Как крылья создают подъемную силу?

Чтобы разобраться в этом, может помочь рассмотрение подъемной силы на молекулярном уровне:

Каждая молекула воздуха находится в динамическом равновесии между эффектами инерции, давления и вязкости:

• Инерционный означает, что масса частицы хочет двигаться, как прежде, и ей нужна сила, чтобы убедиться в обратном.
• Давление означает, что частицы воздуха все время колеблются и отскакивают от других частиц воздуха. Чем больше подпрыгивая, тем больше силы они воздействуют на свое окружение.
• Вязкость означает, что молекулы воздуха из-за этих колебаний стремятся принять скорость и направление своих соседей.

Обтекание верхней стороны крыла

Теперь о воздушном потоке: когда крыло приближается на дозвуковой скорости, область низкого давления над его верхней поверхностью будет всасывать воздух впереди него. Посмотрите на это так: выше и ниже по потоку от пакета воздуха у нас меньше отскоков молекул (= меньшее давление), и теперь неуменьшающийся отскок воздуха ниже и выше по потоку от этого пакета будет толкать его молекулы воздуха вверх и к этому крылу. Пакет воздуха будет подниматься и ускоряться по направлению к крылу и всасываться в эту область низкого давления. Из-за ускорения пакет будет растягиваться в длину, и его давление падает синхронно с набором скорости. Растекание происходит в направлении потока - пакет искажается и вытягивается в длину, но сжимается в направлении, ортогональном потоку. Это сокращение необходимо, чтобы освободить место для этого крыла; в сверхзвуковом потокеон будет замедляться с той же целью. Оказавшись там, он «увидит», что крыло под ним отклоняется от пути его движения, и если этот путь останется неизменным, между крылом и нашим воздушным пакетом образуется вакуум. С неохотой пакет изменит курс и будет повторять контур крыла. Для этого требуется еще более низкое давление, чтобы заставить молекулы изменить свое направление. Этот быстротекущий воздух с низким давлением, в свою очередь, всасывает новый воздух впереди и ниже себя, затем замедляется и восстанавливает прежнее давление над задней половиной крыла и вытекает с новым направлением потока.

Обратите внимание, что подъемная сила может произойти только в том случае, если верхний контур крыла будет наклонен вниз и в сторону от начального пути воздуха, обтекающего переднюю кромку крыла. Это может быть либо развал, либо угол атаки — оба будут иметь одинаковый эффект. Поскольку изгиб позволяет постепенно изменять контур, он более эффективен, чем угол атаки.

Обтекание нижней стороны крыла

Пакет воздуха, оказавшийся под крылом, будет испытывать меньший подъем и ускорение, а в выпуклой части сильно изогнутых профилей он будет испытывать сжатие. Он также должен изменить свой путь потока, потому что криволинейное и/или наклонное крыло будет толкать воздух под ним вниз, создавая большее давление и больший отскок сверху для нашего пакета под крылом. Когда оба пакета прибудут на задний фронт, они наберут некоторую нисходящую скорость.

За крылом оба пакета некоторое время будут двигаться вниз по инерции и толкать другой воздух под ними вниз и в стороны. Над ними этот воздух, который раньше отталкивался вбок, теперь заполнит пространство над нашими двумя пакетами. Макроскопически это выглядит как два больших вихря. Но воздух в этих вихрях уже не может воздействовать на крыло, поэтому не повлияет на лобовое сопротивление или подъемную силу. Подробнее об этом эффекте смотрите здесь , включая красивые картинки.

Подъем можно объяснить несколькими эквивалентными способами.

Следуя описанной выше картине поля давления, подъемная сила представляет собой разницу давлений между верхней и нижней поверхностями крыла. Молекулы будут больше отскакивать от обшивки крыла с нижней стороны, чем с верхней, и разница заключается в подъемной силе.

Или вы посмотрите на макроскопическую картину: определенная масса воздуха была ускорена вниз крылом, и для этого потребовалась сила, действующая на этот воздух. Эта сила удерживает самолет в воздухе: подъемная сила.

Если вы посмотрите на крыло как на черный ящик и обратите внимание только на импульс входящего и выходящего воздуха, крыло изменит импульс, добавив нисходящую составляющую. Сила реакции на это изменение импульса — подъемная сила.

