سواء كنت تدرس تحليق الطيور التي تضرب أجنحتها لترتفع إلى السماء أو تصاعد الغاز من مدخنة إلى الداخل في الغلاف الجوي ، يمكنك دراسة كيف ترفع الأجسام نفسها ضد قوة الجاذبية للتعرف بشكل أفضل على هذه الأساليب "طيران."
بالنسبة لمعدات الطائرات والطائرات بدون طيار التي تحلق في الهواء ، تعتمد الرحلة أيضًا على التغلب على الجاذبية كمحاسبة لقوة الهواء ضد هذه الأشياء منذ أن اخترع الأخوان رايت مطار. يمكن أن يخبرك حساب قوة الرفع عن مقدار القوة اللازمة لإرسال هذه الأجسام المحمولة جواً.
معادلة قوة الرفع
يجب أن تتعامل الأجسام التي تطير في الهواء مع قوة الهواء التي تمارس ضد نفسها. عندما يتحرك الجسم للأمام عبر الهواء ، فإن قوة السحب هي جزء من القوة التي تعمل بالتوازي مع تدفق الحركة. على النقيض من ذلك ، فإن الرفع هو جزء القوة المتعامد مع تدفق الهواء أو غاز أو سائل آخر ضد الجسم.
تستخدم الطائرات من صنع الإنسان مثل الصواريخ أو الطائرات معادلة قوة الرفع لـ
L = \ frac {C_L \ rho v ^ 2 A} {2}
لقوة الرفعإلمعامل الرفعجإل، كثافة المادة حول الجسمρ("rho") ، السرعةالخامسومنطقة الجناحأ. يلخص معامل الرفع تأثيرات القوى المختلفة على الجسم المحمول جواً بما في ذلك اللزوجة و انضغاطية الهواء وزاوية الجسم فيما يتعلق بالتدفق مما يجعل المعادلة لحساب قوة الرفع اكثر بساطة.
عادة ما يقرر العلماء والمهندسونجإلتجريبيًا عن طريق قياس قيم قوة الرفع ومقارنتها بسرعة الجسم ومساحة جناحيها وكثافة المادة السائلة أو الغازية التي ينغمس فيها الجسم. عمل رسم بياني للارتفاع مقابل. كمية (ρ2 أ) / 2سيمنحك خطًا أو مجموعة من نقاط البيانات التي يمكن ضربها فيجإللتحديد قوة الرفع في معادلة قوة الرفع.
يمكن أن تحدد الأساليب الحسابية الأكثر تقدمًا قيمًا أكثر دقة لمعامل الرفع. هناك طرق نظرية لتحديد معامل الرفع. لفهم هذا الجزء من معادلة قوة الرفع ، يمكنك إلقاء نظرة على اشتقاق صيغة قوة الرفع و كيف يتم حساب معامل قوة الرفع نتيجة هذه القوى المحمولة جواً على جسم يتعرض للرفع.
اشتقاق معادلة الرفع
لحساب عدد لا يحصى من القوى التي تؤثر على جسم يطير في الهواء ، يمكنك تحديد معامل الرفعجإل مثل
C_L = \ فارك {L} {qS}
لقوة الرفعإل، مساحة السطحسوالضغط الديناميكي للسوائلف، يقاس عادةً بالباسكال. يمكنك تحويل الضغط الديناميكي للسائل إلى صيغته
q = \ frac {\ rho u ^ 2} {2}
لتأخذ، لتمتلك
C_L = \ frac {2L} {\ rho u ^ 2 S}
بحيثρهي كثافة السوائل وشهي سرعة التدفق. من هذه المعادلة ، يمكنك إعادة ترتيبها لاشتقاق معادلة قوة الرفع.
يعتمد ضغط السائل الديناميكي هذا ومساحة السطح الملامسة للهواء أو السائل أيضًا بشكل كبير على هندسة الجسم المحمول جواً. بالنسبة لجسم يمكن تقريبه كأسطوانة مثل الطائرة ، يجب أن تمتد القوة إلى الخارج من جسم الجسم. مساحة السطح ، إذن ، ستكون محيط الجسم الأسطواني مضروبًا في ارتفاع أو طول الجسم ، مما يمنحكS = ج س ح.
يمكنك أيضًا تفسير مساحة السطح على أنها منتج للسمك ، وكمية من المساحة مقسومة على الطول ،ر، بحيث عندما تضرب السُمك في ارتفاع الجسم أو طوله ، تحصل على مساحة السطح. في هذه الحالةS = t x h.
