Como as asas geram sustentação?

Para chegar ao fundo disso, pode ajudar olhar em elevação a nível molecular:

Cada molécula de ar está em um equilíbrio dinâmico entre os efeitos inerciais, de pressão e viscosos:

• Inercial significa que a massa da partícula deseja viajar como antes e precisa de força para ser convencido do contrário.
• Pressão significa que as partículas de ar oscilam o tempo todo e ricocheteiam em outras partículas de ar. Quanto mais saltitante, mais força exercem sobre o ambiente.
• Viscosidade significa que as moléculas de ar, devido a essa oscilação, tendem a assumir a velocidade e a direção de seus vizinhos.

Fluxo sobre o lado superior da asa

Agora, para o fluxo de ar: quando uma asa se aproxima em velocidade subsônica, a área de baixa pressão sobre sua superfície superior irá sugar o ar à sua frente. Veja desta forma: acima e a jusante de um pacote de ar, temos menos saltos de moléculas (= menos pressão), e agora o salto inalterado do ar abaixo e a montante desse pacote empurrará suas moléculas de ar para cima e em direção a essa asa. O pacote de ar subirá e acelerará em direção à asa e será sugado para a área de baixa pressão. Devido à aceleração, o pacote será alongado no sentido do comprimento e sua pressão cairá em sincronia com o aumento da velocidade. A propagação ocorre na direção do fluxo – o pacote é distorcido e esticado no sentido do comprimento, mas se contrai na direção ortogonalmente ao fluxo. Essa contração é necessária para abrir espaço para aquela asa; no fluxo supersônico ele desacelerará para o mesmo propósito. Uma vez lá, ele ” verá ” que a asa abaixo dela se curva para longe de seu caminho de viagem, e se esse caminho permaneceria inalterado , um vácuo entre a asa e nosso pacote de ar se formaria. Relutantemente, o pacote mudará o curso e seguirá o contorno da asa. Isso requer uma pressão ainda mais baixa, para fazer as moléculas mudarem de direção. Este ar de fluxo rápido e baixa pressão, por sua vez, sugará novo ar à frente e abaixo dele. , irá desacelerar e recuperar sua velha pressão sobre a metade traseira da asa, e irá fluir com sua nova direção de fluxo.

Observe que a sustentação só pode acontecer se o contorno superior da asa for declive para baixo e para longe do caminho inicial do ar que flui ao redor da borda de ataque da asa. Isso pode ser curvatura ou ângulo de ataque – ambos terão o mesmo efeito. Visto que a curvatura permite uma mudança gradual do contorno, é mais eficiente do que o ângulo de ataque.

Fluxo sobre o lado inferior da asa

Um pacote de ar que termina abaixo a asa experimentará menos elevação e aceleração, e na parte convexa de aerofólios altamente curvados ela sofrerá compressão. Ele também tem que mudar seu caminho de fluxo, porque a asa curvada e / ou inclinada empurrará o ar abaixo dela para baixo, criando mais pressão e mais saltos de cima para nosso pacote abaixo da asa. Quando os dois pacotes chegarem à extremidade posterior, eles terão obtido alguma velocidade para baixo.

Atrás da asa, ambos os pacotes continuarão ao longo de seu caminho para baixo por um tempo devido à inércia e empurrarão outro ar abaixo deles para baixo e para os lados. Acima deles, este ar, tendo sido empurrado para o lado antes, agora preencherá o espaço acima de nossos dois pacotes. Macroscopicamente, isso se parece com dois grandes vórtices. Mas o ar nesses vórtices não pode mais atuar na asa, então não afetará o arrasto ou a sustentação. Veja aqui para mais informações sobre esse efeito , incluindo belas fotos.

A elevação pode ser explicada de várias maneiras equivalentes

Seguindo a imagem de um campo de pressão delineado acima, a sustentação é a diferença de pressão entre a superfície superior e inferior da asa. As moléculas irão saltar contra a pele da asa mais no lado inferior do que no lado superior, e a diferença é a elevação.

Ou você olha para a imagem macroscópica: uma certa massa de ar foi acelerada para baixo por a asa, e isso exigia uma força para agir naquele ar. Essa força é o que mantém a aeronave no ar: Lift.

Se você olhar para a asa como uma caixa preta e prestar atenção apenas ao impulso do ar que entra e sai, a asa mudará o impulso adicionando um componente descendente. A força de reação dessa mudança de impulso é a elevação.

De qualquer maneira, você chegará ao mesmo resultado. A propósito: a maior parte da mudança direcional acontece na parte dianteira do aerofólio, não na borda de fuga!

A sustentação é uma questão de definição

A sustentação e o arrasto induzido são ambos parte das pressões que atuam na asa. Se você somar todas as forças de pressão que atuam em uma asa, o vetor resultante apontará ligeiramente para trás. O componente streamwise é o arrasto e o componente ortogonal à direção do movimento é a sustentação. Esta é apenas uma definição, feita para simplificar.

