Jak křídla generují vztlak?

Chcete-li se dostat na konec, může pomoci podívat se při zvednutí na molekulární úrovni:

Každá molekula vzduchu je v dynamické rovnováze mezi setrvačnými, tlakovými a viskózními účinky:

• Inerciální znamená, že hmotnost částice chce jeďte dál jako dříve a potřebujete sílu, abyste se přesvědčili o opaku.
• Tlak znamená, že částice vzduchu neustále kmitají a odrážejí se do jiných částic vzduchu. Čím více poskakují, tím větší sílu vyvíjejí na své okolí.
• Viskozita znamená, že molekuly vzduchu mají kvůli této oscilaci tendenci předpokládat rychlost a směr svých sousedů.

Proud přes horní stranu křídla

Nyní k proudění vzduchu: Když se křídlo přiblíží podzvukovou rychlostí, oblast nízkého tlaku nad jeho horním povrchem nasaje vzduch před ním. Vidíte to takto: Nad a pod proudem vzduchového balíku máme menší odskakování molekul (= menší tlak) a nyní nezmenšené odskakování vzduchu pod a před tímto paketem bude tlačit jeho molekuly vzduchu nahoru a směrem k tomuto křídlu. Balíček vzduchu stoupá a zrychluje směrem ke křídlu a je nasáván do oblasti s nízkým tlakem. Kvůli zrychlení bude paket roztažen podélně a jeho tlak poklesne synchronizovaně s tím, jak nabere rychlost. Šíření probíhá ve směru toku – paket je zkreslený a roztažený podélně, ale smršťuje se ve směru kolmém k toku. Tato kontrakce je nutná, aby se vytvořil prostor pro toto křídlo; v nadzvukovém toku zpomalí ze stejného důvodu. Jakmile tam bude, “ uvidí „, že křídlo pod ním se křiví od své dráhy jízdy a pokud by tato cesta zůstala nezměněna by vzniklo vakuum mezi křídlem a naším paketem vzduchu. Paket neochotně změní směr a bude sledovat obrys křídla. To vyžaduje ještě nižší tlak, aby molekuly změnily svůj směr. Tento rychle tekoucí nízkotlaký vzduch zase nasává nový vzduch před a pod ním , bude dále zpomalovat a znovu získávat svůj starý tlak přes zadní polovinu křídla a bude odtékat s novým směrem proudění.

Všimněte si, že ke zvednutí může dojít pouze v případě, že horní obrys křídla sklon dolů a pryč od počáteční dráhy vzduchu proudícího kolem náběžné hrany křídla. Může to být prohnutí nebo úhel náběhu – oba budou mít stejný účinek. Vzhledem k tomu, že prohnutí umožňuje postupnou změnu kontury, je efektivnější než úhel náběhu.

Průtok přes spodní stranu křídla

Balíček vzduchu, který končí pod křídlo zažije menší vzestup a zrychlení a v konvexní části vysoce vyklenutých profilů křídla zažije kompresi. Musí také změnit cestu proudění, protože prohnuté a / nebo nakloněné křídlo bude tlačit vzduch pod ním dolů, čímž vytvoří větší tlak a více se odrazí shora pro náš paket pod křídlem. Když oba pakety dorazí na zadní hranu, nabraly určitou rychlost směrem dolů.

Za křídlem budou oba pakety kvůli setrvačnosti chvíli pokračovat ve své sestupné dráze a tlačit další vzduch pod nimi dolů a do strany. Nad nimi tento vzduch, který byl předtím tlačen do strany, nyní vyplní prostor nad našimi dvěma pakety. Makroskopicky to vypadá jako dva velké víry. Ale vzduch v těchto vírech už nemůže na křídlo působit, takže to nebude mít vliv na přetahování ani zvedání. Další informace o tomto efektu, včetně krásných obrázků, naleznete zde .

Výtah lze vysvětlit několika ekvivalentními způsoby

Podle výše uvedeného obrázku tlakového pole je zdvih rozdílem tlaku mezi horní a dolní plochou křídla. Molekuly se budou odrážet proti pokožce křídla více na spodní straně než na horní straně a rozdíl se zvedne.

Nebo se podíváte na makroskopický obrázek: Určitá masa vzduchu byla zrychlena směrem dolů křídlo, a to vyžadovalo sílu působit na ten vzduch. Tato síla udržuje letadlo ve vzduchu: Výtah.

Pokud se díváte na křídlo jako na černou skříňku a dáváte pozor pouze na impuls přítoku a odtoku vzduchu, křídlo změní impuls přidáním složky směrem dolů. Reakční síla této změny impulsu se zvedne.

Ať tak či onak, dosáhnete stejného výsledku. Mimochodem: Většina směrových změn se děje v přední části profilu křídla, ne na zadní hraně!

Výtah je věcí definice

Výtah a indukovaný odpor jsou obě součástí tlaků působících na křídlo. Pokud sečtete všechny tlakové síly působící na křídlo, jejich výsledný vektor bude směřovat mírně dozadu. Proudová komponenta je táhnout a komponenta kolmá ke směru pohybu je výtah. Jedná se pouze o definici vytvořenou pro jednoduchost.

