У самолета есть двигатель, который ускоряет его полет. Какая сила заставляет планер летать? [дубликат]

Самолеты не летают из-за своих двигателей. И самолеты, и планеры летают, потому что их крылья превращают тягу в подъемную силу и сопротивление.

Этот упрощенный ответ, конечно, просто напрашивается на вопрос «как вы можете создать тягу без двигателя?»

Планер постоянно обменивает высоту (потенциальную энергию) на скорость полета (кинетическую энергию). Энергия с течением времени равна силе, которую в данном случае мы называем тягой. Самолеты делают то же самое при снижении. Оба также могут обмениваться энергией в противоположном направлении, но ненадолго, пока крылья не заглохнут.

Большая разница в том, что самолет также может превращать топливо (химическую энергию) в тягу, что позволяет поддерживать устойчивый горизонтальный полет или полет с набором высоты. У планеров такой возможности нет.

Сила, толкающая планер, является составляющей его веса. Точнее, это проекция вектора веса W на глиссаду. Это точно такое же значение сопротивления D, если планер летит с постоянной воздушной скоростью, без ускорений. На рисунке все векторы являются силами, за исключением U, V и w, которые представляют собой горизонтальную, общую и вертикальную скорость полета соответственно...

$W$имеет два компонента, компонент$W_n$перпендикулярно$V$, и компонент$W_t$параллельно$V$.$W_t$это сила, которая толкает планер, соответствующая тяге, которая приводит в движение самолет с двигателем.

Давайте проведем мысленный эксперимент.

Летайте на планере по горизонтальной траектории. Он будет тормозить и останавливаться.

Теперь летайте на том же планере в вертикальном пикировании. Он будет ускоряться вниз под действием силы тяжести.

Теперь подумайте о планирующем полете как о суперпозиции обоих состояний. Преимущественно горизонтальный полет с небольшим вертикальным пикированием сверху. Разве не должно быть очевидно, что гравитация поддерживает движение планера?

Но гравитация обеспечивает только вертикальную составляющую ускорения. Планер в пикировании ускоряется только вниз, а не вперед. Только когда пилот потянет ручку и добавит некоторую подъемную силу крылу, планер испытает ускорение вперед.

Вот оно. Поскольку планер движется по наклонной траектории полета, его вектор подъемной силы наклонен вперед , что создает небольшую тягу. Конечно, вектор подъемной силы необходим только потому, что планер летит в гравитационном поле Земли, поэтому большая гравитация или большая масса потребуют увеличения подъемной силы, что опять же означает большую тягу вперед. Но гравитация участвует только косвенно, устанавливая требования к подъемной силе. Что действительно тянет планер вперед, так это его передняя подъемная сила.

Но планер разгоняется не только вперед, но и немного вниз. В конце концов, сопротивление также наклонено и создает небольшую восходящую силу. Этот бит должен быть сбалансирован, что делается под действием силы тяжести. В наклонной системе отсчета именно гравитация наклоняет и тянет планер вперед вдоль наклонной продольной оси. Но если мы останемся в стандартной системе, привязанной к земле, наклонятся только подъемная сила и сопротивление, а подъемная сила будет тянуть планер вперед . Гравитация вносит только нисходящий вклад, размер которого зависит от коэффициента планирования.

Теперь рассмотрим планер в движущемся вверх пакете воздуха, в котором он летит по траектории полета, направленной вверх . Но все же тангаж планера немного опущен носом, чтобы наклонить его вектор подъемной силы вперед. В этом состоянии у нас теперь есть восходящая траектория полета, и все же это только подъемная сила, которая тянет планер вперед.

Энбинь Чжэн прав, сила тяжести вертикальна, всегда вертикальна и никак не может объяснить горизонтальное движение. Что значит?

Сначала возьмем велосипед. На плоской поверхности он имеет гравитационную силу 1 Г, но не движется вертикально. Таким образом, он имеет равную направленную вверх силу terra firma (земли) в 1 G, которая удерживает его на «уровне земли». Рулежные самолеты также испытывают это явление, а также тягачи с прицепами, поэтому низкие полуприцепы примерно в 4 раза более экономичны, чем лучшие грузовые самолеты (поезда превосходят нас еще в 4 раза). Здесь не нужен лифт.

Теперь положите велосипед на наклонную плоскость, он будет «скользить» вниз по склону без усилия педали. Именно отталкивающая сила земли, а не гравитация, объясняет поступательное движение! Просто нарисуйте векторы.

На планеры. Никакой твердой земли после полета (и никакого торга вразнос). Сила отталкивания к гравитации есть вертикальное сопротивление . У каждого самолета без двигателя есть нисходящая сила тяжести, которая тянет его вниз через атмосферу. Каждое скольжение начинается с падения. Вектор сопротивления , как и вектор гравитационного отталкивания велосипеда, противостоит гравитации.

Но для вертикального сопротивления требуется скорость вниз . Мы платим за сопротивление h (высотой) в формуле потенциальной энергии: масса x гравитация x высота.