Comentários

• Isso é excelente, apreciei especialmente a mini-aula sobre moléculas, acho que realmente me ajudou a entender. Para qualquer pessoa que esteja lendo isso, aliás, certifique-se de ler a resposta de DanHumes também, que aborda alguns dos mitos comuns sobre como o elevador é gerado. É ‘ também muito útil.
• Essa foi uma ótima resposta!
• Ótima resposta. Este youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI mostra que o movimento / elevação é possível sem Bernoulli.
• Tenho uma pergunta sobre o flow over o lado inferior da asa: a pressão lá é maior do que a ambiente ou apenas ” menos reduzida ” do que sobre o lado superior da asa? E eu li em algum lugar que o ar sobre o lado inferior da asa é lento e depois acelerado, isso é verdade? Ou o ar é apenas ” menos acelerado: do que sobre a superfície superior da asa?
• @Konrad Os detalhes dependem da espessura do aerofólio. Em aerofólios finos com alto ângulo de ataque, o fluxo sobre o lado inferior é desacelerado e a pressão é maior do que a ambiente. Na maioria dos casos, a pressão e a velocidade estão próximas da ambiente. Em aerofólios grossos em baixo ângulo de ataque, sua última frase está correta: o ar será menos acelerado no lado inferior. No final de sua execução, o ar assumirá a velocidade e a pressão ambiente novamente, de modo que irá aumentar ou diminuir a velocidade dependendo do estado que estava antes.

Resposta curta: exercendo uma força descendente no ar ao redor deles.

Resposta longa: Algumas pessoas de divulgação do Glenn Research Center da NASA escreveram até uma explicação de várias páginas muito boa, lidando individualmente com cada efeito contribuinte, bem como alguma discussão sobre por que explicações que você pode ter ouvido na escola não funcionam. Como a navegação lá é um pouco complicada, vincularei cada página individualmente com um breve resumo.

Elevação da área de pressão

Quando um fluido se move sobre um objeto (ou vice-versa), a pressão é diferente em pontos diferentes. Por causa dessa diferença de pressão, existe uma força geral. Você pode usar a equação de Bernoulli para calcular essa força, mas precisa saber a velocidade do fluido (em cada ponto da asa) para começar. Você não pode simplesmente explicar com “o efeito Bernoulli”, porque o efeito Bernoulli se aplica tanto a qualquer coisa que se move no ar.

Levante de Flow Turning

Ambas as superfícies da asa giram o fluxo de ar. A superfície inferior o desvia (o ar rebate na asa), enquanto a superfície superior curva o curva (o ar adere para a asa). O giro do fluxo é o que lhe dá sustentação, em vez de apenas arrasto. Você pode considerar o giro como a fonte da diferença de pressão no efeito Bernoulli ou pode pensar nele simplesmente em termos de igualdade e forças opostas.

Há outra maneira de modelar o giro do fluxo, que não é discutida no site da NASA. Se você já ouviu falar do teorema de Kutta-Joukowski, é a isso que ele se refere. Quando o ar se curva ao redor da asa (ou de qualquer objeto), existem dois pontos especiais. Na frente da asa, parte do ar passa por cima e parte por baixo, mas há um ponto entre os dois. A situação oposta ocorre na parte de trás da asa, onde o ar do topo a superfície encontra o ar que veio do fundo (mas não o “mesmo” ar: veja a teoria errada nº 1 abaixo). Esses dois pontos são chamados de pontos de estagnação . Em um objeto normal, eles estão em no mesmo nível verticalmente, mas porque a parte traseira de uma asa é afiada , o ponto de estagnação traseiro se formará atrás dela quando a asa estiver se movendo rápido o suficiente. Isso é mais baixo do que o ponto de estagnação frontal, o que implica que o movimento líquido do ar é para baixo. É daí que vem o giro do fluxo, e o teorema permite calcular a quantidade de sustentação obtida.

Teoria errada nº 1: Tempo de trânsito igual

Como eu disse, para invocar o efeito Bernoulli, você tem para explicar por que o ar na superfície superior está se movendo mais rápido. Os professores costumam alegar que é porque o ar na superfície superior tem que encontrar o ar na superfície inferior. Isso é simplesmente errado e há um bom simulador para demonstrar isso.

Teoria errada # 2: Pedra que pula

Esta página discute quando as pessoas percebem que o ar “bate na superfície inferior da asa, mas negligencia o topo superfície.

Teoria errada # 3: Venturi

Algumas pessoas imaginam a superfície superior da asa como uma metade de um bocal Venturi (um bocal que acelera o fluxo de fluido ao restringi-lo). Essa diferença de velocidade daria origem a uma diferença de pressão (efeito Bernoulli novamente), mas acontece que a asa não funciona como um bocal.

Bernoulli e Newton

Esta última página apenas resume que as teorias erradas começam com física bem conhecida (Newton “s leis ou o efeito Bernoulli), mas tente simplificar demais para que se encaixem na situação, então eles acabam com explicações que fazem previsões erradas.

Comentários

• Na minha opinião, o mais fácil de entender é a explicação de mudança de fluxo. Quer dizer, você quase pode sentir;]
• -1 para a explicação errada do teorema de Kutta-Joukowski e do giro do fluxo. Deve-se lembrar que o giro do fluxo é o efeito da elevação (que foi criado pela diferença de pressão), e não a causa da elevação.
• @VictorJuliet: Nenhum dos dois é causa e efeito. Ambos são propriedades do fluxo de fluido. No entanto, para fins de explicação, a direção nesta resposta está correta, principalmente porque a direção oposta não é possível ; você pode derivar a elevação do teorema de Kutta-Joukowski, mas pode ‘ derivar o teorema de Kutta-Joukowski da elevação.
• A única coisa errada sobre a explicação do Kutta -O teorema de Joukowski é que ele não menciona o motivo pelo qual o ponto de estagnação traseiro se move, que é a inércia do ar.
• @VictorJuliet: Eu não ‘ não vejo o texto para tentar provar que o ponto de estagnação traseiro se move usando o teorema de Kutta-Joukowski ‘ (que apenas afirma que sim e como derivar elevação dele). Não explica isso. Não explica por que se move para a borda de fuga (inércia do fluxo), nem por que se move para baixo da anterior (ângulo de ataque + já sabendo que está na borda de fuga).

