In che modo le ali generano portanza?

Per andare in fondo, potrebbe essere utile guardare a portanza a livello molecolare:

Ogni molecola daria è in un equilibrio dinamico tra effetti inerziali, di pressione e viscosi:

• Inerziale significa che la massa della particella vuole viaggia come prima e ha bisogno di forza per convincersi del contrario.
• Pressione significa che le particelle daria oscillano continuamente e rimbalzano su altre particelle daria. Più rimbalzano, più forza esercitano sullambiente circostante.
• Viscosità significa che le molecole daria, a causa di questa oscillazione, tendono ad assumere la velocità e la direzione dei loro vicini.

Flusso sul lato superiore dellala

Passiamo ora al flusso daria: quando unala si avvicina a velocità subsonica, larea di bassa pressione sulla sua superficie superiore aspira aria davanti ad essa. Vedila in questo modo: sopra e a valle di un pacchetto daria abbiamo meno rimbalzi di molecole (= minore pressione), e ora il rimbalzo continuo dellaria sotto ea monte di quel pacchetto spingerà le sue molecole daria verso lalto e verso quellala. Il pacchetto daria salirà e accelererà verso lala e verrà risucchiato in quella zona di bassa pressione. A causa dellaccelerazione, il pacchetto verrà allungato longitudinalmente e la sua pressione diminuirà in sincronia con la velocità di ripresa. La diffusione avviene nella direzione del flusso: il pacchetto viene distorto e allungato nel senso della lunghezza, ma si contrae nella direzione ortogonale al flusso. Questa contrazione è necessaria per fare spazio a quellala; nel flusso supersonico rallenterà per lo stesso scopo. Una volta lì, ” vedrà ” che lala sotto di essa curva allontanandosi dal suo percorso di viaggio e se quel percorso rimarrebbe invariato , si formerebbe un vuoto tra lala e il nostro pacchetto daria. A malincuore, il pacchetto cambierà rotta e seguirà il contorno dellala. Ciò richiede una pressione ancora più bassa, per far cambiare direzione alle molecole. Questa aria a bassa pressione a flusso veloce aspirerà a sua volta aria nuova davanti e sotto di essa , continuerà a decelerare e riguadagnerà la sua vecchia pressione sulla metà posteriore dellala, e fluirà con la sua nuova direzione di flusso.

Si noti che il sollevamento può avvenire solo se il contorno superiore dellala lo farà pendenza verso il basso e lontano dal percorso iniziale dellaria che scorre attorno al bordo dattacco dellala. Potrebbe trattarsi di camber o angolo di attacco: entrambi avranno lo stesso effetto. Poiché il camber consente un cambiamento graduale del contorno, è più efficiente dellangolo di attacco.

Flusso sul lato inferiore dellala

Un pacchetto daria che finisce sotto lala subirà meno sollevamento e accelerazione e nella parte convessa di profili alari altamente incurvati sperimenterà una compressione. Deve anche cambiare il suo percorso di flusso, perché lala bombata e / o inclinata spingerà laria sotto di essa verso il basso, creando più pressione e più rimbalzi dallalto per il nostro pacchetto sotto lala. Quando entrambi i pacchetti arrivano al bordo di uscita, avranno acquisito una certa velocità verso il basso.

Dietro lala, entrambi i pacchetti continueranno lungo il loro percorso verso il basso per un po a causa dellinerzia e spingono laltra aria sotto di loro verso il basso e lateralmente. Sopra di loro, questaria, essendo stata spinta di lato prima, ora riempirà lo spazio sopra i nostri due pacchetti. Macroscopicamente, questo sembra due grandi vortici. Ma laria in questi vortici non può più agire sullala, quindi non influirà sulla resistenza o sulla portanza. Vedi qui per ulteriori informazioni su questo effetto , comprese belle immagini.

Lincremento può essere spiegato in diversi modi equivalenti

Seguendo limmagine di un campo di pressione delineato sopra, la portanza è la differenza di pressione tra la superficie superiore e inferiore dellala. Le molecole rimbalzeranno contro la pelle dellala più sul lato inferiore che su quello superiore, e la differenza è la portanza.

Oppure guardi limmagine macroscopica: una certa massa daria è stata accelerata verso il basso da lala, e questo richiedeva una forza per agire su quellaria. Questa forza è ciò che mantiene laereo in aria: il sollevamento.

Se guardi lala come una scatola nera e presti attenzione solo allimpulso dellaria in entrata e in uscita, lala cambierà limpulso aggiungendo una componente verso il basso. La forza di reazione di questo cambiamento di impulso è la portanza.

In ogni caso, arriverete allo stesso risultato. A proposito: la maggior parte del cambio di direzione avviene nella parte anteriore del profilo alare, non sul bordo duscita!

La portanza è una questione di definizione

La portanza e la resistenza indotta fanno entrambe parte delle pressioni che agiscono sullala. Se si sommano tutte le forze di pressione che agiscono su unala, il vettore risultante punterà leggermente allindietro. La componente streamwise è la resistenza e la componente ortogonale alla direzione del movimento è la portanza. Questa è solo una definizione, fatta per semplicità.