Komentáře

• To je skvělé, zvláště jsem ocenil mini přednášku o molekulách, myslím, že opravdu pomohl mi pochopit. Pro kohokoli jiného, kdo to čte, btw, nezapomeňte se také podívat na odpověď DanHumes, jde o některé běžné mýty o tom, jak je generován výtah. Je to ‚ také velmi užitečné.
• Byla to skvělá odpověď!
• Skvělá odpověď. Tato youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI ukazuje, že pohyb / zvedání je možné i bez Bernoulliho.
• Mám dotaz ohledně přetečení spodní strana křídla: je tam tlak vyšší než okolní nebo jen “ méně snížený “ než přes horní stranu křídla? A někde jsem četl, že vzduch nad spodní stranou křídla zpomaluje a poté se zrychluje, je to pravda? Nebo je vzduch “ méně zrychlen: než přes horní povrch křídla?
• @Konrad Podrobnosti závisí na tloušťce profilu křídla. Na tenkých profilech křídla pod velkým úhlem náběhu je průtok přes spodní stranu zpomalen a tlak je vyšší než okolní tlak. Ve většině případů jsou tlak a rychlost blízké okolnímu prostředí. Na silných profilech křídla při nízkém úhlu náběhu je vaše poslední věta správná: Vzduch bude na spodní straně méně zrychlen. Na konci svého běhu bude vzduch znovu nabývat okolní rychlosti a tlaku, takže se bude zrychlovat nebo zpomalovat v závislosti na stavu, který měl dříve.

Krátká odpověď: působením síly směrem dolů na vzduch kolem nich.

Dlouhá odpověď: Někteří terénní lidé z Glenn Research Center NASA napsali připravte si velmi dobré vícestránkové vysvětlení, zabývající se individuálně každým přispívajícím efektem, a také diskusi o tom, proč vysvětlení, která jste ve škole možná slyšeli, nefungují. Protože je navigace trochu funky, propojím každou stránku jednotlivě s krátkým shrnutím.

Výtah z oblasti tlaku

Když se kapalina pohybuje nad objektem (nebo naopak), je tlak v různých bodech odlišný. Kvůli tomuto tlakovému rozdílu existuje celková síla. K výpočtu této síly můžete použít Bernoulliho rovnici, ale potřebujete znát rychlost kapaliny (v každém bodě křídla), abyste mohli začít. Nelze to vysvětlit „Bernoulliho efektem“, protože Bernoulliho efekt platí stejně pro cokoli, co se pohybuje vzduchem.

Zvednout z Průtokové otáčení

Obě plochy křídla otáčejí proudem vzduchu. Spodní plocha jej vychyluje (vzduch se od křídla odráží), zatímco zakřivená horní plocha jej ohýbá kolem (vzduch se drží točení křídla). Otáčení toku je to, co vám dává zvedání, nikoli jen tažení. Na otáčení se můžete dívat jako na zdroj tlakového rozdílu v Bernoulliho efektu, nebo si to můžete představit jednoduše ve smyslu rovnosti a opačné síly.

Existuje další způsob modelování tokového otáčení, o kterém se na stránkách NASA nediskutuje. Pokud jste slyšeli o teorému Kutta-Joukowski, k tomuto se vztahuje. Když se vzduch ohýbá kolem křídla (nebo jakéhokoli předmětu), existují dva speciální body. V přední části křídla část vzduchu prochází přes horní část a část prochází pod dnem, ale mezi nimi je bod. Opačná situace se děje v zadní části křídla, kde je vzduch z horní části povrch se setkává se vzduchem, který prošel spodní cestou (ale ne se „stejným“ vzduchem: viz špatná teorie č. 1 níže). Tyto dva body se nazývají stagnační body . V normálním objektu jsou stejnou úroveň navzájem svisle, ale protože zadní část křídla je ostrá , zadní stagnační bod se za ním vytvoří, když se křídlo pohybuje dostatečně rychle. To je nižší než přední stagnační bod, což znamená, že čistý pohyb vzduchu je směrem dolů. Odtud pochází točení proudu a teorém vám umožní vypočítat, kolik vztlaku získáte.

Chybná teorie č. 1: Stejný čas přepravy

Jak jsem řekl, k vyvolání Bernoulliho efektu máte vysvětlit, proč se vzduch na horním povrchu pohybuje rychleji. Učitelé často tvrdí, že je to proto, že vzduch na horním povrchu se musí setkávat se vzduchem na spodním povrchu. To je prostě špatné a je tu pěkný simulátor, který to předvede.

Špatná teorie č. 2: Přeskakování kamene

Tato stránka pojednává o tom, kdy si lidé uvědomí, že se vzduch „odráží“ od spodní plochy křídla, ale zanedbává horní část povrch.

Špatná teorie č. 3: Venturiho

Někteří lidé si představují horní plochu křídla jako polovinu Venturiho trysky (tryska, která zrychluje tok tekutiny tím, že ji zužuje). Tento rozdíl rychlosti by vedl k tlakovému rozdílu (opět Bernoulliho efekt), ale ukázalo se, že křídlo vůbec nefunguje jako tryska.

Bernoulli a Newton

Tato poslední stránka jen shrnuje, že špatné teorie začínají známou fyzikou (Newton „zákony nebo Bernoulliho efekt), ale zkuste vše zjednodušit, aby odpovídaly situaci, takže nakonec budou mít vysvětlení, která budou chybně předpovídat.

Komentáře

• Podle mého názoru je nejsnadněji uchopitelné vysvětlení otočení toku. Myslím, že to téměř cítíte;]
• -1 za špatné vysvětlení Kutta-Joukowského věty a plynulé otáčení. Měli bychom si pamatovat, že soustružení toku je spíše důsledkem zdvihu (který byl vytvořen tlakovým rozdílem) než příčinou zdvihu.
• @VictorJuliet: Ani jeden není příčinou a následkem. Obě jsou vlastnosti toku tekutiny. Pro účely vysvětlení je však směr v této odpovědi správný, hlavně proto, že opačný směr není možný ; můžete odvodit výtah z Kutta-Joukowského věty, ale ‚ nelze odvodit Kutta-Joukowského větu z výtahu.
• Jediná špatná věc na vysvětlení Kutty -Joukowského věta je, že nezmiňuje důvod, proč se pohybuje zadní stagnační bod, což je setrvačnost vzduchu.
• @VictorJuliet: Nevidím ‚ nevidím text, který se snaží dokázat, že zadní bod stagnace se pohybuje pomocí věty Kutta-Joukowski ‚ (která pouze uvádí, že ano a jak z něj odvodit vztlak). Nevysvětluje to. Nevysvětluje to, proč se pohybuje k zadní hraně (setrvačnost toku), ani proč se pohybuje pod přední (úhel náběhu + již věděl, že je na zadní hraně).

