемной силы к полному сопротивлению. Двигателю нужно только преодолеть сопротивление.

При L/D, равном единице, вам потребуется такая же тяга, как и для вертикального взлета. Но даже у довольно «плохого» самолета с неподвижным крылом L/D будет около 5. Планеры или аналогичные самолеты, построенные с упором на аэродинамику, могут иметь L/D 50 и более (по крайней мере, в небольшом диапазоне скоростей полета).

Так что да, крылья более эффективны. Как правило, примерно на один порядок для обычных самолетов и оптимальной воздушной скорости.

Почему ваши рассуждения о нагнетании воздуха неверны, объяснить сложнее. Я начну с предположения, что когда воздух проходит через аэродинамический профиль, его скорость относительно аэродинамического профиля не меняется, меняется только направление. (Я знаю, что воздух замедляется, по крайней мере, из-за трения и т. д., но это, по крайней мере теоретически, вещи, которых можно избежать, не связанные напрямую с созданием подъемной силы. Если есть что-то внутренне связанное с подъемной силой, что заставляет воздушный поток изменять не только направление, но и скорость , тогда, надеюсь, кто-нибудь поправит меня здесь.)

Смотрите изображение. Воздушная масса движется первоначально к аэродинамической поверхности со скоростью$\vec{v_0}$отклоняется вниз на угол$\alpha$. Поэтому изменение скорости равно$\vec{\Delta v}$. Это изменение можно разделить на горизонтальную и вертикальную составляющие. Чтобы удержать самолет в воздухе, вертикальная составляющая должна быть эквивалентна весу самолета, деленному на массовый расход через крыло. Вертикальная составляющая связана с горизонтальной соотношением

Таким образом, с этой упрощенной точки зрения сопротивление будет$\tan\alpha/2$раз лифт. Более высокий массовый расход на крыло (более длинные крылья, более высокая скорость полета) позволяет сохранить ту же подъемную силу при меньшем прогибе ($\alpha$), таким образом, меньшее сопротивление из-за создаваемой подъемной силы.

Дополнительный комментарий: как это связано с мощностью и энергией

Ответ выше сосредоточен на том, как крылья уменьшают необходимую тягу двигателя , но исходный вопрос можно интерпретировать и с точки зрения энергоэффективности. Я постараюсь добавить некоторые комментарии к этой части.

• простой пример – ракетный двигатель: не слишком типичный для самолетов, но простой. Ракета потребляет одинаковое количество топлива в секунду, чтобы создать единицу тяги, независимо от ее размера и независимо от того, направлена ​​ли она вверх (и неподвижна по отношению к воздуху) или вперед (и движется по воздуху). Вам нужно сжигать пропорционально больше топлива в секунду, чтобы генерировать более высокую тягу. Так вот, для ракетного движителя вы сэкономите топливо в том же соотношении, что и необходимая тяга уменьшится.

• Пропеллерные или реактивные двигатели более сложны, так как их тяга и расход топлива также зависят от движения двигателя по воздуху. Как указал Дэвид К. в своем ответе, мы можем использовать импульс и кинетическую энергию ускоренного воздуха, чтобы получить мощность, необходимую для единицы тяги.

  С некоторыми упрощениями, тяга представляет собой массовый расход через двигатель/винт, умноженный на вызываемое им изменение скорости потока.$T = \dot m \cdot (v_{\rm out} - v_{\rm in}) = \dot m \Delta v$. Для этого нужна мощность$P = \dot m \cdot {1\over2}(v_{\rm out}^2 - v_{\rm in}^2)=\dot m\Delta v\cdot(v_{\rm in} + {\Delta v\over 2})$. Таким образом

  $${P\over T}=v_{\rm in} + {\Delta v\over 2}\,.$$

  Как показано выше, для стационарного двигателя, удерживающего силу тяжести, требуется более высокая тяга по сравнению с летающим самолетом с неподвижным крылом. Если мы не будем «мошенничать», увеличив массовый расход через двигатель (например, сделав его винтом вертолета или используя несколько двигателей),$\Delta v$должен быть увеличен для достижения необходимой тяги. Таким образом, вам нужно не только больше мощности из-за увеличения тяги, но и больше мощности из-за увеличения количества ватт на единицу тяги. Обратите внимание, что даже «вертолетный чит» работает не слишком хорошо. Чтобы соответствовать потребляемой мощности двигателя, создающего меньшую тягу благодаря L/D крыла, вам также необходимо улучшить P/T – за счет уменьшения$\Delta v$, тем самым увеличивая массовый расход (радиус ротора / пропеллера даже больше, чем пропорционально увеличению тяги).

