Фізіка палёту - агляд

Анатацыя. Звычайнай або стандартнага тлумачэння аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы дзяржаў вышэй струменевай хуткасці на верхняй баку крыла, як прычына нізкага ціску, з-за па законе Бярнулі. Але вышэй хуткасць струменевага ўплыў нізкага ціску і не выклікаць яго. Прычынай аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы з'яўляецца паскарэнне сыходнага паветра профілю - якая залежыць ад вугла атакі і яе хуткасці.

У дачыненні профілю нармальнага паскарэння паветра ў выпадку выгнутых току павінна разглядацца ў выніку чаго градыенты ціску перпендыкулярна току і рэакцыі сілы, якія дзейнічаюць перпендыкулярна на адхіляюцца паверхняў.

1. Увядзенне

Тлумачэнне аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы мае доўгую гісторыю, але, ёсць супярэчнасці адносна фундаментальнай фізікі і іх сувязь з у механіцы Ньютана да цяперашняга часу [1,2,3,4]. Гэтае пытанне можа быць адным з самых цікавых і матывацыі ў фізіцы адукацыі. Але фізіка палёту амаль зніклі з вучэбнай праграмы ў школах і асноўных курсаў фізікі ў большасці еўрапейскіх краін. Адна з прычын, чаму гэтая тэма не ўлічваецца настаўнікамі, нягледзячы на ??цікавасць студэнтаў можа быць той факт, што звычайныя тлумачэньні аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы не дастаткова пераканаўчымі і не звязаныя з фундаментальнай механікі.

Niermann [5] аналізуюцца ўсе нямецкія падручнікі мове апублікаваныя на працягу апошніх ста гадоў расследавання тлумачэння аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы. Асноўным вынікам з'яўляецца тое, што тлумачэнні, заснаваныя на законе Бярнулі з'яўляюцца дамінуючымі з 1920 года. Ён выявіў, што гэта апынецца справядлівым для абследавання сучасных амерыканскіх і ангельскіх падручнікаў. Вядомыя excemption з'яўляецца падручнікам Холлидей і Рэзнік [6].

2. Аналіз тлумачэнні, заснаваныя на па законе Бярнулі

Тлумачэнне аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы ў падручніках заснаваны на законе Бярнулі і размеркаванне хуткасці струменевага паветра, які праходзіць профілю.

Па-першае закон Бярнулі гаворыцца. Ён кажа, што існуе зваротная сувязь паміж хуткасцю патоку і статычнага ціску: Калі хуткасць патоку павялічваецца статычнае ціск падае, і наадварот.

Малюнак 1: Паток паветра ARROUND профілю.

Па-другое, току паветра, які праходзіць профілю дэманструюцца і аналізуюцца. Малюнак 1. Ён падкрэсліў, што паветра ў верхняй частцы цячэ хутчэй, чым паветра на ніжняй баку. Нарэшце закон Бярнулі з'яўляецца ужытыя на розных хуткасцях патоку на верхняй і ніжняй баку крыла прыводзіць да зніжэння ціску на верхняй паверхні і больш высокі ціск на ніжняй паверхні. Гэтыя перапады ціску вырабляюць сілу крыла - ліфт.

Гэта тлумачэнне, аднак, не з'яўляецца поўным. Калі для розных хуткасьцяў патоку прычынай розных цісках фізічнай прычынай таго, што паветраныя патокі хутчэй на верхняй баку даецца занадта. Тры выгляду прычын можа быць знойдзена.
Малюнак 1: Паток паветра вакол крыла.

я Аналіз прабегаў: Спасылаючыся на малюнку 1 сцвярджаецца [6] 'профілю крыла такая, што паветра яшчэ больш падарожнічаць па верхняй паверхні і, такім чынам, мае цечу хутчэй, каб захаваць обцяканьне.

У вядомыя нямецкія падручнікі універсітэце ён чытае [7] :

"Калі паветра цячэ злева ад профілю або профілю рухаецца ў паветры пры паўзы злева паветра будуць падзеленыя. Так як даўжыня шляху ўздоўж верхняй частцы профілю перавышае даўжыню шляху ўздоўж ніжняй боку хуткасць паветра ў верхняй часткі павінна перавышаць хуткасць на ніжняй баку.

Гэтыя развагі заснаваныя на маўклівае здагадка: Паветра, які знаходзіцца побач да падзелу профілю павінен сустрэцца па-за профілю.

