Почему воздух движется быстрее над верхней частью аэродинамического профиля?

Дополнение Алекса Квиста: Когда воздух попадает на переднюю часть крыла, он течет вверх по более крутой кривой, чем поток в нижнем крыле. Это создает вакуум в верхней части крыла, и это притягивает больше воздуха к верхней части крыла. этот воздух делает то же самое, но движется быстрее из-за того, что его втягивает вакуум, а затем вакуум, конечно же, поднимает крыло.

Основной пост:

Распространенное объяснение состоит в том, что поток течет быстрее через верхнюю часть крыла, потому что верхняя часть более изогнута, чем нижняя часть крыла. Однако я понимаю, почему вы сочли это объяснение неудовлетворительным.

Для начала, я думаю, нам нужно определить точку, в которой поток разделяется. Глядя на Википедию , я опубликую два изображения:

Аргумент, что ветер дует быстрее над вершиной, в основном является следствием геометрии. Сначала определите точку, в которой поток разделяется, то есть точку, над которой жидкость проходит и ниже которой жидкость уходит вниз, это немного ниже самой передней точки аэродинамического профиля из-за того, что он немного наклонен вверх. Если обоим путям требуется примерно одинаковое время, чтобы пройти над крылом, то средняя скорость жидкости от точки разделения до хвоста, где поток воссоединяется, будет примерно пропорциональна расстоянию от этих двух точек.

Теперь вы можете сказать: «Но она будет течь быстрее через вершину, даже если вершина не изогнута больше!» Вы были бы правы. Самолет может функционировать без дополнительной кривой на верхней части крыла, как указывает знаменитый комикс xkcd. Однако при таком режиме полета жидкость будет быстрее проходить над верхней частью крыла. Простой аргумент в пользу этого заключается в том, что точка разделения находится ниже, чем передняя часть крыла, опять же, поскольку крыло наклонено вверх. Самолет может летать вверх ногами, но я не знаю самолета, который мог бы поддерживать высоту с крыльями, не поднятыми вверх. Однако изогнутая верхняя часть повышает эффективность за счет усиления этого естественного эффекта.

Я надеюсь, что это поможет некоторым, это намеренно не строгий ответ, и я хочу признать, что я не обращаюсь к более сложным деталям реальных уравнений жидкости, связанных с этим, которые необходимы для полного объяснения. Короче говоря, скорость жидкости над поверхностью не полностью пропорциональна пройденному расстоянию. Однако, даже не вдаваясь в это, я думаю, что на ваш вопрос в основном ответили.

Еще одна попытка

Я понимаю, что мой ответ до этого момента может быть не только неполным, но и не отвечать на вопрос. Вопрос в том, почему поток вверху движется быстрее, чем внизу. Позвольте мне опубликовать другое изображение.

Здесь я хочу отметить 2 вещи.

1. Жидкость над крылом ускоряется , а жидкость под крылом замедляется . Я просто хочу подтвердить, что это все еще так.
2. Жидкость, идущая сверху и снизу, не имеет одинакового времени прохождения по крылу.

Число 2 особенно важно, потому что просто неправильно говорить, что скорость пропорциональна расстоянию между точкой разделения и точкой воссоединения. Такой взгляд на это все еще может иметь некоторую пользу. Но я отвлекся.

На данный момент я повторяю объяснение Википедии , но ссылаюсь на 2-е изображение в этом ответе. При некоторых предположениях жидкость не пересекает синие линии тока . Это означает, что когда размер канала между двумя синими линиями тока сужается или расширяется, соответственно изменяется и скорость жидкости. Я все еще отмахиваюсь от множества технических деталей, но, пожалуйста, позвольте мне предложить это как ответ базового уровня.

Жидкость в верхней части крыла ускоряется, а жидкость в нижней части крыла замедляется по сравнению со скоростью самого самолета, потому что геометрия и угол крыла сужают площадь потока над крылом и расширяют площадь потока под крылом.

Это самое лучшее объяснение, которое у меня есть. Если вы предполагаете, что жидкость несжимаема, это работает отлично, если нет, то это работает менее хорошо, но все же работает. Есть также некоторые другие предположения, я надеюсь, что общая точка зрения остается той же со всеми включенными. Жирный текст - лучший ответ, который у меня есть, и я думаю , что он хороший.

Жидкость передает силы только через давление. Если аэродинамический профиль создает подъемную силу, это должно быть связано с тем, что верхняя часть находится под более низким давлением, чем нижняя часть в стационарном потоке. Величину подъемной силы можно понять по скорости отклонения воздуха вниз, но механизм подъемной силы всегда представляет собой высокое давление внизу и низкое давление наверху. Области низкого давления ускоряют жидкость, а области высокого давления замедляют ее просто потому, что жидкость совершает работу, чтобы войти в область высокого давления, и совершает над ней работу, чтобы попасть в область низкого давления. Поэтому скорость вверху больше, чем внизу.