JAK LETADLO GENERUJE VÝTAH

Za tím, proč letadlo letí, jsou obvykle dvě populární oblasti myšlení (s výjimkou odhalené teorie rovného času); někteří si myslí, že je to způsobeno aplikací 3. Newtonova zákona, a jiní si myslí, že je to způsobeno tlakovým rozdílem v horní a dolní části křídla. V podstatě je to „newtonovské“ vysvětlení i „vysoké / nízké tlakové“ vysvětlení mají do jisté míry pravdu. NASA to ve svém článku uznává (viz druhý odkaz níže), ale jejich konečné vysvětlení je mnohem více zaměřeno na matematické aplikace a méně na fyzické vysvětlení.

Newtonův třetí zákon

Na straně Newtonova třetího zákona je čistá aerodynamická síla způsobena přesměrováním relativního větru dolů (známé Pokud se podíváte na vektorový diagram popisující síly křídla na vzduch, ukazuje se, že toto přesměrování je způsobeno silou na vítr křídlem, která směřuje dolů a víceméně kolmo na akordová linie křídla (linie přímo mezi náběžnou hranou a zadní hranou). Kvůli 3. Newtonovu zákonu to má za následek sílu větru na křídle v opačném směru (nahoru a víceméně kolmo k linii akordu); tato nahoru čistá aerodynamická síla odpovídá za vztlak a indukovaný odpor (odpor způsobený zvedacími procesy profilu křídla, nezaměňovat s parazitickým odporem, který je odporem způsobeným povrchy letadla; padák vlečený za rovinou by přispěl k parazitickému odporu a všechny profily křídla vytvářejí určité množství indukovaného odporu, když se generují na spodní části křídla lze toto přesměrování vzduchu vysvětlit jednoduše. Relativní vítr narazí na spodní část a je od normální křídlové síly vytlačován normální silou křídla.

Na horní části křídla je vzduch přesměrován fenoménem známým jako Coanda efekt, jehož výsledkem je laminární proudění (relativní vítr sleduje křídlo a je směrován dolů).Popíšu, proč vítr sleduje toto laminární proudění, podrobněji, když vysvětlím druhý hlavní jev generující vztlak, který má co do činění s tlaky (protože k pochopení Coandova jevu budete potřebovat informace z této části)

Vysoký / nízký tlak

Ve spodní části křídla je vyšší tlak vzduchu než u Patmu (atmosférický tlak ). Je to proto, že proudy vzduchu jsou koncentrovány, když jsou jejich dráhy blokovány a přesměrovány profilem křídla. Vyšší koncentrace vzduchu vede k vyššímu tlaku.

Rovněž na horní části profilu křídla se zabrání přímému dosažení proudů vzduchu na horní povrch křídla, čímž se vytvoří mezera tam, kde je nižší koncentrace částic vzduchu, a tím nižší tlak. Protože tekutiny přirozeně proudí z vysokého na nízký tlak, je vzduch v Patmu nad křídlem „nasáván“ dolů a objímá povrch křídla. Avšak i při tomto laminárním proudění (jak jsme diskutovali výše) stále existuje nízkotlaká zóna v horní části křídla; vzduch z laminárního proudění stále není dost na to, aby obnovil tuto oblast na Patm. To lze zjistit pohledem na tlakovou mapu profilu křídla – uvidíte, že v horní části křídla je oblast s nízkým tlakem, i když existuje laminární proudění. V této části by mělo být také zodpovězeno, proč existuje laminární proudění (viz poslední část 3. Newtonovy zákonné části výše).

Nakonec, protože máte vyšší tlak (síla na jednotku Plocha) na spodní straně křídla než na horní části křídla, síly na profilu křídla jsou nevyvážené a směřují nahoru, podobně jako čistá aerodynamická síla způsobená Newtonovým třetím zákonem (podrobně výše). To přispívá k čisté aerodynamické síle.

Kvůli nižšímu tlaku na horní část křídla vzhledem ke spodní části se proudění vzduchu v horní části křídla pohybuje rychleji než ve spodní části, říká Bernoulli “ s rovnice (v zásadě v proudu vzduchu vede pokles tlaku ke zvýšení rychlosti a naopak) – viz vývojový diagram v horní části tohoto příspěvku. To je možná důvod, proč je teorie „rovného času“ (že proudění vzduchu v horní části křídla má větší vzdálenost k cestování, takže musí cestovat rychleji) tak široce přijímána. Proudění vzduchu nahoře cestuje rychleji, ale ne proto, že je to na delší vzdálenost.

Toto také odpovídá za „vírové křídelky“ – ty vířící víry vzduchu, které lze vidět (za určitých podmínek) za nimi křídla letadla. Důvodem je to, že vysokotlaký vzduch ze spodní části křídla víří přes konce křídla a snaží se neutralizovat oblast nízkého tlaku nahoře (protože tekutiny mají tendenci cestovat z vysokého na nízký tlak). do určité míry zvyšte tlak na horní část křídla (a v důsledku toho snižte tlak na spodní část), čímž se sníží tlakový rozdíl, ale protože se letadlo pohybuje, ne veškerý vzduch cestující zdola nahoru dosáhne svého cíle, když se profil křídla pohybuje z cesty, takže tento vzduch víří v kruhovém víru. Tento proud vysokotlakého vzduchu snižuje vztlak (protože snižuje tlakový rozdíl). Proto byly vynalezeny křidélka (vertikální prodloužení křídel na konci křídel) – – zablokovat některé z těchto f snižte a zvyšte zdvih (a tím i palivovou účinnost). „Pozemní efekt“, nebo jev, který zvyšuje vztlak, když je letadlo blízko země, je způsoben tím, že mu země překáží ve vzduchu a snaží se vířit a neutralizovat nízký tlak na horní část křídla.