COMO UM AVIÃO GERA ELEVADOR

Normalmente há dois campos de pensamento populares (excluindo a teoria do tempo igual) por trás do motivo de um avião voar; alguns pensam que é causado por uma aplicação da 3ª lei de Newton, e outros pensam que é causado por uma diferença de pressão na parte superior e inferior da asa. Basicamente, tanto a explicação “Newtoniana” quanto a explicação “Alta / Baixa Pressão” estão certos até certo ponto. A NASA reconhece isso (veja a segunda referência abaixo) em seu artigo, entretanto sua explicação final é muito mais focada na aplicação matemática e menos em uma explicação física.

3ª Lei de Newton”

No lado da 3ª lei de Newton, a força aerodinâmica líquida é causada por um redirecionamento do vento relativo para baixo (conhecido como “downwash”). Se você olhar para o diagrama vetorial que descreve as forças da asa no ar, verá que esse redirecionamento é causado por uma força no vento da asa que aponta para baixo e mais ou menos perpendicular ao linha de corda da asa (a linha diretamente entre a borda de ataque e a borda de fuga). Por causa da 3ª lei de Newton, isso resulta em uma força do vento na asa na direção oposta (para cima e mais ou menos perpendicular à linha da corda); esta força aerodinâmica para cima é responsável pela sustentação e arrasto induzido (arrasto causado pelos processos de levantamento do aerofólio, não deve ser confundido com o arrasto parasitário que é o arrasto causado pelas superfícies do avião; um pára-quedas se arrastando atrás do avião contribuiria para o arrasto parasitário e todos os aerofólios produzem alguma quantidade de arrasto induzido quando geram elevador).

Na parte inferior da asa, esse redirecionamento do ar pode ser explicado de forma simples. O vento relativo atinge o fundo e é forçado para longe do aerofólio pela força normal do aerofólio.

No topo da asa, o ar é redirecionado por um fenômeno conhecido como efeito Coanda, resultando em um fluxo laminar (o vento relativo segue a asa e é direcionado para baixo por ela).Descreverei por que o vento segue esse fluxo laminar com mais detalhes quando explicar o segundo grande fenômeno gerador de elevação que tem a ver com pressões (já que você precisará das informações dessa seção para entender o efeito Coanda)

Alta / Baixa pressão

Há uma pressão de ar mais alta na parte inferior da asa em relação a Patm (pressão atmosférica ) Isso ocorre porque os fluxos de ar se concentram quando seus caminhos são bloqueados e redirecionados pelo aerofólio. Maior concentração de ar leva a maior pressão.

Da mesma forma, no topo do aerofólio, os fluxos de ar são impedidos de atingir diretamente a superfície superior da asa, criando um vazio onde há uma menor concentração de partículas de ar e, portanto, pressão mais baixa. Como os fluidos fluem naturalmente de alta para baixa pressão, o ar em Patm, bem acima da asa, é “sugado” para baixo e abraça a superfície da asa. No entanto, mesmo com esse fluxo laminar (como discutimos acima), ainda existe uma zona de baixa pressão no topo da asa; o ar do fluxo laminar ainda não é suficiente para restaurar aquela região para Patm. Isso pode ser encontrado olhando um mapa de pressão de um aerofólio – você verá que há uma região de baixa pressão no topo da asa, mesmo que existe fluxo laminar. Esta seção também deveria ter respondido por que existe fluxo laminar (veja a última parte da terceira parte da lei de newton acima).

Finalmente, porque você tem uma pressão mais alta (força por unidade de área) na parte inferior da asa do que na parte superior da asa, as forças no aerofólio são desequilibradas e apontam para cima, em uma direção semelhante à força aerodinâmica líquida causada pela terceira lei de newton (detalhada acima). Isso contribui para a força aerodinâmica líquida.

Por causa da pressão mais baixa na parte superior da asa em relação à parte inferior, o fluxo de ar na parte superior da asa se move mais rápido do que na parte inferior, de acordo com Bernoulli ” equação s (basicamente em uma corrente de ar, uma diminuição na pressão resulta em um aumento na velocidade e vice-versa) – Veja a diagrama de fluxo no topo deste post. Pode ser por isso que a teoria do “tempo igual” (que o fluxo de ar no topo da asa tem mais distância para viajar, então tem que viajar mais rápido) é tão amplamente aceita. O fluxo de ar no topo viaja mais rápido, mas não porque é “uma distância maior.

Isso também explica os” vórtices nas pontas das asas “- aqueles vórtices de ar que podem ser vistos (sob certas condições) se arrastando para trás as asas de um avião. Isso ocorre porque o ar de alta pressão da parte inferior da asa gira sobre as extremidades da asa para tentar neutralizar a área de baixa pressão no topo (porque os fluidos tendem a viajar de alta para baixa pressão). aumentam a pressão na parte superior da asa (e como resultado diminuem a pressão na parte inferior) um pouco, reduzindo a diferença de pressão, no entanto, como o avião está se movendo, nem todo o ar que viaja de baixo para cima chega ao seu destino conforme o aerofólio se move fora do caminho, deixando o ar girar em um vórtice circular. Esse fluxo de ar de alta pressão reduz a sustentação (porque diminui a diferença de pressão). É por isso que os winglets foram inventados (As extensões verticais das asas na extremidade das asas) – – para bloquear algum deste f abaixe e aumente a elevação (e, portanto, a eficiência do combustível). “Efeito solo”, ou o fenômeno que aumenta a sustentação quando um avião está próximo ao solo, é devido ao solo ficar no caminho do ar tentando girar para cima e neutralizar a baixa pressão no topo da asa.