Теперь наклоните планер вперед, сместив его центр тяжести и центр вертикального сопротивления . (Исполнено в конструкции самолета с площадкой горизонтального стабилизатора). Теперь у нас есть горизонтальное движение. Глиссадная трасса . Только тогда более эффективное крыло может взять на себя подъемные функции и «планировать» самолет. Обратите внимание, что вектор подъемной силы от крыла теперь имеет горизонтальную составляющую «вперед».

Обратите также внимание на то, что площадь профиля плоскости гораздо больше, если смотреть прямо снизу, чем спереди. Это означает, что при падении на заданное расстояние создается гораздо большее сопротивление, чем при движении вперед. Немного похоже на сжатие влажного семени дыни между двумя пальцами. Узрите его полет!

Хорошее крыло и хорошо спроектированный планер используют этот «толчок вперед» с поразительной эффективностью, как это делают лучшие из «моторных планеров», современные авиалайнеры.

PS : я научился учитывать движение вперед с помощью вектора веса при использовании эталонной плоскости. При наклоне вниз вектор весов можно разложить на линейную составляющую «тяги». Это соответствует логике преобразования потенциальной энергии в кинетическую при нырянии (работает и для велосипеда).

Теперь для Вн . Было показано, что Wn представляет собой силу, действующую на поверхность скользящего блока на наклонной плоскости, и действительно имеет значение для определения сопротивления (трения). По мере увеличения плоскости Wn уменьшается, а Wt увеличивается. По мере уменьшения Wn трение уменьшается. Сопротивление воздуха незначительно. Для самолета на скорости полета сопротивление воздуха не является незначительным, и самолет удерживается на своей «плоскости» (глиссаде) Lвертикалью и Dвертикалью, противостоящей W. Горизонталь противостоит Dhorizontal в установившемся режиме планирования.

Чтобы планер мог летать, он должен создавать подъемную силу, чтобы противостоять своему весу. Чтобы создать подъемную силу, планер должен двигаться по воздуху. Движение планера по воздуху также создает сопротивление. В самолете с двигателем тяга двигателя противодействует сопротивлению, но у планера нет двигателя для создания тяги. Когда сопротивление не встречает сопротивления, планер быстро замедляется до тех пор, пока он больше не может создавать достаточную подъемную силу, чтобы противостоять весу, и затем он падает на землю.

Для бумажных самолетов и планеров из бальзы самолету придается начальная скорость путем подбрасывания самолета. В некоторых более крупных планерах из бальзы используется катапульта, сделанная из резиновых лент, и буксирный трос для обеспечения скорости и некоторой начальной высоты. Пилоты дельтапланов часто бегают и прыгают со склона холма или утеса, чтобы начать полет. Некоторые дельтапланы и большинство планеров буксируются самолетом с двигателем, а затем отрываются, чтобы начать планирование.

Самолет с двигателем, который тянет планер ввысь, дает планеру определенное количество потенциальной энергии. Планер может обменивать разницу потенциальной энергии с большей высоты на меньшую для получения кинетической энергии, что означает скорость. Планеры всегда снижаются относительно воздуха, в котором они летят.

Планеры спроектированы так, чтобы быть очень эффективными, чтобы спускаться очень медленно. Если пилот может обнаружить воздушный карман, который поднимается быстрее, чем снижается планер, планер может на самом деле набирать высоту, увеличивая свою потенциальную энергию. Карманы восходящего воздуха называются восходящими потоками. Восходящие потоки обнаруживаются, когда ветер, дующий на холм или гору, должен подняться, чтобы подняться над ними. Восходящие потоки также можно найти над темными массивами суши, которые поглощают солнечное тепло. Тепло от земли нагревает окружающий воздух, что заставляет воздух подниматься вверх. Поднимающиеся карманы горячего воздуха называются термиками. Крупные планирующие птицы, такие как совы и ястребы, часто кружат внутри термика, чтобы набрать высоту, не взмахивая крыльями. Планеры делают то же самое.

НАСА: Планеры

«Какая сила толкает планер к полету?»

Это зависит от того, какую систему отсчета мы используем.

Первый закон Ньютона: сила = масса, умноженная на ускорение. В линейном прямолинейном полете ускорение равно нулю, поэтому результирующая сила равна нулю. В линейном (прямолинейном) планирующем полете нет результирующей силы.

Затем мы должны рассмотреть точное значение слов «Какая сила толкает планер к полету?»

Эти слова в основном спрашивают, каковы все существующие силы, которые воздействуют на составляющую, параллельную траектории полета, действующую в основном вперед, а не в основном назад. (Обратите внимание, что в вопросе не использовалось слово «тяга», которое имеет другое, конкретное, четко определенное значение в авиации. «Тяга» равна нулю в планирующем полете.)

Ответ на вопрос зависит от того, что именно мы подразумеваем под «траекторией полета».