У 1972 годзе Сміт [1] адзначыў, што не існуе закона або правілы ў фізіцы патрабуюць сумежных паветра да падзелу для задавальнення ззаду крыла зноў пасля падзелу. Сумежныя паветра да падзелу сапраўды не адказвае за профілю. 2 прыведзены эксперыментальныя доказы паветра струменевага ўздоўж профілю. Дым трасіруючымі знака току.

На малюнку паказана на пярэднім краі сумежных паветра да падзелу. На малюнку паказана на спадзе, што паветра, які праходзіў уздоўж верхняй паверхні ездзіў яшчэ далей стварэння зрух паміж верхняй і ніжняй паветра. Гэта не ўхваляе аргументы, заснаваныя на адрозненні ў даўжыні шляху.

Малюнак 2: Спрашчэнне вакол профілю

II Выкарыстаньне канцэпцыі звароту: У гэтым тыпе мыслення размеркавання хуткасцяў тлумачыцца выкарыстаннем канцэпцыі звароту. Яна пачынаецца з апісання патэнцыйнага обцяканьне профілю. Далей, цыркуляцыю накладваецца такім чынам, што стацыянарнае обцяканьне крыла атрымліваецца. Зварот павінна быць такім, каб струмень нават на спадзе. Па гэтай працэдуры паток паветра дасягаецца якія могуць быць выкарыстаны для разліку размеркавання хуткасцяў і, такім чынам, размеркаванне ціску.

Канцэпцыя звароту складаныя матэматычныя АПІСАННЕ размеркаванне хуткасцяў, але не прычынай апошняга.

III Некаторыя падручнікі даюць прычынах, як [9] :

"З-за формы крыла паветранага падарожжа хутчэй па выгнутай верхняй паверхні, чым гэта робіць больш плоскай ніжняй паверхні"

Гэты тып мыслення робіць геаметрыю профілю адказнасць за паводзіны току, не даючы фізічную прычыну, чаму і як струменевае хуткасцяў залежаць ад профілю.

Гэта пакідае адкрытым асноўнае пытанне: Як стварыць размеркаванне хуткасці вакол профілю.

3. Агульны выгляд - Аэрадынамічная пад'ёмная сіла, як сіла рэакцыі ў той час як паветра паскараецца ўніз

Для прастаты прычынах мы спачатку абмяркуем пад'ёмнай сілы ротара верталёта або руху сілу шрубы або бруі. У абодвух выпадках паток паветра ствараецца і паветра паскараецца. Для паскарэння паветра сілы павінна быць excerted на паветры і рэактыўная сіла дзейнічае на ротар і прапелер. Колькасна гэтая сіла роўная змяненню імпульсу паветранага струменя: .

У прынцыпе, тое ж адносіцца да фізыкі профілю. Профіля дзейнічае як злёгку выгнутыя плоскасці перасоўвацца гарызантальна з малым вуглом атакі. Гэта паскарае паветра першапачаткова ў спакоі ўніз.

Гэта вертыкальнае паскарэнне паветра можа быць прадэманстравана з дапамогай простай эксперымент: кавалак ваты або тканіны артыкул свабодна падвешаныя для абазначэння руху паветра. У адпаведнасці з мал 3а, профілю перамяшчаецца гарызантальна пад ваты. Гэта ваганне ўніз паказвае на рух ўніз ў паветры. 3, б. Калі профілю перамяшчаецца вышэй ваты жа сыходнай рух можна назіраць. Акрамя таго, гэты эксперымент можа быць выкарыстаны, каб прадэманстраваць якасна ўплыў вугла атакі і хуткасці на рух уніз і, такім чынам, на пад'ёмную сілу.

Пры аглядзе самалёта профілю адхіляе гарызантальны паток паветра ўніз. Гэта вертыкальнае рух называецца скос і можа быць прадэманстравана, як добра. Нітку з воўны павінны быць прылепленыя да задняй абзе крыла. Калі становішча ў патоку паветра ад вентылятара ці вентылятарам кірунак патоку варта кірунку задняй абзы, які паказвае напрамак паветранага патоку ззаду крыла. Калі кут нападу змяняецца кірунак патоку Варыс таксама. Гэта паказвае, што кірунак патоку паветра паблізу крыла могуць маніпуляваць становішча крыла сябе. Профіля можа быць выраблена кардону склейваецца.

Малюнак 3: вата, як індыкатар паветранага руху.