Commenti

• È eccellente, ho particolarmente apprezzato la mini lezione sulle molecole, penso che davvero mi ha aiutato a capire. Per chiunque altro legga questo, btw, assicurati di guardare anche la risposta di DanHumes, che supera alcuni dei miti comuni su come viene generato il sollevamento. ‘ è anche molto utile.
• Questa è stata unottima risposta!
• Ottima risposta. Questo youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI mostra che il movimento / sollevamento è possibile senza Bernoulli.
• Ho una domanda sul flusso in eccesso il lato inferiore dellala: la pressione è superiore a quella ambiente o solo ” meno ridotta ” rispetto al lato superiore dellala? E ho letto da qualche parte che laria sopra il lato inferiore dellala rallenta e poi accelera, è vero? O laria è solo ” meno accelerata: rispetto alla superficie superiore dellala?
• @Konrad I dettagli dipendono dallo spessore del profilo alare. Su profili alari sottili ad alto angolo di attacco, il flusso sul lato inferiore è rallentato e la pressione è superiore a quella ambiente. Nella maggior parte dei casi la pressione e la velocità sono vicine alla temperatura ambiente. Su profili alari spessi a basso angolo di attacco la tua ultima frase è corretta: laria sarà meno accelerata sul lato inferiore. Alla fine della sua corsa, laria assumerà di nuovo la velocità e la pressione ambientale, quindi accelererà o rallenterà a seconda dello stato che aveva prima.

Risposta breve: esercitando una forza verso il basso sullaria che li circonda.

Risposta lunga: alcune persone del Glenn Research Center della NASA hanno scritto una buona spiegazione di più pagine, trattando individualmente ogni effetto che contribuisce, così come alcune discussioni sul perché le spiegazioni che potresti aver sentito a scuola non funzionano. Poiché la navigazione è un po bizzarra, collegherò ogni pagina singolarmente con un breve riepilogo.

Lift from Pressure-Area

Quando un fluido si sposta su un oggetto (o viceversa), la pressione è diversa in punti diversi. A causa di questa differenza di pressione, cè una forza complessiva. Puoi usare lequazione di Bernoulli per calcolare questa forza, ma devi conoscere la velocità del fluido (in ogni punto dellala) per iniziare. Non puoi semplicemente spiegarlo con “leffetto Bernoulli”, perché leffetto Bernoulli si applica altrettanto a tutto ciò che si muove nellaria.

Solleva da Flow Turning

Entrambe le superfici dellala girano il flusso daria. La superficie inferiore la devia (laria rimbalza sullala), mentre la superficie superiore curva la piega (laria si attacca allala). La rotazione del flusso è ciò che ti dà portanza piuttosto che trascinamento. Puoi considerare la svolta come la fonte della differenza di pressione nelleffetto Bernoulli, o puoi pensarla semplicemente in termini di uguale e forze opposte.

Esiste un altro modo di modellare la rotazione del flusso, che non è discusso sul sito della NASA. Se hai sentito parlare del teorema di Kutta-Joukowski, questo è ciò a cui si riferisce. Quando laria si piega attorno allala (o qualsiasi oggetto), ci sono due punti speciali. Nella parte anteriore dellala, una parte dellaria va sopra la parte superiore e unaltra sotto la parte inferiore, ma “cè un punto tra i due. La situazione opposta si verifica nella parte posteriore dellala, dove laria dallalto la superficie incontra laria che è arrivata dal fondo (ma non la “stessa” aria: vedere la teoria sbagliata n. 1 di seguito). Questi due punti sono chiamati punti di stagnazione . In un oggetto normale, sono a lo stesso livello verticalmente lun laltro, ma poiché la parte posteriore di unala è affilata , il punto di ristagno posteriore si formerà dietro di essa quando lala si sta muovendo abbastanza velocemente. Quello è più basso del punto di stagnazione anteriore, il che implica che il movimento netto dellaria è verso il basso. È da lì che proviene la rotazione del flusso e il teorema ti consente di calcolare la portata che ottieni.

Teoria sbagliata n. 1: tempo di transito uguale

Come ho detto, per invocare leffetto Bernoulli, devi per spiegare perché laria sulla superficie superiore si muove più velocemente. Gli insegnanti spesso affermano che “è perché laria sulla superficie superiore deve incontrare laria sulla superficie inferiore. È semplicemente sbagliato, e cè” un simpatico simulatore per dimostrarlo.

Teoria sbagliata n. 2: saltare la pietra

Questa pagina discute quando le persone si rendono conto che laria “rimbalza” sulla superficie inferiore dellala, ma trascura la parte superiore superficie.

Teoria sbagliata n. 3: Venturi

Alcune persone immaginano la superficie superiore dellala come una metà di un ugello Venturi (un ugello che accelera il flusso del fluido restringendolo). Questa differenza di velocità darebbe luogo a una differenza di pressione (ancora effetto Bernoulli), ma si scopre che lala non funziona affatto come un ugello.

Bernoulli e Newton

Questultima pagina riassume solo che le teorie sbagliate iniziano con una fisica ben nota (Newton “s o leffetto Bernoulli), ma poi cerca di semplificare tutto per adattarle alla situazione, quindi finiscono con spiegazioni che fanno previsioni sbagliate.

Commenti

• Secondo me la più facile da capire è la spiegazione del flusso che gira. Voglio dire, puoi quasi sentirlo;]
• -1 per una spiegazione sbagliata del teorema di Kutta-Joukowski e della svolta del flusso. Si dovrebbe ricordare che la rotazione del flusso è leffetto del sollevamento (che è stato creato dalla differenza di pressione), piuttosto che la causa del sollevamento.
• @VictorJuliet: Né è causa ed effetto. Sono entrambe proprietà del flusso del fluido. Tuttavia, a scopo illustrativo, la direzione in questa risposta è corretta, principalmente perché la direzione opposta non è possibile ; puoi derivare la portanza dal teorema di Kutta-Joukowski, ma puoi ‘ derivare il teorema di Kutta-Joukowski dalla portanza.
• Lunica cosa sbagliata sulla spiegazione del Kutta -Il teorema di Joukowski è che non menziona il motivo per cui il punto di ristagno posteriore si muove, che è linerzia dellaria.
• @VictorJuliet: I don ‘ t vedere il testo per provare a dimostrare che il punto di ristagno posteriore si sposta usando il teorema di Kutta-Joukowski ‘ (che afferma semplicemente che lo fa e come derivarne la portanza). Non lo spiega. Non spiega né perché si sposta sul bordo di uscita (inerzia del flusso), né perché si sposta al di sotto di quello anteriore (angolo di attacco + sapendo già che si trova sul bordo di uscita).