تتيح لك النسبة بين هذه المتغيرات الخاصة بمساحة السطح رسم بياني أو قياس مدى اختلافها عن الدراسة بشكل تجريبي تأثير إما القوة حول محيط الأسطوانة أو القوة التي تعتمد على سمك مواد. توجد طرق أخرى لقياس ودراسة الأجسام المحمولة جواً باستخدام معامل الرفع.
استخدامات أخرى لمعامل الرفع
هناك العديد من الطرق الأخرى لتقريب معامل منحنى الرفع. نظرًا لأن معامل الرفع يحتاج إلى العديد من العوامل المختلفة التي تؤثر على رحلة الطائرة ، يمكنك أيضًا استخدامه لقياس الزاوية التي قد تتخذها الطائرة بالنسبة إلى الأرض. تُعرف هذه الزاوية بزاوية الهجوم (AOA) ممثلة بـα("alpha") ، ويمكنك إعادة كتابة معامل الرفع
C_L = C_ {LO} + C_ {L \ alpha} \ alpha
مع هذا المقياسجإلالتي لها تبعية إضافية بسبب AOA α ، يمكنك إعادة كتابة المعادلة كـ
\ alpha = \ frac {C_L + C_ {LO}} {C_ {L \ alpha}}
وبعد التحديد التجريبي لقوة الرفع لمنطقة AOA واحدة محددة ، يمكنك حساب معامل الرفع العام Cإل. بعد ذلك ، يمكنك محاولة قياس AOAs المختلفة لتحديد قيمجL0وCLα سيكون مناسبا.تفترض هذه المعادلة أن معامل الرفع يتغير خطيًا مع AOA لذلك قد تكون هناك بعض الظروف التي قد تكون فيها معادلة المعامل الأكثر دقة مناسبة بشكل أفضل.
لفهم AOA بشكل أفضل حول قوة الرفع ومعامل الرفع ، درس المهندسون كيف يغير AOA الطريقة التي تطير بها الطائرة. إذا قمت برسم معاملات الرفع مقابل AOA ، فيمكنك حساب القيمة الموجبة للمنحدر ، والتي تُعرف بمنحدر منحنى الرفع ثنائي الأبعاد. ومع ذلك ، فقد أظهرت الأبحاث أنه بعد بعض قيمة AOA ، فإنجإل انخفاض القيمة.
يُعرف الحد الأقصى لـ AOA هذا بنقطة التوقف ، مع سرعة توقف وأقصى مناظرينجإلالقيمة. أظهرت الأبحاث حول سمك وانحناء مادة الطائرة طرقًا لحساب هذه القيم عندما تعرف هندسة ومواد الجسم المحمول جواً.
المعادلة وحساب معامل الرفع
لدى وكالة ناسا تطبيق صغير عبر الإنترنت لإظهار كيفية تأثير معادلة الرفع على رحلة الطائرة. يعتمد هذا على حاسبة معامل الرفع ، ويمكنك استخدامه لتعيين قيم مختلفة للسرعة ، الزاوية التي يحملها الهواء يأخذها الكائن فيما يتعلق بالأرض ومساحة السطح التي تحتوي عليها الكائنات مقابل المواد المحيطة بالطائرة. يتيح لك التطبيق الصغير استخدام الطائرات التاريخية لإظهار كيف تطورت التصاميم الهندسية منذ القرن العشرين.
لا تأخذ المحاكاة في الحسبان التغيير في وزن الجسم المحمول جواً بسبب التغيرات في منطقة الجناح. لتحديد تأثير ذلك ، يمكنك إجراء قياسات لقيم مختلفة للسطح سيكون للمناطق تأثير على قوة الرفع وحساب التغيير في قوة الرفع مثل هذه المساحات السطحية موجه. يمكنك أيضًا حساب قوة الجاذبية التي يمكن أن تمتلكها الكتل المختلفة باستخدام W = mg للوزن بسبب الجاذبية W والكتلة m وثابت تسارع الجاذبية g (9.8 m / s2).
يمكنك أيضًا استخدام "المسبار" الذي يمكنك توجيهه حول الأجسام المحمولة جواً لإظهار السرعة في نقاط مختلفة على طول المحاكاة. تقتصر المحاكاة أيضًا على تقريب الطائرة باستخدام لوحة مسطحة كعملية حسابية سريعة قذرة. يمكنك استخدام هذا لتقريب الحلول لمعادلة قوة الرفع.