Что такое «центр давления»?

Центр давления не является точкой, «где подъемная сила наиболее сконцентрирована». Центр давления имеет очень мало отношения к тому, как подъемная сила распределяется вдоль крыла (у вас может быть точно такой же центр давления для бесконечного числа различных распределений подъемной силы).

Центр давления представляет собой математическую сумму векторов всех локальных давлений вдоль всей поверхности крыла. Но это всего лишь, более или менее, подведение итогов, эта точка не имеет особого значения с точки зрения распределения напряжений или чего-то подобного (по крайней мере, прямого).

С тем же успехом вы могли бы включить все локальные точки давления в уравнение движения и получить точно такой же результат. Но уравнения с большим количеством малых векторов сил были бы излишне сложными, и если вам не нужен этот уровень сложности, проще заранее просуммировать все силы и вместо этого использовать суммарное значение.

Обратите внимание, что если вы хотите, например, рассчитать напряжения внутри крыла, вы не можете этого сделать. Вы были бы вынуждены включить в анализ каждую локальную точку давления. Но до тех пор, пока вы можете предположить, что все крыло сплошное (что обычно является приемлемым приближением для множества простых задач), проще использовать один суммарный вектор подъемной силы.

Если вы просто суммируете все дробные векторы давления, вы получите общий вектор аэродинамической силы. Этого достаточно, чтобы знать, какая сила и в каком направлении действует на самолет. Но для того, чтобы иметь возможность анализировать вращательные эффекты, вам нужно знать, в какой точке действует эта общая сила (поскольку один и тот же вектор силы, смещенный в другую точку твердого тела, вызовет разное вращение). И именно здесь в игру вступает центр давления, так как это точка, в которой должна действовать мысленная суммарная аэродинамическая сила, чтобы воздействовать на самолет (в целом) теми же поступательными и вращательными эффектами, что и фактическое распределение давления вдоль крыла.

Аэродинамическая сила (частью которой является подъемная сила) есть не что иное, как сумма всех отдельных аэродинамических сил, действующих на поверхность планера. На каждом крошечном квадратном микрометре поверхности самолета воздух давит на планер. Он давит с некоторой силой, равной нормальному давлению воздуха в этой точке, ($lbs /inch^2)$раз больше площади поверхности этого крошечного участка. Все эти крошечные аэродинамические силы воздействуют на поверхность самолета в направлении, нормальном (перпендикулярном) к поверхности.

Чтобы упростить задачу (для расчетов и объяснений), инженеры и летные инструкторы искусственно суммируют все эти крошечные отдельные силы в одну общую силу. Это делается путем сложения (векторно) всех отдельных сил в единый общий вектор силы, который, если бы он был единственной силой, действующей на планер, теоретически создал бы точно такую ​​же общую силу и момент вращения, что и все крошечные на самом деле производят мало реальных сил. Затем эта общая искусственная сила разбивается, опять же искусственно, на две составляющие: одну, нормальную (перпендикулярную) вектору траектории полета самолета (это то, что мы называем подъемной силой ), и другую, параллельную траектории полета ( Это то, что мы называем Drag). Можно считать, что они оба действуют через одну и ту же точку, через которую рассчитан вектор общей силы.

Считается, что точка, через которую действует эта полная искусственная сила, называется центром давления.

Для чего это? Это точка в планере, где,. если бы он был заблокирован в этой точке, аэродинамические силы были бы уравновешены вокруг него и не создавали бы вращательного момента. т. е. подобно тому, как вставить штифт в стрелу или флюгер на крыше, если штифт проходит через стрелу или ось флюгера проходит через центр давления, то удар ветра по флюгеру не вызывает вращательного момента и флюгер не вращался и не выравнивался по ветру. Он просто сидел бы там, потому что сила (точнее, момент) с одной стороны от центра давления была бы равна моменту сил с другой стороны, и они компенсировали бы друг друга.

Почему это важно? потому что в свободном полете нет штифта или оси, прикрепленной к чему-то неподвижному. Самолет может свободно двигаться без ограничений. Когда аэродинамическая сила приложена к телу, которое может свободно двигаться без ограничений, оно будет вращаться вокруг своего центра тяжести. Таким образом, если центр давления не совмещен с центром тяжести (что почти никогда не бывает), то любая аэродинамическая сила, действующая на тело, будет создавать вращательный момент (крутящий момент) относительно центра тяжести.

Вы правы, подъемная сила действует на профиль не через одну конкретную точку. CP - это средняя точка, через которую действуют полные силы (= сумма неуравновешенного поверхностного давления) аэродинамического профиля. Он используется для иллюстрации и упрощения общих понятий.