COME UN AEREO GENERA ASCENSORE

Di solito ci sono due campi di pensiero popolari (esclusa la smentita teoria del tempo uguale) dietro al motivo per cui un aeroplano vola; alcuni pensano che sia causato da unapplicazione della terza legge di Newton, e altri pensano che sia causato da una differenza di pressione sulla parte superiore e inferiore dellala. Fondamentalmente sia la spiegazione “newtoniana” che la spiegazione “alta / bassa pressione” hanno ragione in una certa misura. La NASA lo riconosce (vedi il secondo riferimento sotto) nel loro articolo, tuttavia la loro spiegazione finale è molto più focalizzata sullapplicazione matematica e meno su una spiegazione fisica.

Terza legge di Newton

Sul lato della 3a legge di Newton la forza aerodinamica netta è causata da un reindirizzamento del vento relativo verso il basso (noto come “downwash”). Se guardi il diagramma vettoriale che descrive le forze dellala in aria, è mostrato che questo reindirizzamento è causato da una forza sul vento dellala che punta verso il basso e più o meno perpendicolare al linea di corda dellala (la linea direttamente tra il bordo dattacco e il bordo duscita). A causa della terza legge di Newton, ciò si traduce in una forza del vento sullala nella direzione opposta (verso lalto e più o meno perpendicolare alla linea della corda); questa forza aerodinamica netta verso lalto tiene conto della portanza e della resistenza indotta (resistenza causata dai processi di sollevamento del profilo alare, da non confondere con la resistenza parassita che è la resistenza causata dalle superfici dellaereo; un paracadute che si trascina dietro laereo contribuirebbe alla resistenza parassita e tutti i profili alari producono una certa quantità di resistenza indotta quando generano portanza).

Sul fondo dellala questo reindirizzamento dellaria può essere spiegato semplicemente. Il vento relativo colpisce il fondo ed è spinto via dal profilo alare dalla forza normale del profilo.

Sulla parte superiore dellala laria viene reindirizzata da un fenomeno noto come effetto Coanda, risultante in un flusso laminare (il vento relativo segue lala ed è da essa diretto verso il basso).Descriverò il motivo per cui il vento segue questo flusso laminare in modo più dettagliato quando spiego il secondo grande fenomeno di generazione di portanza che ha a che fare con le pressioni (poiché avrai bisogno delle informazioni di quella sezione per capire leffetto Coanda)

Alta / Bassa pressione

Cè una pressione dellaria più alta sul fondo dellala rispetto a Patm (pressione atmosferica ). Questo perché i flussi daria sono concentrati quando i loro percorsi sono bloccati e reindirizzati dal profilo alare. Una maggiore concentrazione di aria porta a una pressione più alta.

Allo stesso modo sulla parte superiore del profilo alare viene impedito che le correnti daria raggiungano direttamente la superficie superiore dellala, creando un vuoto dove cè una minore concentrazione di particelle daria e quindi pressione più bassa. Poiché i fluidi fluiscono naturalmente da alta a bassa pressione, laria a Patm ben al di sopra dellala viene “risucchiata” verso il basso e abbraccia la superficie dellala. Tuttavia, anche con questo flusso laminare (come abbiamo discusso sopra) esiste ancora una zona di bassa pressione sulla parte superiore dellala; laria del flusso laminare non è ancora sufficiente per ripristinare quella regione a Patm. Questo può essere trovato guardando una mappa di pressione di un profilo alare – vedrai che cè una regione di bassa pressione sulla parte superiore dellala anche se Il flusso laminare esiste. Questa sezione avrebbe dovuto anche spiegare perché esiste il flusso laminare (vedere lultima parte della terza legge di Newton sopra).

Infine, perché hai una pressione più alta (forza per unità di area) sulla parte inferiore dellala rispetto a quella sulla parte superiore dellala, le forze sul profilo alare sono sbilanciate e puntano verso lalto, in una direzione simile alla forza aerodinamica netta causata dalla terza legge di Newton (descritta sopra). Ciò contribuisce alla forza aerodinamica netta.

A causa della minore pressione sulla parte superiore dellala rispetto alla parte inferiore, il flusso daria sulla parte superiore dellala si muove più velocemente che sulla parte inferiore, secondo Bernoulli ” s equazione (in pratica in un flusso daria una diminuzione della pressione si traduce in un aumento della velocità e viceversa) – Vedere la diagramma di flusso allinizio di questo post. Questo potrebbe essere il motivo per cui la teoria del “tempo uguale” (che il flusso daria sulla parte superiore dellala ha una distanza maggiore da percorrere quindi deve viaggiare più velocemente) è così ampiamente accettata. Il flusso daria sulla parte superiore viaggia più velocemente, ma non perché è “una distanza maggiore.

Questo spiega anche i” vortici delle estremità delle ali “, quei vortici daria che possono essere visti (in determinate condizioni) trascinarsi dietro le ali di un aereo. Questo perché laria ad alta pressione dal fondo dellala vortica sopra le estremità dellala per cercare di neutralizzare larea di bassa pressione sulla parte superiore (perché i fluidi tendono a viaggiare da alta a bassa pressione). aumentare leggermente la pressione sulla parte superiore dellala (e di conseguenza diminuire la pressione sulla parte inferiore), riducendo la differenza di pressione, tuttavia poiché laereo si muove non tutta laria che viaggia dal basso verso lalto raggiunge la sua destinazione mentre il profilo alare si muove fuori mano, lasciando che laria vortichi in un vortice circolare. Questo flusso daria ad alta pressione riduce la portanza (perché diminuisce la differenza di pressione). Questo è il motivo per cui sono state inventate le alette (le estensioni delle ali verticali allestremità delle ali) – – per bloccare alcuni di questi f bassa e aumentare la portanza (e quindi lefficienza del carburante). “Effetto suolo”, ovvero il fenomeno che aumenta la portanza quando un aereo è vicino al suolo, è dovuto al fatto che il suolo ostacola laria che cerca di sollevarsi e neutralizzare la bassa pressione sulla parte superiore dellala.