В любом случае вы придете к одному и тому же результату. Между прочим: большая часть изменения направления происходит в передней части аэродинамического профиля, а не на задней кромке!

Лифт - это вопрос определения

Подъемная сила и индуктивное сопротивление являются частью давлений, действующих на крыло. Если сложить все силы давления, действующие на крыло, их результирующий вектор будет направлен немного назад. Продольная составляющая — сопротивление, а составляющая, ортогональная направлению движения — подъемная сила. Это просто определение, сделанное для простоты.

Краткий ответ: воздействуя на окружающий воздух нисходящей силой.

Длинный ответ: некоторые специалисты по связям с общественностью в Исследовательском центре Гленна при НАСА написали очень хорошее многостраничное объяснение, рассматривающее отдельно каждый из сопутствующих эффектов, а также обсуждение того, почему объяснения, которые вы, возможно, слышали в школе, не работают. Поскольку навигация там немного странная, я буду связывать каждую страницу отдельно с кратким описанием.

Подъем из зоны давления

Когда жидкость движется по объекту (или наоборот), давление в разных точках различно. Из-за этой разницы давлений возникает общая сила. Вы можете использовать уравнение Бернулли, чтобы вычислить эту силу, но для начала вам нужно знать скорость жидкости (в каждой точке крыла). Вы не можете просто объяснить это «эффектом Бернулли», потому что эффект Бернулли точно так же применим ко всему, что движется в воздухе.

Подъем от Flow Turning

Обе поверхности крыла поворачивают поток воздуха. Нижняя поверхность отклоняет его (воздух отскакивает от крыла), а изогнутая верхняя поверхность огибает его (воздух прилипает к крылу). Поворот потока — это то, что дает вам подъемную силу, а не просто сопротивление. Вы можете рассматривать вращение как источник разницы давлений в эффекте Бернулли, или вы можете думать о нем просто как о равных и противоположных силах.

Есть еще один способ моделирования поворота потока, который не обсуждается на сайте НАСА. Если вы слышали о теореме Кутта-Жуковского , то вот к чему она относится. Когда воздух огибает крыло (или любой предмет), есть две особые точки. В передней части крыла часть воздуха проходит сверху, а часть — под днищем, но между ними есть точка. Противоположная ситуация происходит в задней части крыла, где воздух с верхней поверхности встречается с воздухом, пришедшим снизу (но не «тот же самый» воздух: см. неверную теорию № 1 ниже). Эти две точки называются точками застоя . В обычном объекте они находятся на одном уровне по вертикали друг с другом, но из-за того, что задняя часть крыла острая., задняя критическая точка образуется за ним при достаточно быстром движении крыла. Это ниже, чем передняя критическая точка, что означает, что чистое движение воздуха направлено вниз. Отсюда происходит поворот потока, и теорема позволяет рассчитать, какую подъемную силу вы получите.

Неверная теория №1: одинаковое время прохождения

Как я уже сказал, чтобы использовать эффект Бернулли, вы должны объяснить, почему воздух на верхней поверхности движется быстрее. Учителя часто утверждают, что это происходит потому, что воздух на верхней поверхности должен встречаться с воздухом на нижней поверхности. Это просто неправильно, и есть хороший симулятор, чтобы продемонстрировать это.

Неверная теория № 2: пропуск камня

На этой странице обсуждается, когда люди понимают, что воздух «отскакивает» от нижней поверхности крыла, но пренебрегают верхней поверхностью.

Неверная теория № 3: Вентури

Некоторые люди представляют себе верхнюю поверхность крыла как половину сопла Вентури (сопло, которое ускоряет поток жидкости, сужая его). Эта разница скоростей привела бы к разнице давлений (снова эффект Бернулли), но оказывается, что крыло вообще не работает как сопло.

Бернулли и Ньютон

Эта последняя страница просто резюмирует, что неправильные теории начинаются с хорошо известной физики (законы Ньютона или эффект Бернулли), но затем пытаются все упростить, чтобы они соответствовали ситуации, и заканчиваются объяснениями, которые делают неверные предсказания.