  А как насчет уменьшения P/T из-за движения по воздуху? Ну, это зависит от конкретного двигателя и его$\Delta v$. Обычно она будет того же порядка, что и воздушная скорость (или даже меньше), поэтому мы не можем пренебречь$v_{\rm in}$в уравнении ватт на тягу выше. Существует штраф за эффективность, когда двигатель работает на движущемся самолете. Но это все равно того стоит, так как усиление, обеспечиваемое подъемной силой, больше.

  Упрощенный пример: у нас есть двигатель, способный создавать достаточную тягу, чтобы поднять самолет вертикально. Его можно уменьшить, изменив$\Delta v$без каких-либо практических проблем или изменения его внутренней эффективности. И допустим, что массовый расход через него есть фиксированная площадь$S$умножается на плотность воздуха и умножается на среднее арифметическое скоростей входящего и выходящего воздуха. Для парящего самолета и стационарного двигателя с тягой, равной весу самолета,$w$это

  $$w=\dot m \Delta v_{\rm hover} = \rho S \Delta v_{\rm hover}^2 / 2\,;\quad \Delta v_{\rm hover}=\sqrt{2 w \over \rho S}$$ и поэтому $$P_{\rm hover}=w\cdot \Delta v_{\rm hover}/2=\sqrt{w^3\over 2\rho S}\,.$$

  Тому же самолету, летящему на крыльях, достаточно$w\over L/D$тяги. Воздушная скорость$v_{\rm air}$. Уравнение для тяги:${w\over L/D} = \dot m \Delta v_{\rm flight} = \rho S \cdot (v_{\rm air}+{\Delta v_{\rm flight} \over 2}) \cdot \Delta v_{\rm flight}$. Таким образом

  $$\Delta v_{\rm flight}=\sqrt{{2w\over(L/D)\rho S}+v_{\rm air}^2}-v_{\rm air}$$ и $$P_{\rm flight}={w\over L/D}\cdot(\sqrt{{w\over 2(L/D)\rho S}+{v_{\rm air}^2\over 4}}+{v_{\rm air}\over 2})\,.$$

  К сожалению, я не вижу никакого способа, как упростить и сравнить$P_{\rm hover}$и$P_{\rm flight}$Итак, конкретные цифры:

  • Легкий самолет, 1 тонна, 100 узлов,$S = 5\,\rm m^2$,$L/D = 15$:$P_{\rm hover} = 290\,\rm kW$,$P_{\rm flight} = 35\,\rm kW$.

  • Тяжелый самолет, 100 тонн, 200 узлов,$S = 50\,\rm m^2$,$L/D = 15$:$P_{\rm hover} = 90\,\rm MW$,$P_{\rm flight} = 7\,\rm MW$.

  Таким образом, исходя из этих упрощений, полет на крыльях с аналогичным типом двигателя должен быть значительно более эффективным с точки зрения энергии. И, кроме того, вы уже движетесь вперед, используя силу$P_{\rm flight}$. Для вертикального двигателя потребуется дополнительная мощность для преодоления сопротивления воздуха при движении.