Commenti finali

Un altro fenomeno aerodinamico che farò riferirsi a questa spiegazione è uno “stallo”. Quando un profilo aerodinamico si ferma, perde una grande quantità di portanza e non può più contrastare la gravità, facendo precipitare laereo a terra. Come pilota mi sono esercitato in stallo molte volte e ci sono due cose evidenti che accadono che portano a uno stallo. Uno è che laereo perde notevolmente la velocità quando inizi ad aumentare langolo di attacco. In questo caso ciò che sta accadendo è che la forza totale sullala viene inclinata allindietro, quindi è principalmente la resistenza indotta piuttosto che la portanza (fino a un certo punto aumentare langolo di attacco aumenta la portanza perché aumenta la forza totale sul profilo alare tuttavia come il langolo diventa estremo, la portanza inizia a diminuire e la resistenza continua ad aumentare). Alla fine, quando laereo si ferma, si avverte un improvviso sobbalzo verso il basso da parte dellaereo come se una corda che lo sostiene fosse appena tagliata.In questo caso lala ha raggiunto il suo angolo di attacco critico e il flusso laminare sulla parte superiore dellala (come descritto sopra) si è separato (perché la pressione inferiore sulla parte superiore dellala non può più tirare il vento verso il basso per conformarsi con la sua superficie come forza necessaria per cambiare il vettore di velocità del vento di quel grande angolo non può essere esercitata da quella differenza di pressione. Una volta che laereo si ferma, devi ricollegare il flusso laminare al flusso daria per “recuperare” dallo stallo – in un aereo lo fai abbassandoti con il giogo.

In futuro mi piacerebbe espandere questo post con spiegazioni più matematiche su come calcolare la portanza di un dato profilo alare così come esplorare altri cose correlate come il coefficiente di portanza, il numero di Reynolds, come calcolare langolo di attacco critico e argomenti correlati. Questo campo è generalmente dominato da dati empirici ed entrare in alcuni di essi con un po di matematica complicata è difficile ma divertente (non farlo menziona la via del futuro , soprattutto perché i computer possono ora elaborare questi modelli matematici per noi e sono molto più veloci nel farlo rispetto agli esperimenti).

Fonti utili:

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/ aeroplano / wrong2.html

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

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

Commenti

• +1 per la gif animata, molto fantastico.
• Questo youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI mostra che il movimento / sollevamento è possibile senza Bernoulli.

La risposta più semplice che so che è ancora accurata è che per qualsiasi oggetto si muova nellaria, alcuni la forza deve spingere via laria davanti ad essa (gravità, motori, quantità di moto ecc. non si opacizzano ehm). Se più aria viene spinta verso il basso e poi verso lalto (ad esempio dalle ali), la differenza viene chiamata portanza.

Commenti

• Devo ammettere che ‘ è una spiegazione di alto livello abbastanza chiara.
• Descrive quando cè un ascensore. Non dice nulla sul motivo per cui wings , in particolare, lo genera.
• Estendi la logica e vedrai che non cè niente di speciale in wings. Qualsiasi forma può generare portanza se le circostanze sono giuste, le forme delle ali sono semplicemente migliori nel spingere più aria verso il basso e poi verso lalto rispetto, ad esempio, a un mattone.
• @Koyovis – la velocità del suono attraverso un mezzo non ha nulla a che fare con la portanza generata spingendo il mezzo fuori strada. Esattamente la stessa fisica si applica a un profilo alare attraverso lacqua come quelli usati nelle gare di Coppa America. link
• @Koyovis Non ricevo la tua domanda. La velocità non centra. Una forza (f = ma) è necessaria per spostare il mezzo fuori strada, quella forza proviene dalla forza motrice del veicolo (motori, gravità ecc.). Il materiale spostato in avanti spinge indietro (trascina) e il materiale spinto verso il basso spinge verso lalto (solleva).

Le ali generano portanza spingendo laria verso il basso. Da bambino stavo tirando fuori la mano dal finestrino aperto e inclinandolo: cè una forza verso lalto. Una piastra piatta fa questo.

Quindi le ali degli aerei potrebbero essere piastre piatte, ma sfortunatamente le piastre piatte creano molta resistenza non appena creano portanza poiché il flusso allestremità superiore si stacca immediatamente (spirale riccia nella foto sopra). Questo effetto può essere ridotto utilizzando una piastra bombata invece di una piastra piatta, riducendo il vortice sulla superficie superiore:

Ma resta il problema che non appena la piastra bombata viene inclinata ulteriormente, crea molto trascinamento, allo stesso modo della piastra piatta dritta . Una forma a goccia dacqua è più efficiente in termini di resistenza rispetto a una piastra piatta, mantenendo il flusso attaccato. E cosè una sezione trasversale alare diversa da una piastra bombata con una sezione trasversale a goccia dacqua?

Diventa un po confuso e tutto quando guardiamo allaccelerazione dellaria alla pressione superiore e inferiore, ecc., soprattutto se vogliamo spiegare la creazione della portanza da quella. Alla fine la portanza viene creata accelerando laria verso il basso e la continuità di massa implica che laria sul lato superiore debba accelerare. È un effetto piuttosto che una causa.