Некаторыя важныя суадносін лёгка выводзяцца з вертыкальнага патоку імпульсу выкліканых профілю.

Падніміце і кута атакі: паток паветра паблізу профілю варта геаметрычнай формы апошняга паверхні. Паветраны паток адхіляецца ўніз прыкладна прапарцыйная куце атакі. Такім чынам ліфт прыблізна прапарцыйная куце атакі таксама. Гэта справядліва для кутоў атакі паміж -10 ° і 15 °. З перавышае вугла атакі паветранага струменя перастае прытрымлівацца паверхні аднастайна стварэння турбулентнасці. У авіяцыі гэты працэс называецца "зрыў".

Варта адзначыць, што задні край моцна выгнуты профіль - выкарыстоўваецца для самалётаў з малымі хуткасцямі - уніз. Нават калі кут нападу нулявой паветра за профілю мае вертыкальнай складнікам хуткасці. Такім чынам airofoil вырабляе ліфт.

Хуткасці і пад'ёмнай сілы: геаметрыя струменевага паток застаецца такім жа, калі хуткасць у два разы. Два фактару двайны:

• Маса паветра адхіляецца ўніз за адзінку часу.
• Вертыкальнай складнікам хуткасці струменевага.

Спалучэнне эфектаў ліфт павялічыцца ў чатыры разы, калі струменевай хуткасці ў два разы.

Падніміце і шчыльнасці паветра: рэакцыя сілы прапарцыйныя паскоранай масы і, такім чынам, прапарцыйна шчыльнасці паветра. На вышыні 12,000 м шчыльнасці і ціску паветра прыкладна чвэрць сваіх стандартаў на ўзроўні мора. Такім чынам ліфт зводзіцца да квартале. Гэтыя страты могуць быць кампенсаваныя шляхам падваеньня хуткасці.

4. Аднамернага ўраўненні Эйлера-і генерацыя ціску

Каб зразумець паходжанне размеркавання ціску па паверхні крыла ў дэталі, мы павінны ставіцца да раўнаннях Эйлера. Тыя, якія апісваюць сувязь паміж градыенты ціску і паскарэнне несжимаемой вадкасці без трэння. Эйлера прымяняюцца законы Ньютана да руху вадкасці. Мы маем на ўвазе самы просты выгляд - аднамерныя ўраўненні Эйлера - які мае месца для стацыянарнага плыні абмежаванай току. [10,11] Гравітацыйныя эфекты выключаюцца. Мы мяркуем, кубічныя аб'ёмы. Малюнак 4. Для масы т D абмежаваная ў аб'ёме асноўнага ўраўненні з'яўляецца:

F = Δma

Мы аналізуем асобна тангенцыйнай паскарэнне, малюнак 4, і нармальнага паскарэння, малюнак 5.

Малюнак 4: Тангенцыйная паскарэнне аб'ём ўнутры патоку лініі крывыя.

4,1 тангенцыйнай паскарэнне ў S-напрамак з'яўляецца вынікам сілу. Сілу ў S-напрамку адбываецца, калі ціск, дзеючае на асобы на спіне вышэй, чым ціск у пярэдняй: Варта падкрэсліць, што паскарэнне ў S-кірунак звязана з памяншэннем ціску ў S-напрамку.

Устаўка масы і мы атрымліваем

Гэтае раўнанне пераўтворыцца ў

Рашэнне вызначанага інтэграла мы прыходзім да раўнанню Бярнулі:

4,2 N Нармальныя паскарэння. Гл. малюнак 5

Нармальны паскарэнне ў выгнутых току патрэбы больш высокага ціску на знешняй бакавы баку, чым на ўнутранай бакавой грані.

Па словах, на малюнку 5:

Устаўка маса аб'ёму

мы прыходзім

Паскарэнне ў напрамку цэнтра крывізны добра вядомая. Гэта Цэнтраімклівае паскарэнне кругавымі рухамі.

(R = радыус крывізны, V = струменевай хуткасці)

Нарэшце, мы атрымліваем

Выгнутыя току ў струмені, звязаныя з градыентамі ціску. На жаль, гэта раўнанне не можа быць інтэграваная непасрэдна. Інтэграцыя патрабуе веды агульнага поля плыні.

Тым не менш, аналіз нармальнае паскарэнне паветра служыць тлумачэннем пакалення рэгіёны з больш нізкім або высокім ціскам для обцяканьне профілю.