Что касается расхода энергии и мощности, то для данной величины силы, которая должна быть произведена при ускорении воздушной массы, требуется больше мощности при ускорении небольшой воздушной массы в каждый период времени, чем при ускорении большой воздушной массы. Это связано с тем, что сила пропорциональна изменению количества движения воздушной массы, тогда как мощность пропорциональна изменению кинетической энергии; и пока импульс$mv,$кинетическая энергия$\frac12 mv^2.$

Типичный двигатель самолета захватывает относительно небольшие порции воздуха и толкает их назад с большой скоростью. Большой воздушный винт или ТРДД с большой степенью двухконтурности и большим воздухозаборником будут лучше, чем маленький воздушный винт или турбореактивный двигатель с малым воздухозаборником. Но крыло типичного обычного самолета «захватывает» гораздо больший объем воздуха в любую единицу времени, чем его двигатели. Толкая крыло вперед по воздуху, самолет преобразует относительно неэффективное производство силы своими двигателями (забирая небольшие порции воздуха спереди самолета и быстро разгоняя их назад) в гораздо более эффективное производство силы своими крыльями. (взятие больших порций воздуха над самолетом и их относительно медленное ускорение вниз).

Простое вращение типичного двигателя (реактивного или воздушного винта) обычного самолета вниз не позволяет самолету разогнать воздух вниз почти так же сильно, как крыло, когда самолет находится в нормальном полете.

В вертолете (также известном как «летательный аппарат с роторным крылом») двигатель вращает крыло (он же ротор), тем самым толкая его по воздуху и ускоряя воздух над самолетом вниз, независимо от того, движется ли фюзеляж вперед через воздушную массу или нет. Таким образом, вертолет может взлетать вертикально с относительно небольшой силовой установкой по сравнению с тем, что вам потребуется для вертикального взлета с чем-то вроде обычного авиационного двигателя с неподвижным крылом. Если вы думаете о роторе вертолета как о «направленном вниз вентиляторе», то на самом деле он работает достаточно хорошо.

В традиционном самолете большая часть мощности двигателя используется для поддержания движения самолета вперед с определенной скоростью. На самом деле очень мало этой мощности необходимо для создания подъемной силы.

Рассмотрим простой бумажный самолетик. Он долго летит вообще без двигателя, пока сопротивление не заставит его замедлиться, а если и потеряет подъемную силу, то опустится на пол.

В руках опытного пилота планер может часами оставаться в воздухе без двигателя.

Я не собираюсь вдаваться в спор о том, работают ли крылья, направляя воздух вниз или нет, потому что это просто не имеет значения. Основная истина заключается в том, что когда крыло ориентировано таким образом, что оно обеспечивает подъемную силу при движении вперед, все, что вам нужно, чтобы двигатель делал, это двигало это крыло и остальную часть самолета вперед с этой скоростью.

Крыло и корпус самолета создают эффективное сопротивление, когда их тянут или толкают вперед, и двигателю нужно только создать такое усилие, чтобы не замедляться. Эта сила НАМНОГО меньше, чем вам нужно, чтобы поднять его напрямую.

У большинства авиационных двигателей просто нет силы тяги, чтобы поднять самолет самостоятельно. На ранних этапах разработки самолетов было предпринято много попыток сделать это, но они потерпели неудачу, потому что двигателей достаточной мощности просто не было.

Wings существовали задолго до появления братьев Райт, но полет был непредсказуемым и неуправляемым. Первый настоящий самолет был изобретен потому, что братья открыли и изобрели механизм, позволяющий им управлять крылом (крылами).

Короче говоря, гораздо проще обеспечить подъемную силу с помощью крыльев, чем с помощью вектора тяги.

ОДНАКО: На данный момент вы, вероятно, все еще ломаете голову, задаваясь вопросом, как вы можете поднять самолет, фактически не получая столько мощности от двигателя... Итак, позвольте мне попытаться объяснить.

Допустим, у вас есть машина, и я говорю вам поднять ее на 6 футов... Ну, если вы не тот парень, этого просто не произойдет...

Но что, если вы сделаете следующее?

Что ж, вы можете жаловаться и задыхаться, но вы можете видеть, как, если бы пандус был достаточно длинным, вы могли бы использовать наши мышцы, чтобы поднять машину на эту высоту.

Поскольку мы медленно движущиеся существа, мы думаем о воздухе вообще как о чем-то. Однако воздух становится другим, когда вы пытаетесь убрать его с дороги очень быстро. Становится значительно «жестче».