КАК САМОЛЕТ СОЗДАЕТ ПОДЪЁМНУЮ ПОДЪЁМНУЮ

Обычно за тем, почему самолет летает, стоят две популярные области мысли (за исключением развенчанной теории равного времени); некоторые думают, что это вызвано применением 3-го закона Ньютона, а другие думают, что это вызвано разницей давлений сверху и снизу крыла. По сути, и «ньютоновское» объяснение, и объяснение «высокого/низкого давления» в определенной степени верны. НАСА признает это (см. вторую ссылку ниже) в своей статье, однако их окончательное объяснение гораздо больше сосредоточено на математическом приложении, чем на физическом объяснении.

3-й закон Ньютона

Со стороны третьего закона Ньютона результирующая аэродинамическая сила вызвана перенаправлением относительного ветра вниз (известным как «струя вниз»). Если вы посмотрите на векторную диаграмму, описывающую силы крыла в воздухе, то увидите, что это перенаправление вызвано силой, действующей на ветер со стороны крыла, которое направлено вниз и более или менее перпендикулярно хорде крыла (т. линия непосредственно между передней кромкой и задней кромкой). Из-за 3-го закона Ньютона это приводит к тому, что ветер действует на крыло в противоположном направлении (вверх и более или менее перпендикулярно линии хорды); эта восходящая чистая аэродинамическая сила объясняет подъемную силу и индуктивное сопротивление (сопротивление, вызванное процессами подъема аэродинамического профиля, не путать с паразитным сопротивлением, которое представляет собой сопротивление, вызванное поверхностями самолета;

В нижней части крыла это перенаправление воздуха можно объяснить просто. Относительный ветер ударяется о дно и отталкивается от аэродинамического профиля нормальной силой аэродинамического профиля.

В верхней части крыла воздух перенаправляется благодаря явлению, известному как эффект Коанда, что приводит к ламинарному потоку (относительный ветер следует за крылом и направляется им вниз). Я более подробно опишу, почему ветер следует за этим ламинарным потоком, когда объясню второе важное явление, создающее подъемную силу, связанное с давлением (поскольку вам понадобится информация из этого раздела, чтобы понять эффект Коанда).

Высокое/низкое давление

Давление воздуха в нижней части крыла выше, чем на Патме (атмосферное давление). Это связано с тем, что воздушные потоки концентрируются, когда их пути блокируются и перенаправляются аэродинамическим профилем. Более высокая концентрация воздуха приводит к более высокому давлению.

Точно так же на верхней части аэродинамического профиля воздушные потоки не могут напрямую достигать верхней поверхности крыла, создавая пустоту, в которой концентрация частиц воздуха ниже и, следовательно, ниже давление. Поскольку жидкости естественным образом перетекают от высокого к низкому давлению, воздух в Патме намного выше крыла «всасывается» вниз и прилегает к поверхности крыла. Однако даже при таком ламинарном течении (как мы обсуждали выше) все еще существует зона низкого давления на верхней части крыла; воздуха из ламинарного потока все еще недостаточно, чтобы вернуть эту область в Патм. Это можно найти, посмотрев на карту давления аэродинамического профиля — вы увидите, что на верхней части крыла есть область низкого давления, даже если существует ламинарный поток. В этом разделе также должен был быть ответ, почему существует ламинарный поток (см. последнюю часть третьего закона Ньютона выше).

Наконец, поскольку у вас более высокое давление (сила на единицу площади) на нижнюю часть крыла, чем на верхнюю часть крыла, силы на аэродинамическом профиле неуравновешены и направлены вверх, в том же направлении, что и чистая аэродинамическая характеристика. сила, вызванная третьим законом Ньютона (подробно описанным выше). Это способствует чистой аэродинамической силе.

Из-за меньшего давления в верхней части крыла по сравнению с нижней, поток воздуха в верхней части крыла движется быстрее, чем в нижней, в соответствии с уравнением Бернулли (в основном в воздушном потоке уменьшение давления приводит к увеличению скорости и наоборот) -- См. блок-схему в верхней части этого поста. Возможно, поэтому так широко принята теория «равного времени» (о том, что воздушный поток в верхней части крыла должен пройти большее расстояние, поэтому он должен двигаться быстрее). Воздушный поток сверху действительно движется быстрее, но не потому, что это большее расстояние.

