Можно ли приравнять подъемную силу к тому, сколько воздуха перемещается?

Во-первых, ваш расчет для 9,8 Вт, похоже, не основан на какой-либо реальной физике. Проверьте единицы! Я не могу сказать, если вы сделали$P=F\cdot m$или$P=\frac{F}{m}$, но результатом будет либо бессмысленное количество джоуль-килограмм на метр, либо ускорение соответственно.

Правильный расчет, основанный на удержании чего-либо в воздухе за счет движения воздуха вниз, будет следующим. Чтобы удержать что-то в воздухе, вам нужно вытолкнуть массу вниз с определенной скоростью. Сила, удерживающая объект в воздухе, равна

$$F=m_{object}g$$ Сила, возникающая при передаче импульса вниз, равна $$F=\dot{m}v$$ с $\dot{m}$указывающий массовый расход (килограмм в секунду) воздуха (а не массу объекта). Поток энергии (мощность), необходимый для сообщения этого импульса воздушному потоку, равен $$P=\frac{1}{2}\dot{m}v^2$$ Здесь мы можем сделать важный вывод. Требуемая мощность произвольно мала за счет увеличения массового расхода и уменьшения нисходящей скорости. Сразу становится понятно, почему у вертолетов большие роторы, а у самолетов такие большие крылья: они хотят воздействовать на как можно большую массу воздуха для повышения эффективности. Даже более быстрый полет увеличивает эффективность подъемной силы (уменьшает индуктивное сопротивление), воздействуя на большее количество воздуха в единицу времени. Конечно, в какой-то момент другие источники сопротивления будут преобладать.

---

Приведенные выше расчеты предполагают, что сила генерируется исключительно за счет создания нисходящего массового потока. Это не совсем реальность. Например, посадите свой самолет на землю, и он не утонет в ней, хотя поток массы не создается. Когда вы летите близко к земле, часть воздушного потока вниз создает давление из-за удара о землю внизу, что также помогает вам держаться в воздухе (это называется эффектом земли). Помимо этого, вязкость играет небольшую роль, создавая силу, противоположную нисходящему движению воздуха (хотя вязкость необходима для создания подъемной силы аэродинамическим профилем). Однако, чтобы ответить на главный вопрос: приравнивание подъемной силы к тому, сколько воздуха перемещается, является очень хорошим приближением.

---

Давайте, наконец, обратимся к вашей идее использования насадки Bell. Это сопло, которое используется на сверхзвуковых топливах («горловина» сопла отмечает переход от дозвукового к сверхзвуковому) и используется для максимального увеличения скорости. Это очень неэффективно с точки зрения энергии, но, поскольку ракеты должны нести всю массу топлива (тогда как самолет получает «свободный» поток массы, путешествуя по воздуху), и им нужно дополнительное топливо, чтобы поднять это топливо, скорость выигрывает, а не масса. , а ракетные двигатели оптимизированы для скорости сопла.

Дело не в том, что воздух при выходе из крыла оказывается ниже, а в том, что ему был сообщен такой импульс, что он продолжает двигаться вниз за крылом.

Доказательство: прочитайте этот ответ о формировании следа и посмотрите анимированный GIF в этом ответе .

Следующий вопрос: сколько воздуха задействовано?

Это гораздо труднее определить именно потому, что границы воздуха, на которые влияет крыло, теоретически находятся в бесконечности. Но есть практическое приближение, очень похожее на теорию Фруда для винтов. Просто возьмите то, что течет по кругу диаметром с размах крыльев. Этот ответ использует эту идею для расчета индуктивного сопротивления и дает правильный результат.

Итак, вот оно: да, подъемную силу можно приравнять к тому, насколько ускоряется воздух .