Таким образом, можно представить, что самолет в полете поднимается по воздушной рампе, как показано ниже.

Самолет и крылья довольно легко рассекают воздух, но воздух под крыльями и корпусом действует как пандус. Чем больше крылья, тем жестче и прочнее пандус. Это обеспечивает подъемную силу, поддерживая самолет в вертикальном положении.

Конечно, рампа не является твердой и эффективно опускается, когда мы толкаем самолет вперед. Другими словами, самолет одновременно снижается и набирает высоту. В горизонтальном полете рампа опускается с той же скоростью, с которой самолет набирает высоту.

Это означает, что крылья дают вам механическое преимущество использования рампы для уменьшения усилия, необходимого для выполнения работы. Игнорируя сопротивление, требуемая работа такая же, как если бы вы поднимали его вертикально, но поскольку вы распределяете работу на большое расстояние вперед, усилие, требуемое от двигателя, значительно делится.

Эффективность:

Теперь это более эффективно? Что ж, традиционно пандусы и другие устройства с механическим преимуществом менее эффективны, чем прямой подъемник, потому что есть потери, связанные с дополнительным трением в устройстве.

Однако сами подъемные системы с вертикальным двигателем ужасно неэффективны.

Как мы уже говорили, чем быстрее вы пытаетесь перемещать воздух, тем труднее его перемещать. Это означает, что удвоение мощности двигателя НЕ приводит к удвоению тяги, это скорее экспоненциальная функция. То есть вам нужно сжечь более чем в два раза больше газа, чтобы получить двойную тягу.

Хуже того, для любого двигателя существует предел тяги, которую он может производить. В конце концов воздух кавитирует перед ним. Если он сможет вращаться достаточно быстро, он высосет ВЕСЬ воздух из воздухозаборника так быстро, что образуется вакуум. В этот момент двигателю не хватает воздуха, и он не может работать быстрее, независимо от того, СКОЛЬКО топлива вы закачаете. Это означает, что для получения большей тяги вам нужен двигатель большего размера, а значит, больший вес, а значит, вам нужна большая тяга. .... Вы понимаете, к чему я клоню?

И помните, это просто для того, чтобы не уснуть, вам все равно придется использовать больше энергии, чтобы добраться из точки А в точку Б.

Таким образом, даже с учетом потерь на лобовое сопротивление крылатый полет по-прежнему использует намного меньше газа для любого заданного расстояния полета.

Двигатели (скажем, поршневые) не обеспечивают подъемной силы. Двигатели управляют крыльями. Каждая лопасть винта представляет собой крыло. Каждое крыло (одного размера, аэродинамического профиля, угла атаки, относительной скорости, высоты) обеспечивает одинаковую подъемную силу.

Оба устройства ниже обеспечивают одинаковую подъемную силу, одно летит прямо вперед, другое летает по кругу. Один самолет, другой пропеллер. Направление тяги двигателя вниз = горизонтальное направление полета лопастей. Надеюсь это поможет.

Если пренебречь потерями, то для поддержания самолета на заданной высоте не требуется мощности , так как над ним не совершается никакой работы. Однако для этого требуется сила, а вы, кажется, путаете силу и мощь. Термин « эффективность » не имеет значения (по крайней мере, четко определенного значения), когда речь идет о силах.

Например, я могу держать в руке гирю весом 20 кг, а с помощью рычага 1:10 — 200 кг. Конечно, можно сказать, что рычаг в 10 раз эффективнее, и в этом смысле крылья эффективнее двигателей вертикального взлета: можно взлететь с двигателем, тяга которого в 10 раз меньше. Следствием этого является то, что вам потребуется в 10 раз больше времени, чтобы достичь заданной высоты, точно так же, как я поднимаю 200-килограммовый груз с помощью рычага в 10 раз медленнее, чем я поднимаю 20-килограммовый груз руками.