Это также объясняет «вихри на концах крыльев» — те закрученные вихри воздуха, которые можно увидеть (при определенных условиях) за крыльями самолета. Это связано с тем, что воздух под высоким давлением из нижней части крыла закручивается над концами крыла, пытаясь нейтрализовать область низкого давления сверху (поскольку жидкости имеют тенденцию перемещаться от высокого давления к низкому). Они действительно увеличивают давление в верхней части крыла (и, как следствие, уменьшают давление в нижней части), несколько уменьшая перепад давления, однако, поскольку самолет движется, не весь воздух, идущий снизу вверх, достигает места назначения, так как аэродинамический профиль движется в сторону, оставляя этот воздух закручиваться в круговой вихрь. Этот поток воздуха под высоким давлением уменьшает подъемную силу (потому что уменьшает перепад давления). Вот почему были изобретены крылышки (вертикальные удлинители на концах крыльев) - чтобы блокировать часть этого потока и увеличить подъемную силу (и, следовательно, топливную экономичность). «Эффект земли» или явление, которое увеличивает подъемную силу, когда самолет находится близко к земле, возникает из-за того, что земля мешает воздуху, пытающемуся закрутиться и нейтрализовать низкое давление на верхней части крыла.

Заключительные комментарии

Еще одно аэродинамическое явление, которое я отнесу к этому объяснению, — «сваливание». Когда аэродинамический профиль сваливается, он теряет большую подъемную силу и больше не может противодействовать гравитации, в результате чего самолет падает на землю. Как пилот, я много раз практиковал сваливание, и есть две заметные вещи, которые происходят перед сваливанием. Во-первых, самолет значительно теряет скорость по мере того, как вы начинаете увеличивать угол атаки. В этом случае происходит то, что общая сила, действующая на крыло, направлена ​​назад под углом, поэтому в основном это индуцированное сопротивление, а не подъемная сила (до определенного момента увеличение угла атаки увеличивает подъемную силу, потому что это увеличивает общую силу, действующую на аэродинамический профиль, однако по мере того, как угол становится экстремальным, подъемная сила начинает уменьшаться, а сопротивление продолжает увеличиваться). Наконец, когда самолет глохнет, вы чувствуете внезапный рывок самолета вниз, как будто шнур, удерживающий его, только что перерезали. В этом случае крыло достигло критического угла атаки, и ламинарный поток в верхней части крыла (как подробно описано выше) отделился (поскольку более низкое давление в верхней части крыла больше не может тянуть ветер вниз, чтобы соответствовать его поверхность, так как необходимая сила для изменения вектора скорости ветра на этот большой угол не может быть вызвана этой разницей давлений.Как только самолет сваливается, вы должны снова присоединить ламинарный поток к воздушному потоку, чтобы «оправиться» от сваливания - в самолете вы сделать это, опуская коромысло.

В будущем я хотел бы расширить этот пост дополнительными математическими пояснениями о том, как рассчитать подъемную силу данного аэродинамического профиля, а также изучить другие связанные с этим вещи, такие как коэффициент подъемной силы, число Рейнольдса, как рассчитать критический угол атаки и связанные темы. . В этой области, как правило, преобладают эмпирические данные, и проникнуть в некоторые из них с помощью сложной математики сложно, но интересно (не говоря уже о пути будущего, тем более, что компьютеры теперь могут обрабатывать эти математические модели для нас и намного быстрее). при этом, чем эксперименты могут быть).

Полезные источники:

1. allstar.fiu.edu/aero/airflylvl3.htm

2. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/bernnew.html

3. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

4. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong2.html

5. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong3.html

6. www.youtube.com/watch?v=YyeX6ArxCYI

Самый простой ответ, который я знаю, но который по-прежнему точен, заключается в том, что для того, чтобы любой объект двигался по воздуху, некоторая сила должна отталкивать воздух перед ним (гравитация, двигатели, импульс и т. д. не имеет значения). Если больше воздуха выталкивается вниз, чем вверх (например, крыльями), то разница называется подъемной силой.

Крылья создают подъемную силу, толкая воздух вниз. В детстве я высовывал руку из открытого окна машины и наклонял ее — есть восходящая сила. Плоская пластина делает это.