Závěrečné komentáře

Ještě jeden aerodynamický jev, který udělám souvisí s tímto vysvětlením je „stání“. Když se profil křídla zastaví, ztratí velké množství vztlaku a již nebude moci působit proti gravitaci, což způsobí, že letadlo klesne k zemi. Jako pilot jsem mnohokrát procvičoval stánky a vedly ke stánku dvě nápadné věci. Jedním z nich je, že letoun značně ztrácí rychlost letu, když začnete zvyšovat úhel útoku. V tomto případě se děje celková síla na křídlo skloněná dozadu, takže je většinou vyvolána spíše tažením než zvedáním (do určitého bodu zvětšení úhlu nárazu zvyšuje zdvih, protože zvyšuje celkovou sílu na profilu křídla, protože úhel se extrémně zvedne, začne se zmenšovat a odpor se bude stále zvyšovat). Nakonec, když se letadlo zastaví, ucítíte letoun, jako by šňůra, která ho drží, byla právě odříznuta.V tomto případě křídlo dosáhlo svého kritického úhlu náběhu a laminární proudění v horní části křídla (jak je podrobně uvedeno výše) se oddělilo (protože nižší tlak na horní část křídla již nemůže tahat vítr dolů, aby vyhovoval jeho povrch jako nutnou sílu ke změně vektoru rychlosti větru o tento velký úhel nelze tímto tlakovým rozdílem vyvinout. Jakmile se letadlo zastaví, musíte znovu připojit laminární tok k proudu vzduchu, abyste se „vzpamatovali“ ze stání – v rovině to uděláte tak, že se sesadíte pod jho.

V budoucnu bych rád tento příspěvek rozšířil o další matematická vysvětlení, jak vypočítat vztlak daného profilu křídla a prozkoumat další související věci, jako je koeficient vztlaku, Reynoldsovo číslo, způsob výpočtu kritického úhlu náběhu a související předměty. V tomto poli obecně dominují empirické údaje a proniknout do některých z nich pomocí složité matematiky je těžké, ale zábavné dělat (ne zmínit způsob budoucnosti zejména proto, že počítače pro nás nyní mohou tyto matematické modely zpracovávat a jsou v tom mnohem rychlejší, než mohou být experimenty).

Užitečné zdroje:

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/ letadlo / bad2.html

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

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

Komentáře

• +1 pro animovaný gif, velmi super.
• Toto youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI ukazuje, že bez Bernoulliho je možný pohyb / zdvih.

Vím, že nejjednodušší odpověď, která je stále přesná, je, že jakýkoli objekt se může pohybovat vzduchem, některé síla musí tlačit vzduch před ním z cesty (gravitace, motory, hybnost atd. není matná ehm). Pokud je více vzduchu tlačeno dolů a pak nahoru (například křídly), pak se rozdíl nazývá zdvih.

Komentáře

• Musím přiznat, že ‚ je docela čisté vysvětlení na vysoké úrovni.
• Toto popisuje, když je výtah. Neříká nic o tom, proč to křídla generují.
• Rozšiřte logiku a uvidíte, že na křídlech není nic zvláštního. Jakýkoli tvar může generovat vztlak, pokud jsou okolnosti správné, tvary křídel jsou lepší, když tlačí více vzduchu dolů než pak, například cihla.
• @Koyovis – rychlost zvuku skrz médium nemá nic společného s výtahem generovaným vytlačením média z cesty. Přesně stejná fyzika platí i pro křídlo ve vodě, jaké se používá v závodech Americas Cup. odkaz
• @Koyovis Nedostávám vaši otázku. Rychlost s tím nemá nic společného. K posunutí média z cesty je nutná síla (f = ma), která vychází z hnací síly vozidla (motory, gravitace atd.). Materiál posunutý vpřed tlačí zpět (táhnout) a materiál tlačený dolů tlačí nahoru (zvednout).

Křídla vytvářejí vztlak, který tlačí vzduch dolů. Jako dítě jsem vystrčil ruku z otevřeného okna auta a naklonil ji – je tu síla vzhůru. To dělá plochá deska.

Křídla letadla by tedy mohla být plochými deskami, ale bohužel ploché desky vytvářejí značný odpor, jakmile vytvářejí vztlak, protože tok na horním konci se okamžitě odděluje (na obrázku výše složená spirála). Tento efekt lze snížit použitím prohnuté desky namísto ploché desky, čímž se sníží vír na horní ploše:

Ale problémem zůstává, že jakmile se vyklenutá deska nakloní dále, vytvoří se spousta odporu, stejně jako rovná plochá deska . Tvar kapky vody je efektivnější tažení než plochá deska, protože udržuje tok připojený. A jaký je jiný průřez křídla než klenutá deska s průřezem kapky vody?

Je to trochu matoucí a to vše, když se díváme na zrychlující se vzduch na horní a nižší tlak atd., zvláště pokud chceme vysvětlit vznik výtahu z toho. Nakonec je výtah vytvořen zrychlením vzduchu směrem dolů a kontinuita hmoty znamená, že vzduch na horní straně musí zrychlovat. Je to spíše účinek než příčina.

Komentáře

• Plochá deska je nejúčinnější ve svém konstrukčním úhlu útoku. Zvětšení profilu křídla zvyšuje odpor, ale rozšiřuje úhel dosahu útoku, ve kterém funguje dobře.
• @PeterK ä mpf Dostali jsme vás, změnili to.

Zde je odkaz na webovou knihu Johna S. Denkera na profilech křídel. Toto je pravděpodobně definitivní vysvětlení toho, jak fungují křídla. John Denker má spoustu webů, které stojí za vyzkoušení.