Мне всегда объясняли «базовый» полет так: из-за формы крыла воздух над верхней частью должен идти дальше, поэтому «растянутый» воздух под крылом проходит меньшее расстояние. Таким образом, воздух под крылом имеет большее «давление», чем над крылом. На самом деле вы никогда не «выталкиваете воздух вниз». По крайней мере, не совсем. Вес корабля действительно заставляет воздух под крылом «сжиматься» (или смещаться) так же, как это делает лодка, в то время как нет никакой силы (кроме подъемной силы), толкающей «вверх» на крыло.

Это все очень простое объяснение. Но основная часть, очень важная часть заключается в том, что ни в одном самолете, с неподвижным крылом (самолет) или винтокрылом (вертолет), нет ЛЮБОЙ подъемной силы, создаваемой выталкиванием воздуха вниз. Подъемная сила создается за счет меньшего давления воздуха «сверху» крыла, чем «под» крылом, в сочетании с направленной вниз силой тяжести. Именно тяга вниз заставляет самолеты подниматься вверх, как бы странно это ни звучало.

Теперь в своем вопросе вы хотите знать, почему для полета «как на самолете» требуется меньше энергии, чем на «вертолете». Опять же, помните, что выталкивание воздуха вниз не приводит к приседаниям, пока вы не войдете в ракетные двигатели.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы посмотрим, что каждый двигатель пытается переместить. В маленьком самолете двигатель должен вращать пропеллер. Допустим, около 70 фунтов. С этим двигателем весом 70 фунтов он может «тянуть» (почти так же, как крыло) небольшой самолет со скоростью около 140 узлов. Это более чем достаточно «скорости», чтобы крылатые части самолета создавали подъемную силу. Имейте в виду, что «подъемная сила» не обязательно должна быть огромной силой, она просто должна быть немного сильнее, чем гравитация.

Напротив, «лопасти» вертолета (там просто вращающиеся крылья) весят около 250 фунтов. Трудно преобразовать скорость вращения в узлы, но при 650 футах в секунду это примерно 385 узлов (математика очень грубая).

Таким образом, требуется гораздо меньше энергии, чтобы тянуть самолет вперед со скоростью 140 узлов. Затем он вращает пару крыльев со скоростью 384 узла.

Имейте в виду, что крылья самолета могут быть НАМНОГО больше, чем крылья вертолета. Эта дополнительная площадь поверхности создает большую подъемную силу на более низких скоростях.

Чтобы усложнить задачу, вся энергия «самолетов» используется для движения корабля вперед. Вот и все. Самолет летит только в одном направлении. На самом деле они не столько поворачиваются, сколько «падают» в заданном направлении (создавая меньшую подъемную силу с одной или другой стороны по трем осям). С другой стороны, вертолет должен тратить часть своей энергии, чтобы двигаться «вперед». Это «поступательное» движение в основном предписывается падением, как и у самолета, но затем энергия должна расходоваться на создание большей подъемной силы, тогда как самолет просто движется вперед.

TL;DR На самом деле это не яблоки к яблокам, но для создания такой же подъемной силы при движении вперед требуется меньше энергии, чем для вращения крыльев по кругу и создания подъемной силы таким образом.

ОГРОМНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ Я использовал скорости и профили полета многих самолетов. Самолет, который я использовал, был «Cessna», но я взял номера, где мог их найти, поэтому некоторые из них — любимые 172, другие — другие варианты. Номера вертолетов еще более разнообразны. Я пытался сохранить его для более легких вертолетов, но, возможно, у меня ничего не получилось. Важно то, что теория верна, но не пытайтесь полагаться на математику каким-либо реальным образом.

Еще одно замечание : некоторые СВВП на самом деле толкают воздух вниз, но это даже менее эффективно, чем вращение крошечных крыльев. Короче говоря, толкать вниз, чтобы подняться, это как ракета, создавая меньшее давление сверху, а «плавать» вверх — это самолет.

