Ať už studujete let ptáků, kteří bili křídly, aby vystoupali na oblohu, nebo vzestup plynu z komína atmosféru, můžete studovat, jak se objekty zvedají proti gravitační síle, aby se lépe dozvěděly o těchto metodách "let."
U vybavení letadel a dronů, které stoupají vzduchem, závisí let také na překonání gravitace jako počítání síly vzduchu proti těmto objektům od doby, kdy bratři Wrightové vynalezli letoun. Výpočet zdvihací síly vám může říci, kolik síly je potřeba k vyslání těchto předmětů vzduchem.
Rovnice síly zdvihu
Objekty letící vzduchem se musí vypořádat se silou vzduchu vyvíjenou proti sobě. Když se objekt pohybuje vzduchem dopředu, tažná síla je část síly, která působí rovnoběžně s pohybem pohybu. Výtah je naopak část síly, která je kolmá na proudění vzduchu nebo jiného plynu nebo tekutiny proti předmětu.
Umělá letadla, jako jsou rakety nebo letadla, používají rovnici síly zdvihu z
L = \ frac {C_L \ rho v ^ 2 A} {2}
pro zvedací síluL, koeficient zdvihuCL, hustota materiálu kolem objektu
ρ("rho"), rychlostprotia křídloA. Koeficient výtahu shrnuje účinky různých sil na vzdušný předmět, včetně viskozity a stlačitelnost vzduchu a úhel těla vzhledem k proudění činí rovnici pro výpočet zdvihu mnohem větší jednodušší.Vědci a inženýři obvykle určujíCLexperimentálně měřením hodnot vztlakové síly a jejich porovnáním s rychlostí objektu, plochou rozpětí křídel a hustotou kapalného nebo plynného materiálu, do kterého je předmět ponořen. Vytvoření grafu výtahu vs. množství (ρ v2 A) / 2by vám dal řádek nebo sadu datových bodů, které lze vynásobitCLk určení síly zdvihu v rovnici síly zdvihu.
Pokročilejší výpočetní metody mohou určit přesnější hodnoty koeficientu výtahu. Existují teoretické způsoby stanovení koeficientu výtahu. Abychom porozuměli této části rovnice síly zdvihu, můžete se podívat na odvození vzorce síly zdvihu a jak se vypočítá koeficient síly zdvihu jako výsledek těchto vzdušných sil na objekt zažívající zdvih.
Odvození rovnice výtahu
Chcete-li zohlednit nesčetné množství sil, které ovlivňují objekt letící vzduchem, můžete definovat koeficient zdvihuCL tak jako
C_L = \ frac {L} {qS}
pro zvedací síluL, povrchová plochaSa dynamický tlak kapalinyq, obvykle měřeno v pascalech. Dynamický tlak kapaliny můžete převést na jeho vzorec
q = \ frac {\ rho u ^ 2} {2}
dostat
C_L = \ frac {2L} {\ rho u ^ 2 S}
ve kterémρje hustota kapaliny auje rychlost toku. Z této rovnice ji můžete přeskupit a odvodit rovnici síly zdvihu.
Tento dynamický tlak kapaliny a povrchová plocha ve styku se vzduchem nebo kapalinou také silně závisí na geometrii vzdušného předmětu. U předmětu, který lze přiblížit jako válec, jako je letadlo, by síla měla překlenout směrem ven od těla objektu. Plocha povrchu by tedy byla obvodem válcového těla krát výška nebo délka objektu, což vám dáváS = C x h.
Můžete také interpretovat povrchovou plochu jako produkt tloušťky, množství plochy dělené délkou,t, takže když vynásobíte tloušťku krát výšku nebo délku objektu, dostanete povrch. V tomto případěS = t x h.
Poměr mezi těmito proměnnými povrchové plochy vám umožňuje grafovat nebo experimentálně měřit, jak se liší při studiu účinek buď síly po obvodu válce, nebo síly, která závisí na tloušťce válce materiál. Existují i jiné metody měření a studia vzdušných objektů pomocí koeficientu výtahu.
Další použití koeficientu zdvihu
Existuje mnoho dalších způsobů aproximace koeficientu křivky výtahu. Protože koeficient zdvihu musí zahrnovat mnoho různých faktorů ovlivňujících let letadla, můžete jej také použít k měření úhlu, který by letadlo mohlo mít vzhledem k zemi. Tento úhel je znám jako úhel náběhu (AOA), který představujeα(„alfa“) a můžete přepsat koeficient výtahu
C_L = C_ {LO} + C_ {L \ alpha} \ alfa
S tímto měřítkemCLkterý má další závislost kvůli AOA α, můžete rovnici přepsat jako
\ alpha = \ frac {C_L + C_ {LO}} {C_ {L \ alpha}}
a po experimentálním stanovení vztlakové síly pro jednu konkrétní AOA můžete vypočítat obecný součinitel vztlaku CL. Poté můžete zkusit měřit různé AOA a určit, jaké hodnoty jsouCL0aCLα by se nejlépe hodilo.Tato rovnice předpokládá, že koeficient výtahu se lineárně mění s AOA, takže mohou nastat některé okolnosti, za kterých může přesnější rovnice koeficientu lépe vyhovovat.
Abychom lépe porozuměli AOA na vztlakové síle a koeficientu vztlaku, inženýři studovali, jak AOA mění způsob letu letadla. Pokud zakreslíte koeficienty výtahu proti AOA, můžete vypočítat kladnou hodnotu sklonu, která se označuje jako dvourozměrný sklon křivky výtahu. Výzkum však ukázal, že po určité hodnotě AOA jeCL hodnota klesá.
Tato maximální AOA je známá jako bod zablokování, s odpovídající rychlostí zablokování a maximemCLhodnota. Výzkum tloušťky a zakřivení leteckého materiálu ukázal způsoby výpočtu těchto hodnot, pokud znáte geometrii a materiál vzdušného objektu.
Kalkulačka rovnice a koeficientu zdvihu
NASA má online applet, který ukazuje, jak výtahová rovnice ovlivňuje let letadel. Toto je založeno na kalkulačce koeficientu výtahu a můžete ji použít k nastavení různých hodnot rychlosti, úhlu, který je ve vzduchu objekt bere s ohledem na zem a povrchovou plochu, kterou mají objekty proti materiálu obklopujícímu letadlo. Applet vám dokonce umožňuje pomocí historických letadel ukázat, jak se od 20. let 20. století vyvíjely konstrukční návrhy.
Simulace nezohledňuje změnu hmotnosti vzdušného objektu v důsledku změn v oblasti křídla. Chcete-li zjistit, jaký účinek by to mělo, můžete provést měření různých hodnot povrchu oblasti by měly na sílu zdvihu a vypočítat změnu síly zdvihu, kterou by tyto povrchové plochy měly způsobit. Můžete také vypočítat gravitační sílu, kterou by různé hmotnosti měly, pomocí W = mg pro hmotnost v důsledku gravitace W, hmotnosti m a gravitační konstanty zrychlení g (9,8 m / s2).
Můžete také použít „sondu“, kterou můžete nasměrovat kolem vzdušných objektů a ukázat rychlost v různých bodech simulace. Simulace je také omezena na to, že letadlo je aproximováno pomocí ploché desky jako rychlý, špinavý výpočet. Tímto způsobem můžete aproximovat řešení rovnice síly zdvihu.