Comentários finais

Mais um fenômeno aerodinâmico que irei relacionar a esta explicação é uma “parada”. Quando um aerofólio perde uma grande quantidade de sustentação e não consegue mais neutralizar a gravidade, fazendo com que o avião caia no chão. Como piloto, pratiquei estol muitas vezes e há duas coisas perceptíveis que acontecem antes de um estol. Uma é que o avião perde consideravelmente a velocidade no ar à medida que você aumenta o ângulo de ataque. Neste caso, o que está acontecendo é que a força total na asa está sendo inclinada para trás, de modo que é principalmente arrasto induzido em vez de sustentação (até um certo ponto, aumentar o ângulo de ataque aumenta a sustentação porque aumenta a força total no aerofólio; o ângulo fica extremo, a sustentação começa a diminuir e o arrasto continua a aumentar). Finalmente, quando o avião perde a velocidade, você sente um puxão repentino do avião para baixo, como se uma corda que o segurava tivesse acabado de ser cortada.Neste caso, a asa atingiu seu ângulo de ataque crítico e o fluxo laminar no topo da asa (conforme detalhado acima) se separou (porque a pressão mais baixa no topo da asa não pode mais puxar o vento para baixo para se conformar com sua superfície como a força necessária para mudar o vetor de velocidade do vento por aquele grande ângulo não pode ser exercida por essa diferença de pressão. Uma vez que o avião estol, você deve reconectar o fluxo laminar ao fluxo de ar para “se recuperar” do estol – em um avião, você faz isso inclinando-se para baixo com o manche.

No futuro, eu adoraria expandir este post com mais explicações matemáticas sobre como calcular a sustentação de um determinado aerofólio, bem como explorar outros coisas relacionadas como coeficiente de sustentação, número de Reynolds, como calcular o ângulo de ataque crítico e assuntos relacionados. Este campo é geralmente dominado por dados empíricos e quebrar alguns deles com alguma matemática complicada é difícil, mas divertido de fazer (não menciona o caminho do futuro , especialmente porque os computadores agora podem processar esses modelos matemáticos para nós e são muito mais rápidos nisso do que os experimentos).

Fontes úteis:

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/ avião / wrong2.html

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

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

Comentários

• +1 para o gif animado, muito legal.
• Isso youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI mostra que movimento / elevação é possível sem Bernoulli.

A resposta mais simples que eu sei que ainda é precisa é que para qualquer objeto se mover pelo ar, alguns a força deve empurrar o ar na frente dele para fora do caminho (gravidade, motores, momento, etc. não matt er). Se mais ar é empurrado para baixo do que para cima (por exemplo, asas), a diferença é chamada de sustentação.

Comentários

• Tenho que admitir que ‘ uma explicação de alto nível bastante clara.
• Descreve quando há um elevador. Não diz nada sobre por que as asas , em particular, o geram.
• Estenda a lógica e você verá que não há nada de especial nas asas. Qualquer forma pode gerar sustentação se as circunstâncias forem adequadas, as formas das asas são melhores em empurrar mais ar para baixo do que para cima do que, por exemplo, um tijolo.
• @Koyovis – a velocidade do som através um meio não tem nada a ver com a elevação gerada ao empurrar o meio para fora do caminho. Exatamente a mesma física se aplica a um aerofólio através da água, como os usados nas corridas da Copa das Américas. link
• @Koyovis Não estou entendendo sua pergunta. A velocidade não tem nada a ver com isso. Uma força (f = ma) é necessária para mover o meio para fora do caminho, essa força vem da força motriz do veículo (motores, gravidade, etc.). O material movido para frente empurra para trás (arraste) e o material empurrado para baixo empurra para cima (levantar).

As asas geram sustentação, empurrando o ar para baixo. Quando criança, eu costumava colocar minha mão para fora da janela aberta do carro e incliná-la – há uma força para cima. Uma placa plana faz isso.

Então as asas da aeronave podem ser placas planas, mas infelizmente as placas planas criam muito arrasto assim que criam sustentação, pois o fluxo na extremidade superior se desprende imediatamente (espiral ondulada na imagem acima). Este efeito pode ser reduzido usando uma placa curvada em vez de uma placa plana, reduzindo o vórtice na superfície superior:

Mas o problema é que assim que a placa curvada é inclinada ainda mais, ela cria muito arrasto, da mesma forma que a placa plana reta . Uma forma de gota dágua é mais eficiente em termos de arrasto do que uma placa plana, mantendo o fluxo conectado. E o que é uma seção transversal de asa diferente de uma placa curvada com uma seção transversal de gota dágua?

Fica um pouco confuso quando olhamos para a aceleração do ar no topo e a pressão mais baixa, etc, especialmente se quisermos explicar a criação de sustentação a partir disso. Em última análise, a sustentação é criada pela aceleração do ar para baixo, e a continuidade da massa implica que o ar no lado superior deve acelerar. É mais um efeito do que uma causa.

Comentários

• A placa plana é mais eficiente em seu ângulo de ataque de design. Tornar o aerofólio mais espesso aumenta o arrasto, mas amplia o ângulo de alcance de ataque no qual funciona bem.
• @PeterK ä mpf Entendi, mudei.