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• La piastra piatta è più efficiente nel suo angolo di attacco di progetto. Rendere il profilo alare più spesso aumenta la resistenza, ma amplia il raggio dellangolo di attacco in cui funziona bene.
• @PeterK ä mpf Capito, cambiato.

Ecco un link al libro web di John S. Denker sui profili alari. Questa è probabilmente la spiegazione definitiva di come funzionano le ali. John Denker ha un sacco di siti web che vale la pena visitare.

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

In conclusione: per un aereo da 150.000 libbre in cui rimanere laria, deve impartire 150.000 lbft di quantità di moto allaria attraverso la quale passa. Si può parlare di differenze di pressione dellaria (ecc.) ma questo è solo linizio della spiegazione. Se ritieni che il tempo di transito uguale o la curvatura delle ali sia ciò che fa funzionare le ali, questa è una lettura obbligata.

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• Era letteralmente nel a metà della lettura di quel link quando lo hai pubblicato. È unottima lettura, sono daccordo :).

Un modo semplice per capirlo è che lala funge da lama in un ventilatore. Muoversi nellaria allangolo corretto provoca la formazione di un vuoto sulla parte superiore. La punta anteriore deve essere rotonda per consentire allaria di muoversi agevolmente e di espandersi per creare il vuoto.

I fondi piatti e altre forme massimizzano semplicemente questo effetto ma non sono necessari. Questo è il motivo per cui è possibile volare capovolto fintanto che lala colpisce laria ad angolo retto. (Non ad angolo retto.)

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• abbassare la pressione, sì, ma suggerendo che un ” vacuum ” forms è completamente sbagliato.
• @Federico Beh, non è un vero vuoto. Immagino di dover dire un vuoto relativo.
• La punta anteriore ‘ in realtà non deve essere rotonda per generare portanza. Il link di BillOer ‘ spiega il motivo. Se fosse così, aeroplani di carta, aquiloni e alcuni tipi di alianti non ‘ volerebbero.
• @DanHulme Io non ‘ Sia che si tratti di un ingrediente della portanza, ma piuttosto che sia necessario evitare un flusso daria irregolare.

Aggiornamento : vedi I propri esperimenti sulla svolta del flusso in fondo a questo post

Sono un giornalista scientifico indipendente, ho svolto molte ricerche su miti e false spiegazioni sullascensore e questa spiegazione è il risultato:

Il problema. Come sappiamo, il principio della generazione di portanza in generale e leffetto Magnus è erroneamente compreso e spiegato in modo falso in molte fonti. Lalto flusso velocità attorno a un rigonfiamento del profilo alare (o una sfera / cilindro rotante nel caso delleffetto Magnus) e la relativa bassa pressione (effetto Bernoulli) non è la causa di lascensore come spesso affermato, ma sta solo assistendo la generazione dellascensore perché è unaccelerazione dellaria. Tuttavia, è ancora un fattore importante nel meccanismo di portanza perché fa parte della forza di portanza (Forza = Massa x Accelerazione ). Questa accelerazione extra dovuta allaumento della velocità del flusso può essere aggiunta alla normale accelerazione coinvolta nella forza che fa girare un flusso.

La vera causa . Inoltre generalmente accettato è che la vera causa dellaumento è il aria che è rivolta verso il basso dallangolo o dalla forma del profilo alare e questa forza provoca una forza nella direzione opposta, come spiegato, tra gli altri, dalla NASA. Tuttavia, il meccanismo è ancora poco chiaro per molte persone. Cerco di dare un po più di intuizione con alcuni esperimenti auto-sviluppati molto facili ed esempi facili da capire. (guarda anche questo video dimostrativo ). Sappiamo che per trasformare un flusso, è necessaria una forza, quindi maggiore è la deflessione, maggiore è la forza. Una svolta è in realtà unaccelerazione. Durante la svolta ci deve essere una forza uguale nella direzione opposta (terza legge di Newton). Questa è leffettiva portanza sul profilo alare. È chiaro che un certo raggio di rotazione del flusso (azione) si traduce in un raggio uguale della forza opposta (reazione). È importante capire che la reazione del profilo alare sul flusso daria accelerato è causata dallinterazione della superficie del profilo alare con lo strato limite.

Centro di Pressione. La chiave per creare azione = reazione sul profilo alare è la viscosità dellaria poiché senza laria che aderisce meno o più al profilo alare, linterazione necessaria non si verificherebbe. le forze agiscono ovunque sul profilo alare, ma il centro di pressione (CP) si verifica dove la deflessione media è la più grande, quindi cè anche lazione più grande = punto di reazione. Questo è il punto in cui la forza di portanza agisce sul profilo alare. Possiamo verificarlo facilmente con le alette dispiegate.Le alette provocano una maggiore deviazione dellaria sul bordo di uscita, quindi il centro di pressione si sposta maggiormente verso il bordo di uscita quindi senza alette.

Il reale Forza di sollevamento. Quando laria viene deviata verso il basso, laria esercita una forza nella direzione opposta, il che significa che si somma alla pressione sul lato inferiore dellala con il risultato di una vettore più grande nella direzione verso lalto. Ma sul lato superiore dellala ora abbiamo un vettore più piccolo in quanto la pressione si abbassa perché qui si deduce la pressione causata dalla forza verso lalto. Il risultato è una forza netta verso lalto. Questa diminuzione della pressione verticale è la forza di sollevamento reale.