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

Sečteno a podtrženo: pro letadlo o hmotnosti 150 000 lb. vzduchu, musí propustit vzduch, kterým prochází, 150 000 lbft. Můžete hovořit o rozdílech tlaku vzduchu (atd.), ale to je jen začátek vysvětlení. Pokud si myslíte, že stejná doba přepravy nebo zakřivení křídla je to, co dělá křídla funkční, je to nutné číst.

Komentáře

• Bylo doslova v uprostřed čtení tohoto odkazu, když jste jej zveřejnili. Je to skvělé čtení, souhlasím :).

Jednoduchý způsob, jak tomu porozumět, je, že křídlo funguje jako lopatka ve ventilátoru. Pohyb vzduchem ve správném úhlu způsobí, že se nahoře vytvoří vakuum. Přední hrot musí být kulatý, aby umožňoval plynulý pohyb vzduchu a jeho expanzi za účelem vytvoření vakua.

Ploché dno a jiné tvary jednoduše maximalizují tento efekt, ale nejsou nutné. Proto je možné létat vzhůru nohama, pokud křídlo naráží na vzduch ve správném úhlu. (Ne v pravém úhlu.)

Komentáře

• nižší tlak, ano, ale naznačuje, že “ vakuum “ formy je docela špatné.
• @Federico No, není to skutečné vakuum. Myslím, že bych měl říct relativní vakuum.
• Přední hrot ve skutečnosti nemusí být ‚ kulatý, aby generoval zdvih. Odkaz BillOer ‚ vysvětluje proč. Pokud by to tak bylo, papírová letadla, draci a některé druhy kluzáků by neletěly ‚.
• @DanHulme ‚ buď se říká, že jde o přísadu výtahu, ale spíše je nutné vyhnout se nepravidelnému proudění vzduchu.

Aktualizace : Podívejte se na vlastní experimenty s tokem v dolní části tohoto příspěvku

Jsem nezávislý vědecký novinář, hodně jsem zkoumal mýty a falešná vysvětlení kolem výtahu a výsledkem je toto vysvětlení:

Problém. Jak víme, princip generování výtahu obecně a Magnusův efekt je v mnoha zdrojích nesprávně pochopen a vysvětlen falešně. Vysoký průtok rychlost kolem vyboulení profilu křídla (nebo rotující koule / válce v případě Magnusova efektu) a související nízký tlak (Bernoulliho efekt) není příčinou výtah, jak se často uvádí, ale pouze pomáhá generovat výtah, protože se jedná o zrychlení vzduchu. Stále je to však důležitý faktor v mechanismu zvedání, protože je součástí zvedací síly (Force = Mass x zrychlení ). Toto další zrychlení způsobené zvýšenou rychlostí toku lze přidat k normálnímu zrychlení, které je spojeno se silou, která způsobí otočení toku.

Skutečná příčina . Rovněž se obecně uznává, že skutečnou příčinou výtahu je vzduch, který je otočen směrem dolů o úhel nebo tvar profilu křídla a tato síla způsobuje sílu v opačném směru, jak vysvětluje mimo jiné NASA. Tento mechanismus je pro mnoho lidí stále nejasný. Snažím se poskytnout trochu více vhledu několika velmi snadnými vlastními experimenty a příklady, kterým lze snadno porozumět. (viz také tato ukázka videa ). Víme, že k otočení toku je nutná síla, takže čím větší průhyb, tím větší síla. Otáčení je ve skutečnosti zrychlení. Během otáčení musí být stejná síla v opačném směru (Newtonův třetí zákon). Toto je skutečný zdvih na profilu křídla. Je zřejmé, že určitý poloměr otáčení (akce) toku má za následek stejný poloměr opačné síly (reakce). Je důležité si uvědomit, že reakce profilu křídla na zrychlené proudění vzduchu je způsobena interakcí povrchu profilu křídla s mezní vrstvou.

Centrum Tlak. Klíčem k vytvoření akce = reakce na profilu křídla je viskozita vzduchu, protože bez toho, aby se vzduch na profil křídla lepil méně nebo více, by k potřebné interakci nedošlo. síly působí všude na profil křídla, ale střed tlaku (CP) nastává tam, kde je průměrná výchylka největší, takže existuje také největší akce = reakční bod. Jedná se o bod, kdy síla zdvihu působí na profil křídla. Můžeme to snadno zkontrolovat pomocí nasazených klapek.Klapky způsobují větší odklon vzduchu na zadní hraně, takže střed tlaku se pohybuje více na zadní hranu než bez klapek.

Skutečný Lift Force. Jak je vzduch vychýlen směrem dolů, vyvíjí vzduch sílu v opačném směru, což znamená, že zvyšuje tlak na spodní stranu křídla s výsledkem větší vektor ve směru nahoru. Ale na horní straně křídla nyní máme menší vektor, protože tlak je snížen, protože zde je odpočet tlaku způsobeného silou ve směru nahoru. Výsledkem je čistá síla nahoru. Toto vertikální snížení tlaku je skutečná síla zdvihu.

Shrnutí: Máme relativně nízký tangenciální tlak redukce (působící ve směru proudění), která je Bernoulliho částí a je zrychlující částí zdvihací síly. A máme obrovské svislé snížení tlaku, což je newtonovská část vztlakové síly, která ve skutečnosti způsobí pohyb křídla nahoru a která určuje, kde na profilu křídla se nachází střed tlaku a kde působí výsledná síla zdvihu. Většina tlaku, který vidíme na obrázku izobarů profilu křídla, je vertikální a jen malý je tangenciální. To odpovídá dřívějším měřením aerodynamiky, že snížení tlaku ve směru proudění (Bernoulli) neodpovídá skutečnému generovanému vztlaku. Abychom pochopili vztah mezi snížením tlaku ve směru proudění a snížením tlaku ve svislém směru, uvědomte si, že odklon toku za účelem vytvoření zdvihu je vždy doprovázen tlakový gradient , takže pokud se průtok zrychlí přes horní část profilu křídla a sníží tlak (Bernoulliho princip) a poté se otočí směrem dolů, aby se vytvořil přítlak, tok se zpomalí a tlak se zvyšuje. Toto zvýšení tlaku na horní straně profilu křídla je zanedbatelné ve srovnání se snížením tlaku na horní straně způsobené vzduchem, který je zrychlován směrem dolů, a proto se profil křídla pohybuje nahoru a my máme výtah.