Я просто хочу добавить кое-что, что, как мне кажется, здесь обычно упускают из виду. По мере увеличения удельной воздушной скорости над крылом/пропеллером сопротивление увеличивается не просто линейно, а экспоненциально. Другими словами, поскольку воздушный поток (по массе) над крылом намного выше, оно может создавать подъемную силу x при низкой скорости полета, в то время как с двигателем, поскольку у него меньший воздушный поток (опять же по массе), необходимо двигаться. воздух быстрее проходит над пропеллерами в двигателе, чтобы создать такую ​​же подъемную силу. Поскольку сопротивление не является линейным, для преодоления сопротивления двигателя требуется значительно больше мощности, что и приводит к неэффективности.

Просматривая ответы, я упускаю очень простой способ объяснить разницу:
перечисление неэффективности обоих проектных решений .

С неподвижным крылом

• сопротивление, не создающее подъемную силу. Часть сопротивления не связана с созданием подъемной силы, например, трение воздуха о поверхность крыла.
• Вихри на концах крыла - разница давлений между верхним и нижним крылом стремится выровняться потоком воздуха снизу вверх. Это можно смягчить за счет винглетов и / или большого удлинения крыла.
• что угодно — это заполнитель для всего, что я мог пропустить. См. Ниже его аналог.

Поворотное крыло

• Сопротивление, не создающее подъемной силы - То же, что и эквивалентный пункт выше, за исключением другого профиля крыла, аэродинамического профиля и различных скоростей полета. Подробнее о различных скоростях полета см. ниже.
• вихри законцовки крыла - то же, что и эквивалентная точка выше, за исключением того, что длина крыла и, следовательно, удлинение более ограничены в выборе конструкции. Винглеты вызвали бы множество структурных проблем и непропорционально увеличили бы лобовое сопротивление, потому что они по определению находятся на (быстро движущейся) вершине.
• что угодно . В основном все, что относится к неподвижным крыльям, применимо и к вращающимся крыльям. Кроме того, часто неравномерный воздушный поток (см. ниже) не позволяет оптимизировать профиль крыла, аэродинамический профиль и т. д.
• неравномерное распределение скоростей воздуха по лопасти - концы ротора движутся в воздухе быстрее, чем его основание. Таким образом, оптимальную воздушную скорость трудно получить одновременно на всех лопастях несущего винта.
• разные воздушные скорости для предшествующей и удаляющейся лопасти - поступательная скорость самолета добавляется к воздушной скорости над предшествующей лопастью, но вычитается из удаляющейся. Эта разница усугубляет проблему достижения оптимального воздушного потока.
• потребность в противодействующем крутящем моменте . Хвостовой винт классической конструкции вертолета требует мощности от основного двигателя без увеличения подъемной силы или тяги вперед. По сути, это «бесполезная необходимость». Конструкции с двумя роторами могут страдать от все более «нарушенного воздушного потока» (см. Ниже).
• круговое движение - Круговое движение в основном ускоряется к центру. «Прямой полет» был бы более эффективным, например, на роторе есть подшипники, которые пропускают угловой момент. Для сравнения, неподвижное крыло не теряет импульса, помимо других недостатков. Это также накладывает конструктивные требования на лопасти несущего винта, которые могут ограничивать другие оптимизации конструкции.
• Возмущенный воздушный поток - ранее отступающая лопасть движется в следе от предыдущей в следующем обороте. Возмущенный воздух не создает такого чистого воздушного потока, как невозмущенный. Это снижает отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению.
• неоптимизированный аэродинамический профиль - об этом уже упоминается во многих пунктах, либо делая это необходимым (конструктивные требования при круговом движении), либо предотвращая оптимизацию (неравномерное распределение скоростей воздуха по лопасти).

Возвращаясь к первоначальному вопросу:
исходя из практического правила, мы можем предположить, что чем длиннее список неэффективных элементов, тем менее эффективен дизайн. Особенно, когда все (и что угодно ) в одном списке появляется и в другом. Для нарушения эмпирического правила в каждой точке должны быть большие качественные различия.