Riassumendo: Abbiamo una pressione tangenziale relativamente bassa riduzione (che agisce nella direzione del flusso) che è la parte di Bernoulli ed è la parte accelerante della forza di portanza. E abbiamo unenorme riduzione della pressione verticale che è la parte newtoniana della forza di portanza che effettivamente fa alzare il profilo alare e che determina dove si trova il centro di pressione del profilo e dove agisce la forza di portanza risultante. La maggior parte della pressione che vediamo su una figura isobara di un profilo alare è verticale e solo una piccola è tangenziale. Ciò corrisponde alle misurazioni precedenti degli aerodinamici secondo cui la riduzione della pressione nella direzione del flusso (Bernoulli) non corrisponde alleffettiva portanza generata. Per capire la relazione tra la riduzione della pressione nella direzione del flusso e la riduzione della pressione nella direzione verticale, renditi conto che la deflessione di un flusso per creare portanza è sempre accompagnata da un gradiente di pressione , quindi se il flusso accelera sopra la parte superiore del profilo alare e diminuisce la pressione (principio di Bernoulli) e poi viene ruotato verso il basso per creare una forza ascendente, il flusso viene rallentato la pressione aumenta. Questo aumento di pressione sul lato superiore del profilo alare è trascurabile rispetto alla diminuzione di pressione sul lato superiore causato dallaria che viene accelerata verso il basso, quindi il profilo alare si alza e abbiamo portanza.

Un altro esempio. Immagina unala a piastra piatta che vola ad angolo di attacco zero con sul bordo duscita un lembo rivolto verso il basso. Immagina solo il flusso daria sul lato superiore di questa ala. Non vi è alcuna accelerazione e relativo abbassamento della pressione del flusso in quanto il flusso non supera alcun ostacolo. Incontra solo un gradiente di pressione sfavorevole quando si sposta sul lembo verso il basso perché cè una diminuzione della velocità del flusso quindi un aumenta la pressione del flusso (Bernoulli). Ma quando il flusso viene deviato verso il basso, una forza in direzione opposta agisce contemporaneamente e quindi sulla parte superiore lato cè una pressione molto, molto più importante diminuzione (perché la forza nella direzione verso lalto lavora contro la pressione ambiente proveniente da sopra). Questa diminuzione della pressione causata dallazione “verticale” è la forza di sollevamento reale .

Aggiorna : Esperimenti personali sul flusso Turning. Il 26 settembre 2018, durante il flusso personale girando esperimenti di prova con dispositivi ad ala volante di cartone auto-sviluppati, ho trovato prove a favore di una teoria che sospettavo da tempo. Ciò implica limportanza della distanza di rotazione del flusso in relazione alla pendenza della svolta. Spiegato brevemente: la distanza di svolta sembra più importante dellangolo di svolta. Quando si lancia lala e quando si stima la posizione del centro di pressione, il lato con la svolta più lunga ha sempre vinto dal lato con la svolta più ripida, indipendentemente dallorientamento dellala.

I risultati del test:

– Breve curva ripida che punta verso il basso nella parte anteriore, lunga curva meno ripida nella parte posteriore che punta verso lalto. > Risultato: momento positivo, il naso si muove verso lalto. Questo è leffetto della curva nella parte posteriore come farebbe una curva che punta verso il basso predominante nella parte anteriore generare un momento a naso in giù poiché questo sarebbe un angolo di attacco negativo.

– Curva lunga meno ripida che punta verso lalto nella parte anteriore, curva corta e ripida nella parte posteriore che punta verso il basso . > Risultato: slancio positivo, il naso si alza. Questo è leffetto della curva lunga e meno ripida nella parte anteriore in quanto si tratta di un angolo di attacco positivo.

I risultati delle mie scoperte corrispondono al fatto che il flusso che gira sul bordo dattacco di un profilo alare è attualmente il più grande mentre non sta creando lo slancio maggiore.La virata verso il bordo duscita dopo il punto di massima campanatura tuttavia è più lunga, vince, quindi crea lo slancio CP. Sembra logico tuttavia che in una battaglia tra due curve della stessa lunghezza, vinca la curva con langolo più ripido.

Uno dei miei dispositivi auto-sviluppati per fare esperimenti con portanza, rotazione del flusso e centro di pressione: il dimostratore FWSCLm (Flying Wing Stability & movimento CL) . La penna nella parte anteriore può essere spostata dentro e fuori per regolare il centro di gravità. Le alette nella parte posteriore vengono utilizzate per aumentare o diminuire la curvatura del profilo alare al fine di regolare il centro di portanza. vista laterale

Commenti

• Ti ho sentito davvero parlare di voti negativi senza commenti, ma se ti attieni molto da imparare su questo posto. La tua vela sembra davvero dei sollevatori lenti e alti trovati in Airfoil Tools in rete. Ho anche scoperto che le ali sottili sotto le ali incurvate rendono gli alianti di balsa deliziosamente lenti (velocità di camminata). Potresti scoprire che le ali più sottili sono migliori per la penetrazione del vento (meno resistenza). I confronti tra le ali di aquila e albatro possono fornire buone informazioni sul design delle ali.
• Grazie per i tuoi commenti sullala. Il profilo ad alta portanza dellala spessa è stato progettato per test particolari sul flusso di virata per vedere un effetto rafforzato in volo corto. Come hai detto, più sottile è meglio per meno resistenza. Ho anche una versione con piastra piatta curva di questa ala con curva flessibile. Qui lo vedi in azione. Il video mostra effettivamente la correzione automatica del pitch: vimeo.com/…
• Consiglia anche studiare le vele, in particolare la vela del fiocco. ” Laccelerazione ” dellaria attraverso la parte superiore dellala non ha senso. Né laria è un ” fluido “, è un gas comprimibile. Il flusso di virata infatti è correlato alla bassa pressione sulla parte superiore dellala. Il grande Coanda si rese conto che il flusso daria deviato crea un basso locale che lala (in alto) e il flusso daria (in basso) cercano di riempire.
• Tuttavia, non possiamo dimenticare ” effetto viscoso ” del movimento dellaria (o dellacqua) che attira laria circostante nel flusso. Un semplice aspiratore da piano lavello crea un forte vuoto. La forza di portanza è creata anche dal flusso daria che colpisce una superficie angolata (parte inferiore dellala). Cè più di una fonte di sollevamento. Continuo a cercare di capire qual è il più EFFICIENTE. Potrebbe essere la portanza sopra la parte superiore del profilo alare, poiché coprire la parte inferiore dellala sembra far andare i miei alianti più veloci e più lontano.
• E infine gli effetti di ariete (pressione più alta) sotto lala presente in ali undercambered (nota ” capped ” punte delle ali degli U2) e paracadute. Credo che questo sia il più lento e inefficiente, ma può portare a velocità di volo molto basse!