Ještě jeden příklad. Představte si ploché křídlo, které letí pod nulovým úhlem náběhu, s odtokovou hranou směřující dolů. Představte si pouze proudění vzduchu na horní straně tohoto křídla. Nedochází k žádnému zrychlení a souvisejícímu snižování tlaku průtoku, protože průtok neprojde žádnou překážkou. Při pohybu přes klapku dolů narazí pouze na nepříznivý tlakový gradient, protože dochází ke snížení rychlosti průtoku, tedy zvýšení tlaku v průtoku (Bernoulli). Ale jak je tok odkloněn dolů, působí síla v opačném směru současně, a proto na horní na straně je mnohem, mnohem důležitější tlak snížit (protože síla směrem vzhůru funguje proti tlaku okolí vycházejícímu z výše). Toto snížení tlaku způsobené „svislou“ akcí je skutečná síla zdvihu.

Aktualizovat : vlastní experimenty na toku Otáčení. 26. září 2018 během osobního toku experimenty s otáčivými experimenty s vlastními vyvinutými kartonovými létajícími křídly jsem silně našel důkazy o teorii, o které jsem dlouho tušil. To zahrnuje důležitost vzdálenosti toku otáčení ve vztahu k strmosti otáčení. Stručně vysvětleno: Zdá se, že vzdálenost otáčení je důležitější než úhel otáčení. Při odhazování křídla a při odhadu umístění středu tlaku jej strana s nejdelší zatáčkou vždy získala ze strany s nejstrmějším zatáčením, bez ohledu na to, jaká byla orientace křídla.

Výsledky testu:

– krátká strmá křivka směřující vpředu dolů, dlouhá méně strmá křivka vzadu směřující nahoru. > Výsledek: pozitivní hybnost, pohyb nosu nahoru. Toto je účinek křivky vzadu, protože převládající křivka směřující dolů v přední části by vygenerujte moment nosu dolů, protože by to byl negativní úhel náběhu.

– Dlouhá méně strmá křivka směřující vzhůru vpředu, krátká strmá křivka vzadu směřující dolů . > Výsledek: pozitivní hybnost, nos se posune nahoru. To je účinek dlouhé méně strmé křivky vpředu, protože se jedná o pozitivní úhel náběhu.

Výsledky mých zjištění odpovídají skutečnosti, že tok se otáčí na náběžné hraně profilu křídla je vlastně největší, zatímco nevytváří největší hybnost.Otáčení k zadní hraně za bodem maximálního odklonu je však delší, vyhrává, takže vytváří hybnost CP. Zdá se však logické, že v bitvě mezi dvěma křivkami stejné délky zvítězí křivka s nejstrmějším úhlem.

Jedno z mých samo-vyvinutých zařízení pro experimenty s výtahem, otočením toku a střed tlaku: Demonstrátor FWSCLm (stabilita létajícího křídla & pohyb CL) . Pero vpředu lze pohybovat dovnitř a ven za účelem regulace těžiště. Klapky vzadu se používají ke zvýšení nebo snížení zakřivení profilu křídla, aby se reguloval střed zdvihu. boční pohled

Komentáře

• Opravdu vás slyším o hlasování dolů bez komentářů, ale pokud se toho budete držet, hodně se toho dozvíte stránky. Vaše křídlo skutečně vypadá jako pomalé a vysoké zvedáky, které najdete v síti Airfoil Tools na síti. Také jsem zjistil, že tenké pod vyklenutými křídly vytvářejí nádherně pomalé (rychlost chůze) balzové kluzáky. Možná zjistíte, že tenčí křídla jsou lepší pro pronikání větru (menší odpor). Porovnání křídel orla a albatrosa může poskytnout dobrý přehled o designu křídel.
• Děkujeme za vaše komentáře k křídle. Profil vysokého zdvihu tlustého křídla byl vyřazen pro konkrétní testy zatáčení s cílem vidět zesílený účinek při krátkém letu. Jak jste řekli, tenčí je lepší pro menší odpor. Mám také zakřivenou plochou deskovou verzi tohoto křídla s pružnou křivkou. Tady to vidíte v akci. Video ve skutečnosti ukazuje automatickou korekci výšky tónu: vimeo.com/…
• doporučit také studovat plachty, zejména plachtu. “ Zrychlení “ vzduchu v horní části křídla je nesmysl. Vzduch také není “ tekutinou „, jedná se o stlačitelný plyn. Průtokové otáčení skutečně souvisí s nízkým tlakem na horní část křídla. Velká Coanda si uvědomila, že odkloněný proud vzduchu vytváří lokální minimum, které se snaží naplnit křídlo (nahoru) a proud vzduchu (dolů).
• Nemůžeme však zapomenout “ viskózní “ účinek pohybujícího se vzduchu (nebo vody) přitahujícího okolní vzduch do proudu. Jednoduchá horní aspirátor na dřez vytváří silné vakuum. Síla zdvihu je také vytvářena proudem vzduchu narážejícím na šikmou plochu (spodní část křídla). Existuje více než jeden zdroj výtahu. Pokračuji ve snaze pochopit, který z nich je NEJÚČINNĚJŠÍ. Může se jednat o vztlak nad křídlem křídla, protože se zdá, že díky zakrytí spodní části křídla se moje kluzáky pohybují rychleji a dále.
• A konečně efekty vzduchového beranu (vyšší tlak) pod křídlem přítomným v zakřivená křídla (poznámka “ zakrytá “ špička křídla U2) a padáky. Věřím, že je to nejnáročnější a nejefektivnější, ale může to vést k velmi nízkým letovým rychlostem!