Если мы смотрим на траекторию полета через воздушную массу , то такой аэродинамической силы нет, но гравитация создает составляющую силы, которая действует против направления вектора сопротивления, то есть параллельно траектории полета и действующая в основном в прямом направлении. хотя гравитация чисто вертикальная. Так что есть один ответ.

Если мы смотрим на траекторию полета относительно земли , ответ становится более сложным и зависит от того, снижается ли планер, поднимается ли он или поддерживает постоянную высоту. Рассмотрим случай, когда планер поддерживает точно постоянную высоту при наклонной подъемной силе. Какая сила создает компонент, действующий параллельно траектории, обычно в прямом направлении? Не гравитация. И хотя результирующая аэродинамическая сила действует вертикально вверх, составляющая результирующей аэродинамической силы, которую мы называем вектором подъемной силы, действительно содержит составляющую , действующую параллельно траектории в общем направлении вперед, и, таким образом, противодействующую составляющейвектора сопротивления, который действует параллельно траектории в основном в обратном направлении. Но будьте осторожны, чтобы не спутать это заявление с заявлением о том, что подъемная сила фактически помогает противостоять сопротивлению — это не так. Подъемная сила и сопротивление ортогональны (т.е. перпендикулярны друг другу).

Приведенный выше аргумент может показаться некоторым читателям замысловатым способом игры в «игры» с компонентами векторов. Но на самом деле то же самое можно сказать и об утверждении, что гравитация каким-то образом помогает «толкать» планер по воздуху. Ключевым моментом является то, что в прямолинейном планирующем полете подъемная сила, сопротивление и вес образуют замкнутый векторный треугольник с нулевой результирующей силой. Какие компоненты этого треугольника можно считать вносящими вклад в компонент, который «толкает» вперед по траектории, зависит от того, из какой системы отсчета мы наблюдаем траекторию.

Анализ становится еще более странным, если мы смотрим на траекторию относительно земли, а планер набирает высоту. Существуют даже действительные системы отсчета, в которых планер движется назад. Теперь, каково направление составляющей силы, которую мы считаем чисто «толкающей» силой?

Например, рассмотрим планер, который медленно поднимается прямо вверх относительно земли в мощном подъеме горных волн. Это случается часто. Поскольку вектор подъемной силы и сопротивления всегда определяется относительно воздушной массы, а не относительно земли, при заданной установившейся воздушной скорости они сохраняют одну и ту же ориентацию в пространстве при заданном угле атаки крыла, как планер. сохраняет один и тот же угол тангажа в пространстве, независимо от того, как воздушная масса движется относительно земли. Поскольку планер медленно поднимается прямо вверх, очевидно, что вектор подъемной силы и вектор лобового сопротивления теперь совпадают .содержат компоненты, действующие в направлении траектории относительно земли, а весовой вектор — нет. Точно так же нетрудно представить случай, когда планер дрейфует назад и набирает высоту по такой траектории, что только вектор сопротивления содержит какую-либо составляющую, действующую вдоль направления траектории относительно земли.

Идея о том, что составляющая вектора подъемной силы помогает тянуть планер вперед по траектории самолета, если смотреть с земли, верна только тогда, когда достигнутое качество планирования самолета лучше, чем отношение L/D, или когда самолет набирает высоту ( если только воздушное судно не дрейфует назад по траектории набора высоты, которая является более плоской, чем направление вектора сопротивления). Если попутного ветра нет, это означает, что воздух должен подниматься.

Обычно наиболее полезно сосредоточиться на траектории полета планера через воздушную массу, а не на траектории полета планера относительно земли или относительно других систем отсчета, но все эти точки зрения технически верны.

Когда мы используем траекторию полета планера через воздушную массу в качестве системы отсчета, ответом на вопрос «Какая сила толкает планер к полету?» является «компонент веса или вектор силы тяжести, который действует параллельно траектории полета. В этой системе отсчета ни подъемная сила, ни сопротивление не создают никакой «толкающей» силы, т. е. никакой силы, действующей параллельно траектории полета и направленной в основном вперед, а не назад.

Обратите внимание, что может быть задан связанный с этим вопрос: «Что приводит в движение планер в полете»? Работа — это сила, умноженная на расстояние, а мощность — это работа за время. Опять же, ответ будет зависеть от того, смотрим ли мы на работу, проделанную в направлении траектории относительно воздушной массы, или в направлении траектории относительно земли. В первом случае ответом является просто «компонент вектора веса, который действует параллельно траектории полета», а во втором случае ответ зависит от направления, в котором воздушная масса движется относительно земли.

Связанные вопросы и ответы по ASE (включая несколько полезных диаграмм)

Что создает тягу по линии полета планера? (Вопрос)

Что создает тягу по линии полета планера? (Отвечать)

«Гравитационная» мощность против мощности двигателя (Вопрос)

Сила гравитации против мощности двигателя (ответ)

Импульс и инерция.

Другие (гравитация, подъемная сила, сопротивление) не являются источниками энергии, но они изменяют силы энергии. Действующими силами являются импульс и инерция.