Таким образом, крылья самолета могут быть плоскими пластинами, но, к сожалению, плоские пластины создают сильное сопротивление, как только они создают подъемную силу, поскольку поток на верхнем конце сразу же отрывается (завитая спираль на рисунке выше). Этот эффект можно уменьшить, используя выпуклую пластину вместо плоской, уменьшая вихрь на верхней поверхности:

Но проблема остается в том, что как только выпуклая пластина наклоняется дальше, она создает сильное сопротивление, как и прямая плоская пластина. Форма капли воды более эффективна при сопротивлении, чем плоская пластина, поскольку поток остается прикрепленным. А что такое сечение крыла кроме выпуклой пластины с сечением капли воды?

Это становится немного запутанным, когда мы смотрим на ускорение воздуха наверху и более низкое давление и т. д., особенно если мы хотим объяснить создание подъемной силы из этого. В конечном итоге подъемная сила создается за счет ускорения воздуха вниз, а непрерывность массы подразумевает, что воздух на верхней стороне должен ускоряться. Это следствие, а не причина.

Вот ссылка на веб-книгу Джона С. Денкера по аэродинамическим профилям. Это, вероятно, окончательное объяснение того, как работают крылья. У Джона Денкера есть несколько сайтов, которые стоит посетить.

http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

Итог: чтобы самолет массой 150 000 фунтов оставался в воздухе, он должен сообщать воздуху, через который он проходит, импульс в 150 000 фунтов фут. Вы можете говорить о разнице атмосферного давления (и т. д.), но это только начало объяснения. Если вы считаете, что равное время прохождения или кривизна крыльев — это то, что заставляет крылья работать, то это обязательная к прочтению статья.

Простой способ понять это состоит в том, что крыло действует как лопасть в вентиляторе. Движение по воздуху под правильным углом приводит к образованию вакуума сверху. Передний наконечник должен быть круглым, чтобы воздух мог плавно перемещаться и расширяться для создания вакуума.

Плоское дно и другие формы просто усиливают этот эффект, но в этом нет необходимости. Вот почему можно летать вверх ногами, пока крыло касается воздуха под правильным углом. (Не под прямым углом.)

Обновление : см. Собственные эксперименты по повороту потока в нижней части этого поста.

Я независимый научный журналист, я провел много исследований мифов и ложных объяснений относительно подъемной силы, и вот результат:

Эта проблема. Как известно, принцип образования подъемной силы в целом и эффект Магнуса во многих источниках неправильно понимается и объясняется ложно. Высокая скорость потока вокруг выпуклости аэродинамического профиля (или вращающейся сферы/цилиндра в случае эффекта Магнуса) и связанное с этим низкое давление (эффект Бернулли) не являются причиной подъемной силы, как это часто утверждается, а просто способствуют созданию подъемной силы, поскольку есть ускорение воздуха. Тем не менее, это все еще важный фактор в механизме подъемной силы, поскольку он является частью подъемной силы (сила = масса x ускорение ). Это дополнительное ускорение из-за увеличения скорости потока может быть добавлено к нормальному ускорению, связанному с силой, заставляющей поток поворачиваться.

Настоящая Причина. Также общепризнано, что реальной причиной подъемной силы является воздух, который поворачивается вниз из-за угла или формы аэродинамического профиля, и эта сила вызывает силу в противоположном направлении, как это объясняется, среди прочего, НАСА. Тем не менее, механизм до сих пор неясен для многих людей. Я пытаюсь дать немного больше понимания с помощью некоторых очень простых самостоятельно разработанных экспериментов и примеров, которые легко понять. (см. также эту демонстрацию видео). Мы знаем, что для того, чтобы повернуть поток, требуется сила, поэтому чем больше отклонение, тем больше сила. Поворот на самом деле является ускорением. При вращении должна действовать равная сила в противоположном направлении (третий закон Ньютона). Это фактическая подъемная сила аэродинамического профиля. Ясно, что при определенном радиусе поворота потока (действия) возникает равный радиус противодействующей силы (противодействия). Важно понимать, что реакция профиля на ускоренный поток воздуха обусловлена ​​взаимодействием поверхности профиля с пограничным слоем.