Основное преимущество крыла по сравнению с двигателем заключается в том, что при обычном использовании оно будет постоянно сталкиваться с относительно невозмущенным воздухом. Направленный вниз двигатель создаст над собой область низкого давления, и воздух, поступающий в него, будет двигаться вниз еще до того, как самолет что-нибудь с ним сделает. Единственный способ, которым самолет может создать тягу, — это разогнать уже движущийся воздух до еще более высокой скорости. Количество энергии, необходимое для ускорения кубического метра воздуха с 9 м/с до 10 м/с, почти в два раза больше, чем количество энергии, необходимое для ускорения 10 кубических метров воздуха с 0 м/с до 1 м/с. генерируемая последним, будет в десять раз больше.

В статье делается вводящее в заблуждение обобщение, так как это было одним из первых вещей, которые я усвоил во время летной подготовки. Самолеты не летают, «выбрасывая воздух вниз», они работают, создавая пониженное давление воздуха, которое поднимает самолет вверх (отсюда «подъемная сила») и вперед (тяга). И крылья, и пропеллеры (и турбины) представляют собой аэродинамические поверхности, верхняя изогнутая поверхность которых ускоряет воздух, когда аэродинамическая поверхность проходит через нее, тем самым снижая давление воздуха. Относительно пониженное давление воздуха над крыльями и относительно повышенное давление воздуха под крыльями и за винтом поднимает самолет вверх и вперед.

Немного правды в том, что воздух, обтекающий крыло, отклоняется вниз, а некоторое количество воздуха сжимается под крылом по мере движения самолета, но это гораздо меньшая составляющая того, что поддерживает самолет в полете.

Более низкое давление воздуха за крылом создает сопротивление и является побочным эффектом подъемной силы. Поверхностное трение несущих поверхностей и корпуса самолета также является составной частью сопротивления. Вихрь, образующийся на законцовке крыла, когда воздушные потоки с более высоким и более низким давлением сходятся и закручиваются вокруг друг друга, также может быть сильным компонентом сопротивления, а также вызывать турбулентность, которая может повлиять на другие самолеты.

Чтобы ответить на другую часть вашего вопроса, создание подъемной силы и тяги следует тем же принципам, используя обычные поршневые и реактивные двигатели (ракетные двигатели создают тягу за счет расширения газов). Возможно, одним из лучших примеров является конвертоплан Osprey с большими винтами, которые могут создавать подъемную силу, тягу и любое их сочетание в зависимости от угла наклона двигателей.

Аналогия @ymb1 с толканием ящика была отличным выбором. Движение перпендикулярно силе тяжести (т. е. движение крыла вперед) требует меньше усилий, чем просто противодействие ей (т. е. толчок вниз). Таким образом, крылья являются более эффективным выбором как с точки зрения конструкции, так и сложности.

Давайте вернемся в прошлое, чтобы спросить пионеров, пытавшихся летать на человеческом двигателе. Конструкция крыла предлагала эффективность по сравнению с конструкциями, основанными на вертикальной тяге. Такая эффективность стимулировала дальнейшие исследования.

Подъемная сила, развиваемая крылом при соответствующей воздушной скорости, зависит от давления. Давление также отвечает за подъемную силу (плавучесть) в лодках (давление воды вместо воздуха). Вы можете попросить проектировщика подводной лодки отказаться от балласта и добавить гребные винты, направленные вниз, для сохранения глубины.

Несмотря на другой механизм, воздушный шар может продемонстрировать, что для создания одной и той же подъемной силы требуется разное количество энергии с использованием другого инженерного принципа. Небольшой реактивный двигатель можно использовать для создания достаточного количества горячего воздуха, чтобы поднять воздушный шар с тележкой. Однако направление этого небольшого двигателя вниз не обеспечит достаточной тяги для эквивалентной подъемной силы.

Разве это не похоже на сравнение яблок и апельсинов? При отсутствии внешних сил крылья без двигателя, приводящего их в движение, мало что делают для того, чтобы поднять вас в воздух.

Двигатель может создавать «подъемную силу», направляя его вниз. Чтобы оторваться от земли, двигатель должен был создать тягу, чтобы противодействовать своему весу. Если вы добавите крылья, вы сможете подняться в воздух с гораздо меньшей тягой. Таким образом, крылья ПОВЫШАЮТ эффективность двигателя, когда речь заходит о том, какая тяга требуется, чтобы подняться в воздух.