Aqui está um link para o livro da web de John S. Denker sobre aerofólios. Esta é provavelmente a explicação definitiva de como as asas funcionam. John Denker tem vários sites que vale a pena conferir.

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

Resultado: para uma aeronave de 150.000 lb. o ar, ele deve transmitir 150.000 lbft de impulso ao ar por onde passa. Você pode falar sobre as diferenças de pressão do ar (etc.), mas isso é apenas o começo da explicação. Se você acha que o tempo de trânsito igual ou a curvatura da asa é o que faz as asas funcionarem, esta é uma leitura obrigatória.

Comentários

• Estava literalmente no no meio da leitura desse link quando você o postou. É uma ótima leitura, concordo :).

Uma maneira simples de entender é que a asa atua como uma lâmina em um leque. Mover-se pelo ar no ângulo correto causa a formação de vácuo no topo. A ponta frontal deve ser redonda para permitir que o ar se mova suavemente e se expanda para criar o vácuo.

Fundos planos e outras formas simplesmente maximizam esse efeito, mas não são necessários. É por isso que é possível voar de cabeça para baixo, desde que a asa esteja atingindo o ar no ângulo certo. (Não em um ângulo reto.)

Comentários

• diminuir a pressão, sim, mas sugerindo que um ” vacuum ” formulários está totalmente errado.
• @Federico Bem, não um vácuo real. Acho que deveria dizer um vácuo relativo.
• A ponta frontal não ‘ realmente precisa ser redonda para gerar sustentação. O link do BillOer ‘ explica por quê. Se fosse assim, aviões de papel, pipas e alguns tipos de planadores não ‘ voariam.
• @DanHulme I didn ‘ Não diga que é um ingrediente de sustentação, mas sim que é necessário evitar o fluxo de ar errático.

Atualização : veja os próprios experimentos no fluxo de giro na parte inferior desta postagem

Sou um jornalista científico independente, fiz muitas pesquisas sobre mitos e falsas explicações sobre o elevador e esta explicação é o resultado:

O problema. Como sabemos, o princípio da geração de sustentação em geral e o efeito Magnus são erroneamente entendidos e explicados como falsos em muitas fontes. O alto fluxo velocidade em torno de uma protuberância do aerofólio (ou uma esfera / cilindro giratório no caso do efeito Magnus) e a baixa pressão relacionada (efeito Bernoulli) não é a causa de a sustentação como frequentemente afirmada, mas está apenas ajudando na geração de sustentação porque é uma aceleração do ar. No entanto, ainda é um fator importante no mecanismo de sustentação porque faz parte da força de sustentação (Força = Massa x Aceleração ). Esta aceleração extra devido ao aumento da velocidade do fluxo pode ser adicionada à aceleração normal que está envolvida com a força que faz com que o fluxo gire.

A causa real . Também geralmente aceito é que a causa real do aumento é o ar que é virado para baixo pelo ângulo ou formato do aerofólio e essa força causa uma força na direção oposta, conforme explicado, entre outros, pela NASA. No entanto, o mecanismo ainda não está claro para muitas pessoas. Tento dar um pouco mais de visão com alguns experimentos de auto-desenvolvimento muito fáceis e exemplos que são fáceis de entender. (veja também esta demonstração em vídeo ). Sabemos que para girar um fluxo é necessária uma força, portanto, quanto maior a deflexão, maior a força. Uma curva é na verdade uma aceleração. Durante a curva, deve haver uma força igual na direção oposta (terceira lei de Newton). Esta é a sustentação real no aerofólio. É claro que um certo raio de giro do fluxo (ação) resulta em um raio igual da força oposta (reação). É importante entender que a reação do aerofólio ao fluxo de ar acelerado é causada pela interação da superfície do aerofólio com a camada limite.

Centro de Pressão. A chave para criar ação = reação no aerofólio é a viscosidade do ar, pois sem o ar aderindo menos ou mais ao aerofólio, a interação necessária não aconteceria. as forças atuam em todos os pontos do aerofólio, mas o centro de pressão (CP) ocorre onde a deflexão média é a maior, então também há o maior ponto de ação = reação. Este é o ponto onde a força de sustentação age no aerofólio. Podemos verificar isso facilmente com os flaps implantados.Os flaps causam uma maior deflexão do ar na borda de fuga, assim o centro de pressão se move mais para a borda de fuga do que sem flaps.

O Real Força de sustentação. Conforme o ar é desviado para baixo, o ar exerce uma força na direção oposta, o que significa que ele aumenta a pressão na parte inferior da asa, resultando em um vetor maior na direção ascendente. Mas agora, no lado superior da asa, temos um vetor menor conforme a pressão é reduzida, porque aqui está uma dedução da pressão causada pela força na direção para cima. O resultado é uma força líquida para cima. Esta redução da pressão vertical é a força real de elevação.