Мы спасылаемся на стацыянарныя плыні каля профілю. Струменевага паветра, які праходзіць профілю не можа пранікнуць на паверхню і вымушаны перайсці на лініях току, якія атачаюць профілю і сачыць за яго геаметрычную форму. Побач з крыла струменем вымушаны набліжаных геаметрыі апошняга. Гэта звязана з эфектам Коанда. [12] руху паблізу профілю з'яўляецца змушанае рух вызначаецца формай профілю і апошняй пазіцыі па стаўленні да кірунку струменя (кут атакі).

На верхняй паверхні крыла паскарэнне накіравана да цэнтра крывізны, г.зн. у асноўным ўніз. Неабходна градыенту ціску ствараецца невялікае "выдалення" з паветра з паверхні зніжэння ціску і стварэння градыенту ціску ў вертыкальным напрамку. Такім чынам градыент ціску усталёўваецца якая гарантуе, што паток паўтарае форму паверхні. Гутаркова можна сказаць, што градыент ціску яе створаныя цэнтрабежная сіла паветранага патоку вакол паверхні. Ад крывізны ліній току градыенты ціску і, такім чынам, размеркаванне ціску на паверхні профілю могуць быць атрыманы.

На верхняй паверхні ціск будзе вонкі павінны расці. Так як у нас нармальнае ціск у большай адлегласці мы нізкі ціск на паверхню.

Акрамя таго следствам нізкага ціску на верхняй паверхні станоўчай тангенцыйнага паскарэння паступае паветра. Праблема, як растлумачыць хутчэй рух паветра на верхняй паверхні ў цяперашні час вырашана. Гэта больш нізкім ціску, што робіць паветраны паток паскарэння і хутчэй.

5. Нататкі аб паходжанні звычайных тлумачэння

Малюнак 6: Адхіленне паветранага струменя, нават плоскасці і выгнутай плоскасці.

Больш за сто гадоў таму Ота Лилиенталь [13] патлумачыў пад'ёмнай сілы правільна і выразна. Ён параўнаў выгнутыя плоскасці з плоскай паверхні. Ён спаслаўся на малюнку 6 і піша "паветра, які праходзіць самалётаў паскараецца ўніз ў абодвух выпадках. Паветра ніжэй, каб спусціцца ўніз і паветра, які праходзіць у верхняй частцы мае для запаўнення прасторы вышэй. Адхіленне паветранага струменя ўніз адбываецца скокам пры пярэднім краі нават плоскасці. Гэта прыводзіць да турбулентнасці і віхур. Інакш ідзе справу з выгнутыя плоскасці. Паветранага патоку, які праходзіць пярэдняга краю будуць адхіляцца паступова ад яго гарызантальным кірунку і прывялі ўніз. Паток выгады гарызантальнай складнікам хуткасці без якіх-небудзь раптоўнага ўдару. Ясна, што толькі выгнутыя плоскасці - пры ўмове яе напрамкі на пярэдні край паралелі арыгінальнае напрамак патоку - будзе адцягваць паток паветра ўніз з меншай турбулентнасці у кірунку, якое вызначаецца датычнай на задняй абзе плоскасці. Вертыкальны імпульс патоку паветра робіць уверх сіла, дзейсная на крыло ".

Тлумачэнне, заснаванае на сувязі паміж аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы і паскарэння сыходзяць паток паветра пераважае ў падручніках ў гэтай простай форме да 1920 года, не маючы сваё далейшае развіццё. Прыкладна да 1920 годзе, калі авіяцыя атрымала вялікую цікавасць у галіне навукі і грамадскасці, тлумачэнне, заснаванае на законе Бярнулі з'явіліся і перамешчаных тлумачэнне, заснаванае на сілы рэакцыі.

У любым выпадку гэта было неабходна, каб тлумачэнне ўздыму з выкарыстаннем закона Бярнулі былі быць дапоўнены, даючы падстава для вышэйшых струменевай хуткасці верхняй паверхні крыла.

Такім чынам, паходжанне развагі даўжыня шляху можа быць знойдзены ў дыяграме задаецца Прандтля ў 1922 годзе [14] Малюнак 7.

Пункцірныя лініі злучаюць паветра аб'ёмы першапачаткова сумежнымі. З гэтай дыяграмы Прандтля спрабаваў паказаць, што паветра на ўнутраныя пласты прыліпаюць да паверхні. У адносінах да якой-то момант гэтая схема не з'яўляецца правільным. Гэта азначае, што аб'ёмы застануцца на тым жа вертыкальным становішчы, і гэта азначае, што першапачаткова сумежных паветра збярэцца зноў у канцы крыла. Гэтая дыяграма Міс фазы паказана на малюнку 2, які, падобна, не назіралася Прандтля ў той час.