In che modo una pallina genera forza centripeta quando si muove su una superficie curva? Il motivo è la gravità. Quando la pallina ha una velocità lungo la freccia rossa, la pallina ha la tendenza a partire lungo la direzione normale della superficie, quindi la forza della pallina sulla superficie curva sarà ridotta, quindi la forza centripeta del piccolo si otterrà una palla che si muove lungo la superficie.

Trasformiamo le palline sulla superficie in aria. Quando laria non si muove, supponiamo che la forza dellaria sulla superficie curva sia F, e quando laria ha una velocità lungo la direzione della freccia rossa, la forza dellaria sulla superficie curva è f, perché laria ha una tendenza a partire lungo la direzione normale della superficie curva, quindi F> f. Quindi laria ha una forza centripeta che si muove lungo una superficie curva, che fa muovere laria lungo una superficie curva.

La forza esercitata dallaria sulla superficie curva è la pressione dellaria. Una diminuzione della pressione dellaria è una diminuzione della forza esercitata dallaria su una superficie curva.

La superficie curva qui è simile allala.

Commenti

• Non ‘ accetto questa risposta. La menzione della gravità rende solo le cose difficili, poiché le persone possono pensare che la gravità sia coinvolta nella creazione dellascensore. Unimmagine migliore avrebbe la palla che viaggia su una linea retta e si scontra con la superficie curva. Ciò evita la necessità di gravità e migliora lanalogia con un profilo alare. Inoltre, se non cè curvatura, anche la pressione diminuisce, il che ‘ non risulta dalla tua spiegazione.
• @ROIMaison Nota che per laria ‘ sto parlando della normale tendenza del movimento, che porta ad una diminuzione della pressione.
• @ ROIMaison aviation.stackexchange.com/a/70283/42162

La portanza è una forza generata attraverso unala a causa della differenza di pressione . Quindi, fondamentalmente, se sei in grado di ottenere una pressione diversa sopra e sotto unala, avresti portanza. Ora, dalla legge di Newton di base, questa forza sarebbe diretta dalla regione di alta pressione alla regione di bassa pressione ( Perché la regione di alta pressione spingerà la superficie esercitando più forza su di essa rispetto alla regione di bassa pressione che spingerebbe la superficie con una forza relativamente minore).

Ora, la cosa importante è creare questa differenza di pressione. Ciò si ottiene sfruttando uninteressante proprietà del fluido: un fluido a flusso rapido ha una pressione inferiore rispetto a un fluido a movimento lento. Questa proprietà può essere dimostrata con vari mezzi matematici ed è splendidamente incorporata nel Principio di Bernoulli . Quindi il Principio di Bernoulli è una matematica espressione di una proprietà intrinseca di un fluido.

Ora, per ottenere la portanza, la differenza di pressione richiesta può essere creata avendo un flusso attorno al profilo alare in modo tale che le velocità del fluido sotto e sopra il profilo alare sono diversi. Ciò si ottiene modificando la forma dellala (Camber) in modo tale che diventi asimmetrica. Lasimmetria causa velocità diverse sulla parte superiore e inferiore del profilo alare per il seguente motivo:

Quando un fluido raggiunge il bordo di attacco del profilo alare, una parte del fluido viene spostata verso lalto, mentre una parte di è spostato verso il basso. A causa dellasimmetria del profilo alare, il fluido che si è spostato verso lalto ha una minore area di sezione trasversale da attraversare rispetto al fluido che è andato sotto il profilo alare. Questa differenza di area disponibile per il fluido per il movimento crea la differenza nelle velocità del fluido in diverse regioni. Questa proprietà del fluido di muoversi più velocemente nelle aree di minore sezione trasversale e di muoversi lentamente in aree di maggiore sezione trasversale può essere derivata in forma matematica mediante lapplicazione della conservazione della massa ed è chiamata Principio di continuità .

Quindi, le velocità del fluido modificate creano un gradiente di pressione che a sua volta provoca una forza sullala, chiamata portanza. Ora, questa portanza può essere in qualsiasi direzione (che potrebbe essere rilevata integrando forze molto piccole su aree molto piccole sulla superficie dellala). La componente di questa forza perpendicolare alla direzione della velocità dellaereo è chiamata solleva forza, dove come laltro componente parallelo al la velocità dellaereo viene quindi inclusa nella forza drag .

EDIT

Per una rappresentazione molto accurata delle equazioni che governano il comportamento dei fluidi, si può sostenere che il Principio di Bernoulli non è corretto. In questo caso Lequazione di Navier Stoke è valida, ma per scopi di comprensione, qualsiasi tempo invariante (costante), in un flusso invisibile e comprimibile può essere considerato obbedire allequazione di Bernoulli.

Inoltre, per un fluido reale, non obbedirebbe allequazione di Bernoulli il più delle volte, ma il comportamento generale della riduzione della pressione con laumento della velocità del flusso è ancora osservata, sebbene la caduta di pressione esatta non possa essere calcolata mediante lequazione di Bernoulli. In questi casi, lequazione di Navier Stoke viene utilizzata per calcolare correttamente la caduta di pressione creata a causa della maggiore velocità del flusso.