Resumindo: Temos uma pressão tangencial relativamente baixa redução (atuando na direção do fluxo) que é a parte Bernoulli e é a parte aceleradora da força de sustentação. E temos uma enorme redução de pressão vertical que é a parte newtoniana da força de sustentação que realmente faz o aerofólio se mover para cima e que determina onde o centro de pressão do aerofólio está localizado e onde a força de sustentação resultante atua. A maior parte da pressão que vemos em uma figura de isóbar de um aerofólio é vertical e apenas uma pequena parte é tangencial. Isso corresponde a medições anteriores por aerodinamicistas de que a redução da pressão na direção do fluxo (Bernoulli) não corresponde à elevação real gerada. Para entender a relação entre a redução da pressão na direção do fluxo e a redução da pressão na direção vertical, perceba que a deflexão de um fluxo para criar elevação é sempre acompanhada por um gradiente de pressão , então se o fluxo aumentar a velocidade no topo do aerofólio e diminuir a pressão (princípio de Bernoulli) e, em seguida, for girado para baixo para criar uma força ascendente, o fluxo é desacelerado e a pressão aumenta. Esse aumento de pressão no lado superior do aerofólio é insignificante em comparação com a diminuição da pressão no lado superior causada pelo ar que é acelerado para baixo, portanto, o aerofólio se move para cima e temos sustentação.

Mais um exemplo. Imagine uma asa plana voando em ângulo zero de ataque com na borda de fuga um flap apontado para baixo. Imagine apenas o fluxo de ar na parte superior desta asa. Não há aceleração e redução de pressão relacionada do fluxo, pois o fluxo não ultrapassa nenhum obstáculo. Ele apenas encontra um gradiente de pressão adverso quando se move sobre a aba para baixo porque há uma diminuição na velocidade do fluxo, portanto, um aumento na pressão do fluxo (Bernoulli). Mas, como o fluxo é desviado para baixo, uma força na direção oposta age ao mesmo tempo e, portanto, na parte superior lado há uma pressão muito, muito mais importante diminuição (porque a força na direção para cima trabalha contra a pressão ambiente proveniente de acima). Essa diminuição na pressão causada pela ação “vertical” é a real força de elevação.

Atualização : Próprias experiências no fluxo Turning. Em 26 de setembro de 2018, durante o fluxo pessoal Ao virar experimentos de teste com dispositivos de asa voadora de papelão desenvolvidos por mim mesmo, encontrei fortes evidências para uma teoria que há muito suspeitava. Isso envolve a importância da distância do giro do fluxo em relação à inclinação do giro. Explicado resumidamente: a distância de giro parece mais importante do que o ângulo de giro. Ao lançar a asa, e ao estimar a localização do centro de pressão, o lado com a curva mais longa sempre venceu o lado com a curva mais acentuada, independentemente da orientação da asa.

Os resultados do teste:

– Curva íngreme curta apontando para baixo na frente, longa curva menos íngreme na parte de trás apontando para cima. > Resultado: impulso positivo, o nariz sobe. Este é o efeito da curva na parte de trás como uma curva predominante apontando para baixo na frente faria gerar um momento de nariz para baixo, pois isso seria um ângulo de ataque negativo.

– Curva muito menos íngreme apontando para cima na frente, curva curta e íngreme na parte traseira apontando para baixo . > Resultado: momentum positivo, o nariz sobe. Este é o efeito da curva longa e menos acentuada na frente, pois este é um ângulo de ataque positivo.

Os resultados de minhas descobertas correspondem ao fato de que o fluxo girando na borda de ataque de um aerofólio é acualmente o maior, embora não esteja criando o maior impulso.O giro para a borda de fuga após o ponto de curvatura máxima, entretanto, é mais longo, ele vence, então cria o momentum CP. Parece lógico, entretanto, que em uma batalha entre duas curvas do mesmo comprimento, a curva com o ângulo mais íngreme vence.

Um de meus dispositivos desenvolvidos por mim mesmo para fazer experimentos com sustentação, giro de fluxo e centro de pressão: The FWSCLm Demonstrator (Flying Wing Stability & movimento CL) . A caneta na frente pode ser movida para dentro e para fora para regular o centro de gravidade. As abas nas costas são usadas para aumentar ou diminuir a curvatura do perfil da asa a fim de regular o centro de sustentação. visão lateral

Comentários

• Realmente ouço você sobre os votos negativos sem comentários, mas se você insistir nisso, muito a aprender sobre isso local. Sua asa realmente parece lentos, levantadores altos encontrados na Airfoil Tools na rede. Eu também descobri que asas finas sob curvadas tornam os planadores balsa deliciosamente lentos (velocidade de caminhada). Você pode descobrir que asas mais finas são melhores para a penetração do vento (menos arrasto). Comparações de asas de águia e albatroz podem fornecer bons insights sobre o design de asas.
• Obrigado por seus comentários sobre a asa. O perfil de alta sustentação da asa grossa foi projetado para testes específicos em curvas de fluxo para ver um efeito fortalecido em voos curtos. Como você disse, mais fino é melhor para menos arrasto. Eu também tenho uma versão de placa plana curva desta asa com curva flexível. Aqui você o vê em ação. Na verdade, o vídeo mostra a correção automática do tom: vimeo.com/…
• Recomendar também estudando velas, principalmente a vela de bujarrona. ” Aceleração ” de ar na parte superior da asa é um absurdo. Nem o ar é um ” fluido “, é um gás compressível. O giro do fluxo de fato está relacionado à baixa pressão no topo da asa. O grande Coanda percebeu que o fluxo de ar desviado cria uma baixa local que a asa (para cima) e a corrente de ar (para baixo) tentam preencher.
• No entanto, não podemos esquecer ” viscoso ” efeito de mover o ar (ou água) puxando o ar circundante para o riacho. Um aspirador de pia simples cria um vácuo forte. A força de sustentação também é criada pelo impacto da corrente de ar em uma superfície angular (parte inferior da asa). Existe mais de uma fonte de elevação. Eu continuo tentando entender qual é o mais EFICIENTE. Pode ser a sustentação sobre o topo do aerofólio, já que cobrir a parte inferior da asa parece fazer meus planadores irem mais rápido e mais longe.
• E, finalmente, os efeitos de aríete (pressão mais alta) sob a asa presente em asas com a curvatura inferior (observe ” tampadas ” pontas das asas do U2) e pára-quedas. Acredito que seja muito arrastado e ineficiente, mas pode resultar em velocidades de vôo muito lentas!