В дополнение к отличному ответу @Dmitry Gregoriev: возможно, ваш вопрос сводится к следующему: почему неподвижное крыло более эффективно, чем крыло в форме диска.

Из-за теории подъемной линии. Создание заданной подъемной силы на конечном пролете тем эффективнее, чем больше пролет.

По поводу статьи:

Вы говорите, что, как вы понимаете, в статье говорится, что крылья самолета в основном создают подъемную силу, «толкая» воздух вниз.

Это утверждение неверно в той мере, в какой оно подразумевает, что подъемная сила создается только нижней частью крыла. (Я не на 100% уверен, что это то, о чем говорится в статье, поскольку в ней просто говорится, что «Самолеты летают, выбрасывая воздух вниз».)

Теория о том, что подъемная сила создается только нижней частью крыла, упоминается на веб- странице НАСА, описанной в предыдущих комментариях, как теория «Пропускающего камня». На веб-странице говорится, что эта теория неверна, поскольку она не признает, что подъемная сила также создается верхней частью крыла.

На другой веб-странице НАСА объясняется, что «подъемная сила — это сила, возникающая при вращении движущейся жидкости», и что «и наветренная [нижняя], и подветренная [верхняя] части отклоняют поток». (добавлены слова в квадратных скобках)

Позвольте мне добавить некоторые другие доказательства и наблюдения:

Книгу «Палка и руль», написанную Вольфгангом Лангевише в 1944 году, иногда цитируют в поддержку теории «прыгающего камня», потому что в книге говорится о «бросании» воздуха вниз. Однако в своем объяснении автор утверждает, что:

"Главный факт всех полетов тяжелее воздуха заключается в следующем: крыло удерживает самолет вверх, толкая воздух вниз... Нижней поверхностью оно толкает воздух вниз, а верхней поверхностью тянет воздух вниз. поверхности; последнее действие более важно». [п. 9]

Еще одно наблюдение, подчеркивающее важность подъемной силы, создаваемой верхней поверхностью, заключается в том, что сваливание связано с потерей подъемной силы, создаваемой только верхней поверхностью. Нижняя часть крыла продолжает создавать подъемную силу, как и раньше. Но он сам по себе не обеспечивает достаточную подъемную силу, чтобы удержать самолет в воздухе.

Важность подъемной силы, создаваемой верхней поверхностью, также знакома любому пилоту, который летал в условиях обледенения. Как отмечено в «Обледенении самолетов» AOPA Safety Advisor, Weather No. 1, p. 2:

«Аэродинамическая труба и летные испытания показали, что скопления инея, снега и льда (на передней кромке или верхней поверхности крыла) не толще и грубее, чем кусок грубой наждачной бумаги, могут уменьшить подъемную силу на 30 процентов и увеличить лобовое сопротивление до 40 процентов. процентов. Более крупные наросты могут еще больше снизить подъемную силу и увеличить сопротивление на 80 и более процентов».

Я также припоминаю, что читал пару анекдотических рассказов о том, что происходит, когда есть помехи для воздуха, проходящего через верхнее крыло, но не могу привести цитату. Один из них касался Мартина Кейдена, который установил рекорд по количеству парашютистов, прыгнувших за один раз, когда 19 парашютистов висели на верхней части крыла его Ju 52 «Железная Энни».

Я знаю, что производители бизнес-джетов должны были добавлять полосы на верхнюю часть крыльев своих самолетов, чтобы гарантировать, что воздух вдоль верхней поверхности течет так, как предполагалось изначально. Инженеры Cessna были весьма горды, когда им удалось спроектировать крыло (Citation X), для которого не требовалось никаких шпангоутов.

Крылья — это экономичный способ разогнать массу воздуха вниз. Тот факт, что естественный отбор предпочел эту систему другим альтернативам, возможно, означает, что крылья являются наиболее экономичным решением...