Центр Давления. Ключом к созданию действия = противодействия на аэродинамическом профиле является вязкость воздуха, поскольку без того, чтобы воздух меньше или больше прилипал к аэродинамическому профиле, необходимое взаимодействие не произошло бы. Эти силы действуют повсюду на аэродинамическом профиле, кроме центра давления (ЦД). происходит там, где среднее отклонение является самым большим, поэтому есть также самая большая точка действия = реакции. Это точка, в которой на аэродинамический профиль действует подъемная сила. Мы можем легко проверить это с выпущенными закрылками. Закрылки вызывают большее отклонение воздуха на задней кромке, поэтому центр давления больше смещается к задней кромке, чем без закрылков.

Реальная подъемная сила. Когда воздух отклоняется вниз, воздух оказывает силу в противоположном направлении, а это означает, что он суммируется с давлением на нижнюю сторону крыла, в результате чего увеличивается вектор в направлении вверх. Но на верхней стороне крыла теперь у нас есть меньший вектор, поскольку давление снижается, потому что здесь вычитается давление, вызванное силой в направлении вверх. Результатом является чистая сила, направленная вверх. Это снижение вертикального давления и есть реальная подъемная сила.

Подводя итог: мы имеем относительно низкое уменьшение тангенциального давления (действующее в направлении потока), которое является частью Бернулли и является ускоряющей частью подъемной силы. И у нас есть огромное снижение вертикального давления, которое является ньютоновской частью подъемной силы, которая фактически заставляет аэродинамический профиль двигаться вверх и определяет, где на аэродинамическом профиле расположен центр давления и где действует результирующая подъемная сила. Большая часть давления, которое мы видим на фигуре изобар аэродинамического профиля, является вертикальной, и лишь небольшая часть - тангенциальной. Это соответствует более ранним измерениям аэродинамиков о том, что снижение давления в направлении потока (Бернулли) не соответствует фактической создаваемой подъемной силе.Чтобы понять взаимосвязь между снижением давления в направлении потока и снижением давления в вертикальном направлении, уясните, что отклонение потока для создания подъемной силы всегда сопровождается градиентом давления , поэтому, если скорость потока выше верхней аэродинамического профиля и понижает давление (принцип Бернулли), а затем поворачивается вниз, создавая восходящую силу, поток замедляется и давление увеличивается. Это увеличение давления на верхней стороне аэродинамического профиля незначительно по сравнению с уменьшением давления на верхней стороне, вызванным ускорением воздуха вниз, поэтому аэродинамический профиль движется вверх, и у нас есть подъемная сила.

Еще один Пример. Представьте плоское пластинчатое крыло, летящее под нулевым углом атаки, с закрылком на задней кромке, направленным вниз. Представьте только воздушный поток на верхней стороне этого крыла. Нет ускорения и связанного с этим снижения давления потока, так как поток не проходит никаких препятствий. Он просто сталкивается с неблагоприятным градиентом давления, когда он движется через створку вниз, потому что скорость потока уменьшается, а, следовательно, увеличивается давление потока (Бернулли). Но поскольку поток отклоняется вниз, одновременно действует сила в противоположном направлении, и поэтому на верхней стороне происходит гораздо более важное снижение давления.(поскольку сила, направленная вверх, работает против давления окружающей среды, идущего сверху). Это уменьшение давления, вызванное «вертикальным» действием, и есть реальная подъемная сила.

Обновление : собственные эксперименты по повороту потока. 26 сентября 2018 года во время личных тестовых экспериментов по вращению потока с помощью самодельных картонных летательных аппаратов я обнаружил убедительные доказательства теории, о которой давно подозревал. Это связано с важностью расстояния поворота потока по отношению к крутизне поворота. Кратко объяснил: расстояние поворота кажется более важным, чем угол поворота. При броске крыла и при оценке положения центра давления сторона с самым длинным разворотом всегда выигрывала у стороны с самым крутым разворотом, какой бы ни была ориентация крыла.

Результаты теста:

-- Короткая крутая кривая, направленная вниз спереди, длинная менее крутая кривая сзади, направленная вверх.> Результат: положительный импульс, нос движется вверх. Это эффект кривой сзади как преобладающей кривой, направленной вниз спереди. создаст момент опускания носа, поскольку это будет отрицательный угол атаки.

-- Длинная менее крутая кривая, направленная вверх спереди, короткая крутая кривая сзади, направленная вниз.> Результат: положительная инерция, нос движется вверх. Это эффект длинной менее крутой кривой спереди, так как это положительный угол атаки.