Однако скорость вверху и внизу не гарантирует, что время прохождения одинаковое, поэтому объяснение, что аэродинамический профиль поднимается, потому что воздух над ним движется быстрее, неверно. Но существуют области низкого и высокого давления. Обратите внимание, что если сделать угол атаки аэродинамического профиля таким, что воздух, проходящий мимо него, отклоняется вверх, давление внизу меньше, а вверху больше, поэтому воздух вверху движется медленнее.

По сути, воздух течет быстрее сверху, но не потому, что он должен подчиняться какому-то правилу «равного времени» — это действительно полностью выдуманное правило, которое не соответствует действительности.

Крыло расположено под углом, а за вершиной крыла есть область более низкого давления - очень просто, крыло только что сдвинулось с этого места - как поршень насоса - воздух должен повернуться, чтобы встретиться с крылом. Перед крылом находится область повышенного давления, потому что воздух выталкивается крылом. Эта разница давлений воздействует на крыло и создает подъемную силу.

Часто цитируемый закон Бернулли нуждается в пояснении.

Это действительно очень просто. Когда воздух попадает в область низкого давления, он ускоряется, как на американских горках, спускаясь вниз - его засасывает в область низкого давления! И когда он достигает высокого давления, он замедляется, как на американских горках. Когда нет трения между линиями потока, единственным способом изменения скорости потока является ускорение и замедление, вызванное давлением. Воздух, поступающий в область низкого давления над крылом, ускоряется. Воздух, поступающий в зону высокого давления на дне, замедляется. Вот почему воздух сверху движется быстрее.

Это приводит к отклонению воздуха вниз, что необходимо для создания подъемной силы из-за сохранения количества движения (что является истинным законом физики). Чтобы воздух отклонялся вниз, необходимо, чтобы воздух наверху двигался быстрее, но это, тем не менее, не объяснение того, как мы заставили воздух двигаться быстрее наверху, а просто объяснение, почему мы этого хотим.

Обычное объяснение подъемной силы делает это в обратном порядке - оно предполагает более быстрый поток над верхней частью аэродинамического профиля, используя выдуманный неверный закон равного времени прохождения для оправдания этого, а затем использует соотношение Бернулли между скоростью и давлением для объяснения низкого давления и подъемной силы.

В общих вводных учебниках используется подход, который так или иначе сводит все к вещам, которые нельзя обвинить автора в том, что они не объяснили, в идеале к «законам». Цель по существу психологическая; вызвать чувство понимания в сознании типичного читателя.

Наука работает иначе; вместо того, чтобы стремиться добиться определенного ощущения в голове, оно производит теории, которые должны позволять предсказывать вещи.

Существенной особенностью крыла является то, что оно перенаправляет поток воздуха. Набегающий воздух движется горизонтально (относительно самолета), а за крылом воздушная масса имеет нисходящую составляющую скорости.

Фактически воздушная масса, движущаяся относительно крыла, поворачивает на угол . Из этого следует, что воздушная масса на «внешней полосе» преодолевает большее расстояние, чем воздушная масса, следующая на «внутренней полосе».

Подъем возникает из динамики действия-противодействия . Для сравнения: ротор вертолета создает подъемную силу, воздействуя на воздух. Эта сила разгоняет воздушную массу вниз, а реакция несет вертолет.

Основным явлением является перенаправление (вниз) воздушной массы крылом. Это имеет два следствия:
* Крыло создает подъемную силу
* Воздушная масса быстрее обтекает верхнюю часть крыла.

Принято считать, что воздушная масса, движущаяся сверху быстрее, создает подъемную силу. Однако это не фактическое изложение от причины к следствию. Первичным является то, что воздушная масса перенаправляется.

Вот картинка, показывающая воздушный поток вокруг крыла.

Легко может сложиться впечатление, что подъемная сила в крыле создается воздухом, отклоняющимся от его нижней части. Это правда, что из-за этого может быть некоторая подъемная сила, однако большая часть подъемной силы создается за счет действия на верхнюю часть крыла.

Представьте, что поток$A$на приведенном выше рисунке просто задевает самую высокую точку верхней части крыла. Если бы на эту линию тока не действовала какая-либо внешняя сила, она просто шла бы прямо по касательной к этой точке, а не следовала бы за крылом. Это привело бы к своего рода вакууму между линией тока и крылом. Таким образом, линия тока будет смещаться вниз, чтобы следовать за поверхностью крыла из-за разницы давлений над и под ним, а также будет ускоряться по ходу движения. Оптимизация$B$который находится чуть выше$A$точно так же наклонился бы, чтобы следовать$A$, и так далее.

Давление на верхнюю часть крыла ниже, чем давление окружающей среды, и это является основной основой для создания подъемной силы.

Также обратите внимание, что это уменьшение давления воздуха (по отношению к давлению окружающей среды) над верхней частью крыла уменьшается с увеличением расстояния от крыла.

Вот симуляция, показывающая разницу в скорости линий тока над и под крылом. В отличие от распространенного заблуждения, линии тока, которые расходятся на конце крыла, не пересекаются в хвостовой части крыла.