Jak malá kulička generuje dostředivou sílu, když se pohybuje na zakřiveném povrchu? Důvodem je gravitace. Když má malá koule rychlost podél červené šipky, má malá koule tendenci odcházet podél normálního směru povrchu, takže síla malé koule na zakřivené ploše bude snížena, tedy dostředivá síla malého získá se míč pohybující se po povrchu.

Změníme malé kuličky na povrchu na vzduch. Když se vzduch nepohybuje, předpokládejme, že síla vzduchu na zakřiveném povrchu je F, a když má vzduch rychlost ve směru červené šipky, síla vzduchu na zakřiveném povrchu je f, protože vzduch má tendence k odchodu podél normálního směru zakřivené plochy, takže F> f. Vzduch má tedy dostředivou sílu pohybující se po zakřiveném povrchu, což umožňuje pohyb vzduchu po zakřiveném povrchu.

Síla vyvíjená vzduchem na zakřivený povrch je tlak vzduchu. Pokles tlaku vzduchu je pokles síly vyvíjené vzduchem na zakřivený povrch.

Zakřivený povrch je zde podobný křídlu.

Komentáře

• Nesouhlasím s touto odpovědí ‚. Zmínka o gravitaci věci jen ztěžuje, protože lidé si mohou myslet, že gravitace je zapojena do vytváření výtahu. Lepší obrázek by měl míč pohybující se po přímce a srážce se zakřiveným povrchem. Tím se zabrání nutnosti gravitace a analogie s profilem křídla se zlepší. Pokud navíc nedochází ke zakřivení, tlak také klesá, což ‚ z vašeho vysvětlení nevyplývá.
• @ROIMaison Všimněte si, že pro vzduch mluvím ‚ o normálním trendu pohybu, který vede ke snížení tlaku.
• @ ROIMaison aviation.stackexchange.com/a/70283/42162

Výtah je síla generovaná přes křídlo kvůli rozdílu tlaku . Takže v zásadě Pokud jste schopni dosáhnout odlišného tlaku nad a pod křídlem, měli byste vztlak. Nyní by ze základního Newtonova zákona byla tato síla směrována z oblasti vysokého tlaku do oblasti nízkého tlaku ( Protože oblast vysokého tlaku bude tlačit na povrch tím, že na něj bude vyvíjet větší sílu ve srovnání s oblastí s nízkým tlakem, který by tlačil na povrch s relativně menší silou).

Nyní je důležitá věc je vytvořit tento tlakový rozdíl. Toho je dosaženo využitím zajímavé vlastnosti tekutiny: Rychle tekoucí tekutina má nižší tlak ve srovnání s pomalu se pohybující tekutinou. Tuto vlastnost lze dokázat různými matematickými prostředky a je krásně začleněna do Bernoulliho princip . Proto Bernoulliho princip je matematický vyjádření inherentní vlastnosti kapaliny.

Nyní, aby se dosáhlo vztlaku, lze požadovaný tlakový rozdíl vytvořit tak, že budete proudit kolem profilu křídla takovým způsobem, že rychlosti tekutiny pod a nad profilem křídla jsou rozdílní. Toho je dosaženo změnou tvaru křídla (Camber) takovým způsobem, že se stane asymetrickým. Asymetrie způsobuje různé rychlosti v horní a spodní části profilu křídla, a to z následujícího důvodu:

Když kapalina dosáhne náběžné hrany profilu křídla, část kapaliny se posune nahoru, zatímco část je posunut dolů. Kvůli asymetrii profilu křídla má tekutina, která se pohybovala nahoru, menší průřezovou plochu, aby se mohla pohybovat ve srovnání s tekutinou, která prošla pod křídlem. Tento rozdíl v oblasti dostupné tekutině pro pohyb vytváří rozdíl v rychlostech tekutiny v různých oblastech. Tuto vlastnost tekutiny pohybovat se rychleji v oblastech s menším průřezem a pomalu se pohybovat v oblastech s větším průřezem lze odvodit v matematické formě aplikací zachování hmoty a nazývá se Princip kontinuity .

Změněné rychlosti tekutin proto vytvářejí tlakový gradient, který zase způsobuje sílu na křídle, která se nazývá zdvih. Nyní může být tento výtah v jakémkoli směru (což lze zjistit integrací velmi malých sil na velmi malé oblasti na povrchu křídla). Složka této síly kolmé na směr rychlosti letadla se nazývá zvedněte sílu, kde jako další složka paralelně do rychlost letounu je poté zahrnuta do síly táhnout .

EDIT

Pro velmi přesnou reprezentaci rovnic řídících chování tekutin lze tvrdit, že Bernoulliho princip je nesprávný. V tomto případ Navier Stokeova rovnice je platná, ale pro účely porozumění jakýkoli časově invariantní (stálý), ve stlačitelném, neviditelném toku lze považovat za dodržování Bernoulliho rovnice.

Dále, pro skutečnou tekutinu by se neposlouchala Bernoulliho rovnice většinou, ale obecné chování snížení tlaku s nárůstem rychlosti proudění je stále pozorováno, ačkoli přesný pokles tlaku nelze vypočítat pomocí Bernoulliho rovnice. V takových případech se rovnice Naviera Stokeho používá ke správnému výpočtu tlakové ztráty vytvořené v důsledku zvýšené rychlosti proudění.