Результаты моих выводов соответствуют тому факту, что поток, закручивающийся на передней кромке аэродинамического профиля, действительно является самым большим, хотя и не создает самого большого импульса. Однако поворот к задней кромке после точки максимального развала дольше, он выигрывает, поэтому создает импульс КП. Однако кажется логичным, что в битве между двумя кривыми одинаковой длины побеждает кривая с наибольшим углом.

Одно из моих самостоятельно разработанных устройств для экспериментов с подъемной силой, поворотом потока и центром давления: демонстратор FWSCLm (стабилизация летающего крыла и движение CL) . Перо спереди можно перемещать внутрь и наружу, чтобы регулировать центр тяжести. Закрылки в задней части используются для увеличения или уменьшения кривизны профиля крыла с целью регулирования центра подъемной силы. вид сбоку

Каким образом маленький шарик создает центростремительную силу при движении по искривленной поверхности? Причина в гравитации. Когда маленький шарик имеет скорость, указанную красной стрелкой, маленький шарик имеет тенденцию уходить вдоль нормального направления поверхности, поэтому сила маленького шарика на искривленной поверхности будет уменьшена, таким образом, центростремительная сила маленького шарика будет получен шар, движущийся по поверхности.

Маленькие шарики на поверхности превращаем в воздух. Когда воздух не движется, предположим, что сила воздуха на искривленной поверхности равна F, а когда воздух имеет скорость в направлении, указанном красной стрелкой, сила воздуха на искривленной поверхности равна f, потому что воздух имеет тенденция уйти вдоль нормали искривленной поверхности, поэтому F > f. Таким образом, воздух имеет центростремительную силу, движущуюся по изогнутой поверхности, которая заставляет воздух двигаться по изогнутой поверхности.

Сила, с которой воздух действует на искривленную поверхность, называется давлением воздуха. Снижение давления воздуха — это уменьшение силы, с которой воздух действует на искривленную поверхность.

Изогнутая поверхность здесь похожа на крыло.

Подъемная сила — это сила, возникающая на крыле из-за разницы давлений . Итак, в основном, если вы можете достичь разного давления над и под крылом, у вас будет подъемная сила. Теперь, согласно основному закону Ньютона, эта сила будет направлена ​​из области высокого давления в область низкого давления (поскольку область высокого давления будет толкать поверхность, прилагая к ней большую силу, чем область низкого давления). давление, которое будет толкать поверхность с относительно меньшей силой).

Теперь важно создать эту разницу давлений. Это достигается за счет использования интересного свойства жидкости: быстротекущая жидкость имеет более низкое давление по сравнению с медленно движущейся жидкостью. Это свойство может быть доказано различными математическими средствами и прекрасно воплощено в принципе Бернулли . Следовательно , принцип Бернулли является математическим выражением неотъемлемого свойства жидкости.

Теперь, чтобы получить подъемную силу, необходимая разность давлений может быть создана путем обтекания аэродинамического профиля таким образом, чтобы скорости жидкости под и над аэродинамическим профилем были разными. Это достигается за счет изменения формы крыла (развала) таким образом, что оно становится асимметричным. Асимметрия вызывает разные скорости в верхней и нижней части аэродинамического профиля по следующей причине:

Когда жидкость достигает передней кромки аэродинамического профиля, часть жидкости вытесняется вверх, а часть вниз. Из-за асимметрии аэродинамического профиля жидкость, которая двигалась вверх, имеет меньшую площадь поперечного сечения для движения по сравнению с жидкостью, которая прошла под аэродинамическим профилем. Эта разница в площади, доступной жидкости для движения, создает разницу в скоростях жидкости в разных областях. Это свойство жидкости двигаться быстрее в областях с меньшим поперечным сечением и двигаться медленнее в областях с большим поперечным сечением может быть получено в математической форме путем применения закона сохранения массы и называется принципом непрерывности .

Следовательно, изменение скорости жидкости создает градиент давления, который, в свою очередь, вызывает силу, действующую на крыло, называемую подъемной силой. Теперь эта подъемная сила может быть в любом направлении (что можно было бы выяснить, интегрируя очень малые силы на очень малых участках поверхности крыла). Составляющая этой силы, перпендикулярная направлению скорости самолета, называется подъемной силой, тогда как другая составляющая , параллельная скорости самолета, включается в силу лобового сопротивления .