Дыяграмы гэтага тыпу, магчыма, увёў у зман навучэнцам нараўне з гіпотэзай, што суседнія паветра сустрэцца зноў пасля праходжання профілю.

6. Патоку і сістэмы віхур

Што датычыцца агульнага патоку струменевага вакол крыла мы павінны дадаць дэталі. Калі профілю стварае нізкі ціск на яе верхняй часткі і высокага ціску на яго ніжняй баку гэтай прычыны бакавых рухаў верціцца на канцах крыла. Ніжэй крылом паветра рухаецца вонкі і над крылом паветра рухаецца ўнутр. Акрамя канцах крыла руху паветра нават ўверх. Такім чынам, сістэма віхур ствараецца малюнак 10.

Малюнак 8: Сістэма vorcities за профілю

Віхур ззаду крыла накіраваныя па гадзіннікавай стрэлцы з аднаго боку, і супраць гадзіннікавай стрэлкі ў іншы бок. Сістэмы віхур мае выдатную стабільнасць і рухаецца ўніз ў цэлым.

7. Рэзюмэ

Звычайныя тлумачэння пад'ёмнай сілы на аснове's закону Бярнулі і хуткасць адрозненні змешвае прычыну і следства. Чым хутчэй патоку на верхняй баку крыла з'яўляецца следствам нізкага ціску, а не яго прычынай.

Пакаленне ліфт профілю можа быць растлумачана правільна і проста з паскарэннем ўніз паветра пад увагу. Такі падыход дазваляе атрымаць залежнасць зняць з кута атакі, хуткасці плыні і шчыльнасці паветра ў streightforward і паслядоўным чынам.

Падрабязнае тлумачэнне пакалення перапады ціску магчыма, калі нармальнае паскарэнне струменевага паветра бярэцца пад увагу.

8. Літаратура

[1] Сміт, Н. Ф.: Бярнулі і Ньютана і Fluidmechanics, у: настаўнік фізікі, 1972, 10, С. 451-455

[2] Флетчар, Нік Хайдфельд: механіка палёту, у: фізікі адукацыі, 1975, С. 385-389

[3] Weltner, К.: параўнанне тлумачэння аэрадынамічнай пад'ёмнай сілы, у: Амерыканскі фізічны часопіс, 1987, Vol. 55, № 1, стр. 50-54

[4] Бауман, Р.; Schwaneberg, Р.: Інтэрпрэтацыя Бярнулі раўнанне, настаўнік фізікі, тым. 32, лістапад 1994 г., стар 478 - 488

[5] Niermann, К.: Darstellung Aerodynamik дэр ў Schulphysikbuchern, Alsbach / Bergstra?e, 1989

[6] Холлидей-Рэзнік: фізікі, Нью-Ёрк, 1976

[7] Мэнсфилд, М.; О'Салливан, С.: разуменне фізікі, Чичестер / Нью-Ёрк 1998

[8] Бергман / Шэфер: "Падручнік дэр Experimentalphysik" Band 1, Mechanik, Akustik, цёплай, 10. Auflage, Берлін 1990

[9] Cutnell, Джонсан: "Фізіка", Нью-Ёрк, Чичестер, 1998

[10] Tuckenbrodt, E.; Шлихтинга, Х.: "Aerodynamik дэ Flugzeuges", Grundlagen як дэр Stromungsmechanik Aerodynamik дэ Tragflugels (Teil I), Берлін / Heidelberg / Нью-Ёрк, 1967

[11] Weltner, К.: Аэрадынамічная пад'ёмная сіла, У: настаўнік фізікі, Нью-Ёрк, 1990, № 2, Vol. 28, стр. 78-82

[12] Weltner, К.: няправільнае тлумачэнне закона Бярнулі, які быў прадстаўлены Еўрапейскі часопіс па фізіцы.

[13] Лилиенталь, В.: "Der Vogelflug ALS Grundlage дэр Fliegekunst Ein Beitrag Zur Systematik дэр Flugtechnik.", Берлін, 1889.

[14] Прандтля, Л.: Прымяненне сучаснай гідрадынамікі у аэранаўтыцы, у: NACA Даклад, 1921, 116, стр. 161-182