Como uma pequena bola gera força centrípeta quando se move em uma superfície curva? O motivo é a gravidade. Quando a bola pequena tem uma velocidade ao longo da seta vermelha, a bola pequena tende a sair ao longo da direção normal da superfície, então a força da bola pequena na superfície curva será reduzida, assim, a força centrípeta da pequena bola se movendo ao longo da superfície será obtida.

Nós transformamos as pequenas bolas na superfície em ar. Quando o ar não se move, suponha que a força do ar na superfície curva é F, e quando o ar tem uma velocidade ao longo da direção da seta vermelha, a força do ar na superfície curva é f, porque o ar tem uma tendência de sair ao longo da direção normal da superfície curva, então F> f. Portanto, o ar tem uma força centrípeta movendo-se ao longo de uma superfície curva, o que faz com que o ar se mova ao longo de uma superfície curva.

A força exercida pelo ar na superfície curva é a pressão do ar. Uma diminuição na pressão do ar é uma diminuição na força exercida pelo ar em uma superfície curva.

A superfície curva aqui é semelhante à asa.

Comentários

• Não ‘ não concordo com esta resposta. A menção da gravidade apenas torna as coisas difíceis, pois as pessoas podem pensar que a gravidade está envolvida na criação da sustentação. Uma imagem melhor teria a bola viajando em linha reta e colidindo com a superfície curva. Isso evita a necessidade de gravidade e torna a analogia com um aerofólio melhor. Além disso, se não houver curvatura, a pressão também diminui, o que não ‘ não mostra a sua explicação.
• @ROIMaison Observe que, para o ar, eu ‘ estou falando sobre a tendência normal do movimento, que leva a uma diminuição da pressão.
• @ ROIMaison aviation.stackexchange.com/a/70283/42162

A sustentação é uma força gerada em uma asa devido à diferença de pressão . Então, basicamente, se você for capaz de atingir diferentes pressões acima e abaixo de uma asa, você teria sustentação. Agora, pela lei de Newton básica, esta força seria direcionada da região de alta pressão para a região de baixa pressão ( Porque a região de alta pressão vai empurrar a superfície exercendo mais força sobre ela em comparação com a região de baixa pressão que empurraria a superfície com uma força relativamente menor).

Agora, o importante é criar essa diferença de pressão. Isso é conseguido explorando uma propriedade interessante do fluido: um fluido de fluxo rápido tem pressão mais baixa em comparação a um fluido de movimento lento. Essa propriedade pode ser comprovada por vários meios matemáticos e está perfeitamente incorporada no Princípio de Bernoulli “s . Portanto, Princípio de Bernoulli” s é um matemático expressão de uma propriedade inerente de um fluido.

Agora, para obter sustentação, a diferença de pressão necessária pode ser criada por ter um fluxo ao redor do aerofólio de forma que as velocidades do fluido abaixo e acima do aerofólio são diferentes. Isso é conseguido alterando a forma da asa (Camber) de tal forma que ela se torna assimétrica. A assimetria causa velocidades diferentes na parte superior e inferior do aerofólio devido ao seguinte motivo:

Quando um fluido atinge o Limite de ataque do aerofólio, alguma parte do fluido é deslocada para cima, enquanto parte do ele é deslocado para baixo. Devido à assimetria do aerofólio, o fluido que se moveu para cima tem menos área de seção transversal para se mover em comparação com o fluido que passou sob o aerofólio. Essa diferença de área disponível para o movimento do fluido cria a diferença nas velocidades do fluido em diferentes regiões. Esta propriedade do fluido de se mover mais rápido em áreas de seção transversal menor e mover-se lentamente em áreas de seção transversal maior pode ser derivada de forma matemática pela aplicação de conservação de massa e é chamada de Princípio de Continuidade .

Portanto, as velocidades do fluido alteradas criam um gradiente de pressão que, por sua vez, causa uma força na asa, que é chamada de sustentação. Agora, essa sustentação pode ser em qualquer direção (o que pode ser descoberto integrando forças muito pequenas em áreas muito pequenas na superfície da asa). O componente desta força perpendicular à direção da velocidade da aeronave é chamado de lift force, onde como o outro componente paralelo ao a velocidade do avião é então incluída na drag força.

EDIT

Para uma representação muito precisa das equações que governam o comportamento dos fluidos, pode-se argumentar que o Princípio de Bernoulli está incorreto. caso a equação de Navier Stoke “é válida, mas para fins de compreensão, qualquer invariante de tempo (estável), em compressível, inviscid fluxo pode ser considerado obediente à Equação de Bernoulli.

Além disso, para um fluido real, ele não obedeceria à Equação de Bernoulli na maioria das vezes, mas ao comportamento geral da redução da pressão com o aumento da velocidade do fluxo ainda é observada, embora a queda de pressão exata não possa ser calculada através da Equação de Bernoulli. Nesses casos, a equação de Navier Stoke é usada para calcular corretamente a queda de pressão criada devido ao aumento da velocidade do fluxo.

