Используют ли самолеты большую часть своего топлива для преодоления трения?

Нет, большая часть топлива тратится на неэффективность двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания, такие как газотурбинные двигатели, не совсем энергоэффективны. Большая часть топлива расходуется впустую при работе двигателя. Только от 35% до 40% энергии топлива преобразуется в энергию движения. Остальная энергия топлива (~ 65%) теряется на непосредственном нагреве атмосферы, избыточной кинетической энергии в потоке выхлопных газов, внутреннем сопротивлении и трении двигателя и производстве шума.

Оставшиеся ~35% энергии предназначены для преодоления работы сопротивления.

Это сопротивление можно разделить на сопротивление, вызванное подъемной силой, и паразитное сопротивление. Его также можно разделить на сопротивление давления и сопротивление трения. Для простоты предположим, что все сопротивление, вызванное подъемной силой, — это сопротивление давления, а все паразитное сопротивление — сопротивление трения.

Самолет обычно летит на скорости, близкой к скорости, при которой сопротивление минимально. В такой ситуации 50 % сопротивления приходится на индуктивное сопротивление, а 50 % — на паразитное сопротивление. На практике крейсерская скорость немного выше минимальной скорости сопротивления, поэтому паразитное сопротивление превышает индуктивное сопротивление. Если наше предыдущее предположение верно, то более 50% сопротивления приходится на сопротивление трения.

Таким образом, общая оценка составит:

• 65% впустую
• 20% сопротивление трения
• сопротивление давлению 15%

Например, двигатель GE90, установленный на большинстве самолетов Boeing 777, развивает тягу 70 кН в крейсерском полете со скоростью 250 м/с при расходе топлива 1,08 кг/с.

Движущая сила, развиваемая двигателем, равна$70 \cdot 10^3 \cdot 250 = 17.5\cdot 10^6 \textrm{W}$.

Реактивное топливо имеет удельную теплоемкость$43.15 \cdot 10^6 \textrm{J/kg}$Таким образом, энергопотребление двигателей составляет:

$1.08 \cdot 43.15 \cdot 10^6 = 46.6 \cdot10^6\textrm{W}$

Это дает КПД 37,6%. Это может показаться плохим, но это один из самых эффективных двигателей, доступных сегодня.

Источник данных ^PDF для тяги, скорости и потребления:

Самолеты любят летать вблизи своего оптимального соотношения L/D, когда сопротивление достигает своего минимума . На этой скорости сопротивление равномерно распределяется между индуктивным (связанным с подъемной силой) и вязким сопротивлением. В очень грубом приближении половина сопротивления действительно вызвана трением.

Однако, если мы посмотрим внимательнее, у дрэга больше источников. Помимо трения и индуктивного сопротивления, существует сопротивление давлению из-за отрыва потока на тупых, обращенных назад поверхностях. Большее разделение может быть вызвано эффектами пограничного слоя, но это сильно зависит от самолета и угла атаки. Можно утверждать, что такое сопротивление давлению также вызвано трением.

Если мы теперь посмотрим на конкретные миссии, выявится больше различий:

• Перехватчик попытается добраться до определенной точки в кратчайшие сроки. Здесь сопротивление трения легко становится доминирующим источником сопротивления, индуктивное сопротивление мало, и часть топлива требуется для ускорения.
• Авиалайнеры летают с оптимальными транспортными характеристиками, которые быстрее, чем требуется для оптимального L/D . Сопротивление трения здесь действительно является самым большим источником сопротивления, но его вклад составляет от 50% до 60%.
• Самолет наблюдения, который хочет оптимизировать время полета, будет летать медленнее, чем требуется для оптимального L / D, особенно если они используют пропеллеры. Теперь индуктивное сопротивление отвечает за большую часть используемого топлива.

Для самолета в горизонтальном полете подъемная сила противодействует весу самолета, а тяга двигателей противодействует сопротивлению самолета.

Одной из форм сопротивления является сопротивление трения кожи . Утверждение, на которое вы ссылаетесь, относится к нагреву кожи, а трение кожи является основным способом нагревания кожи. Вместо этого другие значительные источники сопротивления добавляют энергии воздуху.

Согласно этой статье , примерно половина лобового сопротивления авиалайнера приходится на трение обшивки . Эта оценка крейсерского сопротивления для бизнес-джета показывает аналогичную разбивку. Около трети сопротивления приходится на индуктивное сопротивление, являющееся побочным эффектом подъемной силы.

Чтобы ответить на исходное утверждение, сопротивление трения может составлять большую часть расхода топлива, но не очень много. Это самый большой источник сопротивления, но не всегда более половины общего сопротивления.

Это утверждение упрощает то, что на самом деле происходит с основами физики 101. Технически это утверждение верно на 100%. Это также верно для автомобилей и кораблей: ваш автомобиль использует большую часть своего топлива для преодоления трения.

Первый закон Ньютона: Движущийся объект остается в движении.

Это означает, что как только ваш автомобиль или самолет достигнет желаемой скорости, вам больше не нужно будет запускать двигатель, и автомобиль/самолет будет продолжать двигаться с постоянной скоростью, пока вы не нажмете на тормоза. Ты так водишь свою машину? Очевидно нет. Вам нужно нажать на педаль газа полностью (или, по крайней мере, почти полностью).

Так что дает? Ньютон говорит, что машина должна продолжать движение, и поэтому вы должны иметь возможность глушить двигатель на протяжении 99% поездки! Ответ — трение во всех его различных формах.

Некоторые люди могут сказать: «но большая часть энергии в полете используется для создания подъемной силы, а не для преодоления трения». Но подъемная сила возникает благодаря трению. Подъемная сила вызывает сопротивление, особенно индуцированное сопротивление. Но это сопротивление возможно только благодаря трению — трению воздуха о самом себе. Мы количественно определяем это «трение» как вязкость. Жидкости, в которых отсутствует трение, имеют нулевую вязкость (такие вещи существуют: они называются сверхтекучими), и в таких жидкостях невозможно создать подъемную силу. К счастью, воздух вязкий, поэтому крылья самолета могут работать в воздухе.

Итак... технически это правда - любое движущееся транспортное средство тратит большую часть своего топлива на преодоление трения. Но это не очень полезно с инженерной точки зрения.

Однако есть исключение: космические корабли. Поскольку трение в космическом вакууме практически равно нулю, космические корабли сжигают свое топливо только в начале пути, а в конце замедляются. В 99% случаев двигатели космического корабля выключены, и корабль просто движется по инерции благодаря первому закону Ньютона.

Реактивный двигатель представляет собой устройство, работающее по циклу Брайтона , и имеет фундаментальные ограничения на производительность. Из диаграммы в источнике видно, что для идеального теоретического двигателя с полным отсутствием трения и степенью сжатия около 30 (двигатель Боинг 747) предел эффективности составляет около 60 %.

Это означает, что около 40 % энергии рассеивается в виде тепла, двигатель не может его преобразовать. Он не теряется из-за трения. Это значительный процент, но меньше половины.

О каком-то реактивном бомбардировщике времен Второй мировой войны с коэффициентом сжатия около 3 можно сказать, что основные потери энергии происходят из-за термодинамики двигателя, а не из-за трения.