Я смутно помню, как сравнивал это с зависимостью давление-расход в трубах: по принципу Бернулли верхняя часть аэродинамического профиля действует как тонкая «труба», в которой (при соблюдении сохранения объема/массы) для транспортировки большего количества жидкости она течет быстрее. , уменьшение давления на трубу (увеличение давления в направлении потока).

Это является причиной пониженного давления над верхней частью аэродинамического профиля и подъемной силы.

Я думаю, что наклон используется для разбега (усиление, а не причина подъема), поэтому равнина будет летать и с крыльями, параллельными земле.

@xkcd - полет на спине может означать сильное руление в противоположном направлении (выше)

Передний клин на крыле самолета сильно ударяет по набегающему ветру из-за геометрии верхней части крыла, поэтому воздушная масса в точке столкновения выталкивается вверх.

Таким образом, молекулы воздуха сразу за крылом тоньше и становятся еще тоньше, когда летящий самолет смещается вперед. Плотная воздушная масса под крылом толкает самолет вверх в эту полость за клином, который имеет низкое давление внутри из-за меньшего количества молекул внутри. Создание полости представляет собой непрерывно движущуюся вперед область низкого давления, которая фактически постоянно поддерживает подъемную силу. . Поскольку полость содержит меньше молекул, молекулы воздушной массы, несущиеся назад, имеют более свободный путь для движения к хвосту, поэтому имеют большую скорость.

Это объясняет создание как низкого давления, так и более высокой скорости на вершине. Более высокая скорость на верхней стороне и большее расстояние по изогнутой поверхности вместе гарантируют, что воздушная масса, текущая сверху, разделенная клином, соединяется с потоком, протекающим через нижнюю часть крыла, в то же время, когда они проходят над хвостом. Здесь имеет место уравнение Бернулли, в то время как лифт, описанный ранее, действует по законам Ньютона. На самом деле оба закона означают одно и то же, поскольку Бернулли описывает последействие закона Ньютона, используя разные формулировки.

С точки зрения непрофессионала: это такое же явление, как высовывание раскрытой ладони из движущегося автомобиля. Угол наклона вашей руки (угол атаки) определяет подъемную силу. Все дело в сопротивлении воздуха. Воздушный поток встречает большее сопротивление под крылом (меньшая скорость воздуха) и выходит над крылом (большая скорость воздуха). Изогнутая верхняя сторона крыла (если она есть) делает поток воздуха еще легче, меньше сопротивление (больше скорость). Чем более плоской является наклонная поверхность, движущаяся вперед, тем большее сопротивление она оказывает. Этот механизм в основном работает во время взлета и посадки. При прямолинейном бою даже при ровной форме крыла, например плоском крыле, воздушный самолетдвижется вперед своими двигателями, стабилизируется в воздухе и поднимается крыльями. Однако в этом случае летчик все время поддерживает малый угол атаки (зависящий также, в основном, от заданной тяговооруженности самолета) самолета, так что создается подъемная сила, удерживающая самолет в горизонтальном полетном положении, компенсируя под действием влияние гравитации.

При нулевом угле атаки на плоском крыле не создается подъемной силы.

Также обычно крылья обычных самолетов имеют предустановленный производителем фиксированный малый угол падения относительно их фюзеляжа.

Другая интерпретация описанного выше принципа Бернулли гласит, что более высокая скорость потока приводит к более низкому давлению и наоборот. Следовательно, давление воздуха под крылом выше, чем давление над крылом, что создает подъемную силу.

Краткий ответ на ваш вопрос: Импульс воздушного потока находит меньшее сопротивление (меньше поверхности крыла против него) на верхней стороне траектории крыла и уходит оттуда с большей скоростью. Изогнутая верхняя поверхность аэродинамического профиля оказывает еще более меньшее сопротивление импульсу воздуха по сравнению с плоской нижней стороной, поскольку большая часть воздушной массы ускользает с очень небольшим сопротивлением и трением.

Сначала нужно остановиться и посмотреть, что на самом деле происходит, когда летит самолет. Воздух не движется, движется самолет, будь то винтокрыл или неподвижное крыло. Применяются те же принципы. Бернуле и Ньютон оба правы, потому что они смотрят на одно и то же. Воздух жидкий, и давление воздуха одинаково вокруг крыла. Крыло врезается в воздух, разделяя молекулы воздуха. Воздух сверху отталкивается с большой скоростью. Это приводит к тому, что молекулы воздуха наверху сталкивают большее количество молекул выше. Сразу за аэродинамическим гребнем находится самая низкая точка атмосферного давления. Вот почему длинное крыло создает большую подъемную силу. Поскольку воздух жидкий, он давит на молекулы сзади под действием статического давления воздуха. Поэтому они вынуждены вернуться на поверхность. Это Бернули! нижняя сторона - Ньютон, воздух сжимается к нижней части крыла в зависимости от угла атаки, крыло работает как клин и скользит вверх по воздуху. Крылья с меньшим изгибом лучше подходят для реактивных самолетов из-за высокой турбулентности на более высоких скоростях. Это может быть другое объяснение, чем вы получите в большинстве мест. Но у меня был тот же вопрос, и я должен был понять это из-за ответов жевательной резинки.