EDIT 2

Para asas simétricas, a asa não gerará qualquer sustentação se o fluxo vir a asa simetricamente, de modo que significa inerentemente que uma asa simétrica com ângulo de ataque 0 não produzir qualquer elevador. Para obter sustentação de uma asa simétrica, ela é colocada em algum ângulo em relação ao fluxo, de modo que o fluxo veja “é” assimetricamente “e, portanto, a explicação acima pode ser usada para explicar a vida gerada neste caso.

EDITAR 3

Explicação para aviões voando de cabeça para baixo: para um avião normal voar , um ângulo de ataque positivo é necessário. Dê a este plano uma rotação do eixo de velocidade de 180 graus, você obtém um plano com ângulo de ataque -ve e, portanto, uma elevação negativa.Mas um avião não pode sustentar o vôo com sustentação negativa, então o que os aviões voando de cabeça para baixo precisam fazer é aumentar o ângulo de ataque -ve para positivo, puxando o nariz para cima (isso seria empurrar o nariz em direção ao céu de cabeça para baixo plano abaixo). Isso faz com que o ângulo de ataque mude e se torne + ve. O ângulo de ataque + ve significa que a asa agora experimentará uma vida tal que um plano de cabeça para baixo tenha elevação na direção para cima (isto é equivalente a um plano normal com ângulo de ataque cinco e, portanto, elevação negativa).

Comentários

• Isso não ‘ não explica por que uma asa sem curvatura ou uma com uma seção transversal simétrica topo-base, ou uma com uma superfície inferior mais longa do que a superfície superior, pode gerar sustentação.
• @DanHulme +1 ou como aviões com curvatura podem voar de cabeça para baixo.
• @Jan Hudec, você deve entender a diferença entre Bernoulli ‘ s Princípio e a equação. O teorema afirma: ” Na dinâmica dos fluidos, o princípio de Bernoulli ‘ afirma que, para um fluxo invíscido de um fluido não condutor, um aumento no a velocidade do fluido ocorre simultaneamente com uma diminuição na pressão ou uma diminuição na energia potencial do fluido ‘ s. ” onde como a equação, por outro lado, tentou obter resultados quantitativos do princípio de bernoulli ‘, mas não conseguiu por causa do fato de que prevê resultados errados
• ESTA RESPOSTA ESTÁ ERRADA . A equação de Bernoulli ‘ se mantém com precisão suficiente ao redor da asa. Mas a equação de Bernoulli ‘ s precisa da velocidade para derivar a pressão e a explicação de por que há uma velocidade maior acima da asa está incorreta. A área acima e abaixo da asa não é delimitada, então o ar tem bastante liberdade para escolher a ‘ distribuição de velocidade. Também não corresponde à realidade, porque a área aumenta acima da asa da frente para trás e diminui abaixo da asa de maneira semelhante, mas as distribuições de velocidade não ‘ t seguem um perfil semelhante.
• A resposta está incorreta apenas se você ignorar os efeitos da camada limite

Um plano voa por vários mecanismos. O primeiro é o efeito Bernoulli causado pela curvatura da asa que gera um diferencial de pressão empurrando a asa para cima conforme ela se move para a frente no ar. Observe que os pássaros têm asas curvadas. No entanto, é possível ter um avião com asas completamente planas e nenhuma curvatura, então é um erro pensar que esta é a única fonte de sustentação (como algumas das respostas acima fizeram).

O ângulo na raiz da asa também é importante. Se colocar a mão em ângulo para fora da janela do carro, você a sentirá forçada para cima. Este mesmo efeito é obtido em uma aeronave inclinando as asas ligeiramente para cima em relação ao plano da fuselagem.

Finalmente, você deve estar ciente de que a razão de um avião permanecer no ar não tem nada a ver com a elevação, mas com a área de superfície que apresenta ao solo. A força primária que mantém um avião erguido é a resistência do ar, que é uma função dessa área de superfície. A força dessa resistência do ar é muito maior do que a força gerada pelos dois efeitos anteriores. Por exemplo, um dos principais critérios de projeto de um avião é se ele tem uma fuselagem quadrada ou redonda / oval. Uma fuselagem quadrada apresentará mais área de superfície ao solo, tendo assim maior eficiência em se manter no alto. Por esse motivo, quase todas as primeiras aeronaves tinham fuselagens quadradas. No entanto, uma fuselagem redonda será mais eficiente se movendo para a frente do que uma quadrada, portanto, em um avião construído para a velocidade, redondo é melhor. Uma aeronave com fuselagem redonda vai mais rápido, mas é menos eficiente em termos de combustível do que uma com fuselagem quadrada.

O mesmo argumento vale para a área da asa. Quanto maior a asa, maior a resistência do ar. Por esse motivo, os planadores têm asas relativamente grandes em comparação com aeronaves motorizadas. A desvantagem de uma asa grande é a mesma de uma fuselagem quadrada: o avião vai mais devagar.

Então, recapitulando, há três fatores que mantêm uma aeronave no ar: resistência vertical do ar devido ao direcionamento para baixo área de superfície, o ângulo das asas na raiz da asa e o efeito Bernoulli associado à curvatura nas asas.

Comentários

• Parágrafo 3 faz minha cabeça doer … não que o resto seja muito melhor. Com o intuito de apontar coisas específicas que podem ser tratadas, tente o seguinte: para um quadrado e um círculo da mesma área, o círculo terá um diâmetro maior que o quadrado ‘ s do lado, portanto uma fuselagem circular do mesmo volume interno apresentará mais, não menos, superfície projetada no solo, por todo o bem (pouco a zero) que isso fará ao seu avião.