Sådan beregnes løftekraft

Uanset om du studerer fuglenes flyvning, der slår deres vinger for at stige op til himlen eller stigningen af ​​gas fra en skorsten ind i atmosfæren, kan du studere, hvordan objekter løfter sig mod tyngdekraften for bedre at lære om disse metoder til "flyvningen."

For flyudstyr og droner, der svæver gennem luften, afhænger flyvning også af at overvinde tyngdekraften som regnskab for luftstyrken mod disse objekter lige siden Wright-brødrene opfandt fly. Beregning af løftekraften kan fortælle dig, hvor meget kraft der er behov for for at sende disse genstande i luften.

Objekter, der flyver gennem luften, skal håndtere den luftkraft, der udøves mod sig selv. Når objektet bevæger sig fremad gennem luften, er trækstyrken den del af kraften, der virker parallelt med bevægelsesstrømmen. Lift er derimod den del af kraften, der er vinkelret på luftstrømmen eller en anden gas eller væske mod objektet.

Menneskeskabte fly såsom raketter eller fly bruger liftkraftligningen af

til løftekraftL, løft koefficientC_L, densitet af materialet omkring objektetρ("rho"), hastighedvog fløjområdeEN. Løftekoefficienten opsummerer virkningerne af forskellige kræfter på den luftbårne genstand inklusive viskositet og kompressibilitet af luft og kroppens vinkel i forhold til flowet, hvilket gør ligningen til beregning af lift meget mere enkel.

Forskere og ingeniører bestemmer typiskC_Leksperimentelt ved at måle løftekraftens værdier og sammenligne dem med objektets hastighed, arealet af vingefang og densiteten af ​​det væske- eller gasmateriale, objektet er nedsænket i. Lav en graf over lift vs. mængden af ​​(ρ v² A) / 2giver dig en linje eller et sæt datapunkter, der kan ganges medC_Lfor at bestemme løftekraften i løftekraftligningen.

Mere avancerede beregningsmetoder kan bestemme mere præcise værdier for liftkoefficienten. Der er dog teoretiske måder at bestemme liftkoefficienten på. For at forstå denne del af løftkraftligningen kan du se på afledningen af ​​formlen for løftekraft og hvordan løftekraftkoefficienten beregnes som et resultat af disse luftbårne kræfter på et objekt, der oplever løft.

For at redegøre for utallige kræfter, der påvirker en genstand, der flyver gennem luften, kan du definere løftekoefficientenC​_L som

til løftekraftL, overfladearealSog væskedynamisk trykq, normalt målt i pascal. Du kan konvertere det væskedynamiske tryk til dets formel

​at få​

hvoriρer væsketætheden oguer flowhastigheden. Fra denne ligning kan du omarrangere det for at udlede ligningskraftens ligning.​

Dette dynamiske væsketryk og overfladeareal i kontakt med luften eller væsken afhænger begge stærkt af geometrien af ​​den luftbårne genstand. For en genstand, der kan tilnærmes som en cylinder, såsom et fly, skal kraften spænde udad fra objektets krop. Overfladearealet ville således være omkredsen af ​​det cylindriske legeme gange genstandens højde eller længde, hvilket giver digS = C x h​.

Du kan også fortolke overfladearealet som et produkt af tykkelse, en mængde areal divideret med længde,t, sådan at når du multiplicerer tykkelsen gange genstandens højde eller længde, får du overfladeareal. I dette tilfældeS = t x h​.

Forholdet mellem disse variabler af overfladeareal lader dig tegne eller eksperimentelt måle, hvordan de adskiller sig for at studere virkningen af ​​enten kraften omkring cylinderens omkreds eller den kraft, der afhænger af tykkelsen på materiale. Andre metoder til måling og undersøgelse af luftbårne genstande ved hjælp af løftekoefficienten findes.

Der er mange andre måder at tilnærme løftkurvekoefficienten på. Da liftkoefficienten skal omfatte mange forskellige faktorer, der påvirker flyets flyvning, kan du også bruge den til at måle den vinkel, et plan kan tage i forhold til jorden. Denne vinkel er kendt som angrebsvinkel (AOA), repræsenteret afα("alfa"), og du kan omskrive liftkoefficienten

Med dette mål forC_Lder har en yderligere afhængighed på grund af AOA α, kan du omskrive ligningen som

og efter eksperimentelt at bestemme løftekraften for en enkelt specifik AOA, kan du beregne den generelle løftekoefficient C_L. Derefter kan du prøve at måle forskellige AOA'er for at bestemme, hvilke værdier afC_L0ogCL​_​α​ passer bedst.Denne ligning antager, at liftkoefficienten ændres lineært med AOA, så der kan være nogle omstændigheder, hvor en mere nøjagtig koefficientligning kan passe bedre.

For bedre at forstå AOA om løftekraft og løftekoefficient har ingeniører undersøgt, hvordan AOA ændrer den måde, et fly flyver på. Hvis du tegner diagram for løftekoefficienter mod AOA, kan du beregne den positive værdi af hældningen, som er kendt som den todimensionale hældningskurvehældning. Forskning har imidlertid vist, at efter en vis værdi af AOA, harC​_​L​ værdi falder.

Denne maksimale AOA er kendt som stoppunktet med en tilsvarende stophastighed og maksimumC_Lværdi. Forskning i tykkelse og krumning af flymateriale har vist måder at beregne disse værdier på, når man kender geometrien og materialet i det luftbårne objekt.

NASA har en online applet til at vise, hvordan liftligningen påvirker flyets flyvning. Dette er baseret på en løftekoefficientberegner, og du kan bruge den til at indstille forskellige hastighedsværdier, vinkel som den luftbårne objekt tager i forhold til jorden og overfladearealet, som objekterne har, mod materialet omkring flyet. Applet lader dig endda bruge historiske fly til at vise, hvordan konstruerede designs har udviklet sig siden 1900'erne.

Simuleringen tager ikke højde for ændringen i vægt af det luftbårne objekt på grund af ændringer i vingeområdet. For at bestemme hvilken effekt det ville have, kan du tage målinger af forskellige overfladeværdier områder ville have på løftkraften og beregne en ændring i løftekraft, som disse overfladearealer ville have årsag. Du kan også beregne tyngdekraften, som forskellige masser ville have ved hjælp af W = mg for vægt på grund af tyngdekraften W, masse m og tyngdeaccelerationskonstanten g (9,8 m / s²).

Du kan også bruge en "sonde", som du kan dirigere rundt om de luftbårne genstande for at vise hastigheden på forskellige punkter langs simuleringen. Simuleringen er også begrænset, at flyet tilnærmes ved hjælp af en flad plade som hurtig, snavset beregning. Du kan bruge dette til at tilnærme løsninger til løftkraftligningen.