EDIT 2

U symetrických křídel křídlo zvyklý generovat jakýkoli vztlak, pokud tok vidí křídlo symetricky, takže to neodmyslitelně znamená, že symetrické křídlo s nulovým úhlem úhlu nebude vyrobit jakýkoli výtah. Chcete-li získat vztlak ze symetrického křídla, je umístěn v určitém úhlu k toku, takže tok vidí „s“ „asymetricky“, a proto lze výše uvedené vysvětlení použít k vysvětlení života generovaného v tomto případě.

EDIT 3

Vysvětlení pro letadla letící vzhůru nohama: Pro normální letět , je nutný kladný úhel náběhu. Dejte této rovině úhel osy rychlosti o 180 stupňů, získáte rovinu s -ve úhlem náběhu, a tedy negativní zdvih.Ale letadlo nemůže vydržet let se záporným vztlakem, takže to, co musí letící letadla vzhůru nohama udělat, je zvýšit úhel nárazu -ve na pozitivní tahem nosu nahoru (to by tlačilo nos směrem k obloze vzhůru nohama) dolů letadlo). To způsobí, že úhel útoku se změní a stane se kladným. Kladný úhel záběru znamená, že křídlo nyní zažije život tak, že rovina vzhůru nohama má vztlak směrem vzhůru (To je ekvivalentní normální rovině se záporným úhlem záběru, a tudíž záporným vztlakem).

Komentáře

• Tím se ‚ nevysvětluje, proč křídlo bez odklonu nebo jedno s symetrický průřez shora dolů nebo ten, který má delší spodní povrch než horní povrch, může generovat vztlak.
• @DanHulme +1 nebo jak mohou letadla s převýšením létat vzhůru nohama.
• @Jan Hudec, měli byste pochopit rozdíl mezi Bernoulli ‚ s principem a rovnicí. Věta uvádí: “ V dynamice tekutin Bernoulli ‚ princip říká, že pro inviscidní tok nevodivé kapaliny je zvýšení rychlost kapaliny nastává současně s poklesem tlaku nebo poklesem ‚ potenciální energie. “ kde jako rovnice, na druhé straně se pokusil získat kvantitativní výsledky principu bernoulli ‚, ale nedostává se mu to kvůli skutečnosti, že předpovídá špatné výsledky
• TATO ODPOVĚĎ JE NESPRÁVNÁ . Bernoulli ‚ rovnice platí pro dostatečnou přesnost kolem křídla. Ale Bernoulli ‚ rovnice potřebuje k odvození tlaku rychlost a vysvětlení, proč je nad křídlem vyšší rychlost, je nesprávné. Oblast nad a pod křídlem není ohraničena, takže vzduch má dostatek svobody zvolit si ‚ s distribuci rychlosti. Rovněž neodpovídá realitě, protože plocha se zvětšuje nad křídlem zepředu dozadu a zmenšuje se pod křídlem podobným způsobem, ale rozdělení rychlosti se neřídí podobným profilem.
• Odpověď je nesprávná, pouze pokud ignorujete efekty mezní vrstvy

Rovina letí několika mechanismy. Prvním z nich je Bernoulliho efekt způsobený prohnutím křídla, který vytváří tlakový rozdíl, který tlačí křídlo nahoru, když se pohybuje dopředu vzduchem. Pamatujte, že ptáci mají vyklenutá křídla. Je však možné mít rovinu se zcela plochými křídly a bez odklonu, takže je chybou si myslet, že se jedná o jediný zdroj vztlaku (jak to udělaly některé z výše uvedených odpovědí).

Úhel v kořeni křídla je také důležitý. Pokud vystrčíte ruku z okna auta pod určitým úhlem, pocítíte, že je tlačena nahoru. Téhož efektu je dosaženo v letadle nakloněním křídel mírně vzhůru vzhledem k rovině trupu.

Nakonec byste si měli uvědomit, že důvod, proč letadlo zůstane nahoře, nemá nic společného s výtahem, ale s povrchem, který představuje k zemi. Primární silou, která drží rovinu nahoře, je odpor vzduchu, který je funkcí této povrchové plochy. Síla tohoto odporu vzduchu je mnohem větší než síla generovaná předchozími dvěma efekty. Například hlavním konstrukčním kritériem pro letadlo je, zda má čtvercový trup nebo kulatý / oválný trup. Čtvercový trup bude mít větší povrchovou plochu k zemi, čímž bude mít vyšší účinnost při pobytu ve vzduchu. Z tohoto důvodu téměř všechna časná letadla měla hranaté trupy. Kruhový trup však bude efektivnější při pohybu vpřed než čtvercový, takže v rovině postavené pro rychlost je kulatý lepší. Letadlo s kulatým trupem jede rychleji, ale je méně palivově úsporné než letadlo se čtvercovým trupem.

Stejný argument platí i pro plochu křídla. Čím větší je křídlo, tím větší je odpor vzduchu. Z tohoto důvodu mají kluzáky ve srovnání s motorovými letadly relativně velká křídla. Nevýhoda velkého křídla je stejná jako u čtvercového trupu: letadlo jde pomaleji.

Takže, rekapitulujme, existují tři faktory, které udržují letadlo ve vzduchu: vertikální odpor vzduchu způsobený směrem dolů povrchová plocha, úhel křídel u kořene křídla a Bernoulliho efekt spojený s prohnutím v křídlech.

Komentáře

• Odstavec 3 bolí mě hlava … ne že by zbytek byl mnohem lepší. V duchu skutečného poukazování na konkrétní věci, které lze řešit, zkuste toto: pro čtverec a kruh stejné oblasti bude mít kruh větší průměr než čtverec ‚ na straně, proto kruhový trup stejného vnitřního objemu bude představovat více, ne méně, plochu promítnutou na zem, a to pro vše (od malé po nulu) dobré, co bude s vaším letadlem dělat.