РЕДАКТИРОВАТЬ

Для очень точного представления уравнений, определяющих поведение жидкости, можно утверждать, что принцип Бернулли неверен. В этом случае уравнение Навье-Стокса справедливо, но для понимания можно считать, что любой неизменный во времени (стационарный) в сжимаемом невязком потоке подчиняется уравнению Бернулли.

Кроме того, для реальной жидкости в большинстве случаев она не будет подчиняться уравнению Бернулли, но общее поведение снижения давления с увеличением скорости потока все еще наблюдается, хотя точное падение давления не может быть рассчитано с помощью уравнения Бернулли. В таких случаях уравнение Навье-Стокса используется для правильного расчета перепада давления, создаваемого из-за увеличения скорости потока.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2

Для симметричных крыльев крыло не будет создавать никакой подъемной силы, если поток смотрит на крыло симметрично, так что это по своей сути означает, что симметричное крыло с нулевым углом атаки не будет создавать никакой подъемной силы. Чтобы получить подъемную силу от симметричного крыла, его помещают под некоторым углом к ​​потоку, чтобы поток видел его «асимметрично», и, следовательно, приведенное выше объяснение может быть использовано для объяснения возникающей в этом случае жизни.

РЕДАКТИРОВАТЬ 3

Объяснение для самолетов, летящих вверх ногами: чтобы нормальный самолет мог летать, необходим положительный угол атаки. Дайте этому самолету крен оси скорости на 180 градусов, вы получите самолет с -ve углом атаки и, следовательно, с отрицательной подъемной силой. Но самолет не может поддерживать полет с отрицательной подъемной силой, поэтому перевернутым летящим самолетам необходимо увеличить отрицательный угол атаки до положительного, потянув нос вверх (это будет толкать нос к небу в перевернутом положении). вниз по плоскости). Это приводит к изменению угла атаки и становится +ve. Угол атаки +ve означает, что теперь крыло будет жить так, что перевернутый самолет будет иметь подъемную силу в направлении вверх (это эквивалентно нормальному самолету с углом атаки -ve и, следовательно, отрицательной подъемной силой).

Самолет летает за счет нескольких механизмов. Первый - это эффект Бернулли, вызванный изгибом крыла, который создает перепад давления, толкающий крыло вверх, когда оно движется вперед в воздухе. Обратите внимание, что у птиц выпуклые крылья. Однако можно иметь самолет с полностью плоскими крыльями и вообще без изгиба, поэтому ошибочно думать, что это единственный источник подъемной силы (как это сделали некоторые из приведенных выше ответов).

Угол у корня крыла также важен. Если вы высунете руку под углом из окна автомобиля, вы почувствуете, как она выталкивается вверх. Тот же самый эффект достигается в самолете за счет наклона крыльев немного вверх относительно плоскости фюзеляжа.

Наконец, вы должны знать, что причина, по которой самолет остается в воздухе, связана не с подъемной силой, а с площадью поверхности, которую он представляет земле. Основной силой, удерживающей самолет, является сопротивление воздуха, которое зависит от площади этой поверхности. Сила этого сопротивления воздуха намного больше, чем сила, создаваемая двумя предыдущими эффектами. Например, основным критерием проектирования самолета является наличие у него квадратного фюзеляжа или круглого/овального фюзеляжа. Квадратный фюзеляж будет представлять большую площадь поверхности земли, таким образом, обеспечивая большую эффективность удержания в воздухе. По этой причине почти все ранние самолеты имели квадратный фюзеляж. Однако круглый фюзеляж будет более эффективным при движении вперед, чем квадратный, поэтому в самолете, созданном для скорости, круглый фюзеляж лучше. Самолет с круглым фюзеляжем летит быстрее,

Тот же аргумент справедлив и для площади крыла. Чем больше крыло, тем больше сопротивление воздуха. По этой причине планеры имеют относительно большие крылья по сравнению с самолетами с двигателями. Недостаток большого крыла тот же, что и у квадратного фюзеляжа: самолет идет медленнее.

Итак, напомним, что есть три фактора, которые удерживают самолет в воздухе: вертикальное сопротивление воздуха из-за обращенной вниз площади поверхности, угол наклона крыльев у основания крыла и эффект Бернулли, связанный с изгибом крыльев.