EDIT 2

Per le ali simmetriche, lala non genererà alcuna portanza se il flusso vede lala simmetricamente, quindi ciò significa intrinsecamente che unala simmetrica con angolo di attacco 0 non lo farebbe produrre qualsiasi ascensore. Per ottenere la portanza da unala simmetrica, è posizionata ad un certo angolo rispetto al flusso, in modo che il flusso lo veda “s it” asimmetricamente “e quindi, la spiegazione sopra può essere utilizzata per spiegare la vita generata in questo caso.

EDIT 3

Spiegazione per gli aerei che volano sottosopra: per far volare un normale aereo , è necessario un angolo di attacco positivo.Dare a questo piano un rollio dellasse di velocità di 180 gradi, si ottiene un piano con angolo di attacco -ve e quindi una portanza negativa.Ma un aereo non può sostenere il volo con portanza negativa, quindi ciò che gli aerei volanti capovolti devono fare è aumentare langolo di attacco -ve verso positivo, tirando il muso verso lalto (che sarebbe spingere il muso verso il cielo in piano in basso). Questo fa sì che langolo di attacco cambi e diventi + ve. Langolo di attacco + ve significa che lala ora sperimenterà una vita tale che un aereo capovolto ha portanza verso lalto (questo è equivalente a un piano normale con angolo di attacco ve e quindi portanza negativa).

Commenti

• Questo ‘ non spiega perché unala senza camber o una con un la sezione trasversale simmetrica dallalto verso il basso, o uno con una superficie inferiore più lunga della superficie superiore, può generare portanza.
• @DanHulme +1 o come gli aerei con camber possono volare sottosopra.
• @Jan Hudec, dovresti capire la differenza tra il ‘ Principio di Bernoulli e lequazione. Il teorema afferma: ” Nella dinamica dei fluidi, il principio di Bernoulli ‘ afferma che per un flusso invisibile di un fluido non conduttore, un aumento del la velocità del fluido si verifica simultaneamente con una diminuzione della pressione o una diminuzione dellenergia potenziale del fluido ‘. ” dove come lequazione, daltra parte ha cercato di ottenere risultati quantitativi del principio di bernoulli ‘, ma non ci riesce a causa del fatto che prevede risultati errati
• QUESTA RISPOSTA È SBAGLIATA . Lequazione di Bernoulli ‘ mantiene una precisione sufficiente attorno allala. Ma lequazione di Bernoulli ‘ necessita di velocità per ricavare la pressione e la spiegazione del motivo per cui cè una velocità maggiore sopra lala non è corretta. Larea sopra e sotto lala non è delimitata, quindi laria ha molta libertà di scegliere la distribuzione della velocità ‘. Inoltre, non corrisponde alla realtà, perché larea aumenta sopra lala da davanti a dietro e diminuisce sotto lala in modo simile, ma le distribuzioni di velocità non ‘ seguono un profilo simile.
• La risposta non è corretta solo se ignori gli effetti del livello limite

Un aereo vola da diversi meccanismi. Il primo è leffetto Bernoulli causato dal camber dellala che genera un differenziale di pressione spingendo lala verso lalto mentre si muove in avanti nellaria. Nota che gli uccelli hanno le ali incurvate. Tuttavia, è possibile avere un aereo con ali completamente piatte e nessun camber, quindi è un errore pensare che questa sia lunica fonte di portanza (come hanno fatto alcune delle risposte precedenti).

Anche langolo alla radice dellala è importante. Se metti la mano ad angolo fuori dal finestrino dellauto, la sentirai spinta verso lalto. Questo stesso effetto si ottiene in un aereo inclinando le ali leggermente verso lalto rispetto al piano della fusoliera.

Infine, dovresti essere consapevole che il motivo per cui un aereo rimane in alto non ha nulla a che fare con la portanza, ma con la superficie che presenta al suolo. La forza principale che sostiene un aereo è la resistenza dellaria che è una funzione di questa superficie. La forza di questa resistenza dellaria è molto maggiore della forza generata dai due effetti precedenti. Ad esempio, uno dei principali criteri di progettazione per un aereo è se ha una fusoliera quadrata o una fusoliera rotonda / ovale. Una fusoliera quadrata presenterà più superficie al suolo, avendo così una maggiore efficienza nello stare in alto. Per questo motivo, quasi tutti i primi aerei avevano fusoliere quadrate. Tuttavia, una fusoliera rotonda sarà più efficiente spostandosi in avanti rispetto a una quadrata, quindi in un aereo costruito per la velocità, rotonda è migliore. Un aereo con una fusoliera tonda va più veloce, ma è meno efficiente nei consumi di uno con una fusoliera quadrata.

Lo stesso argomento vale per larea alare. Più grande è lala, maggiore è la resistenza dellaria. Per questo motivo, gli alianti hanno ali relativamente grandi rispetto agli aerei a motore. Lo svantaggio di unala grande è lo stesso di una fusoliera quadrata: laereo va più lentamente.

Quindi, per ricapitolare, ci sono tre fattori che mantengono un aereo in alto: resistenza dellaria verticale dovuta al rivestimento verso il basso superficie, langolo delle ali alla radice dellala e leffetto Bernoulli associato alla campanatura delle ali.

Commenti

• Paragrafo 3 mi fa male la testa … non che il resto sia molto meglio. Nello spirito di indicare effettivamente cose specifiche che possono essere affrontate, prova questo: per un quadrato e un cerchio della stessa area, il cerchio avrà un diametro maggiore del quadrato ‘ s lato, quindi una fusoliera circolare dello stesso volume interno presenterà più, non meno, superficie proiettata al suolo, per tutto il bene (poco a zero) che farà al tuo aereo.