So berechnen Sie die Hubkraft

Egal, ob Sie den Flug von Vögeln untersuchen, die mit ihren Flügeln in den Himmel steigen, oder das Aufsteigen von Gas aus einem Schornstein in die der Atmosphäre, können Sie untersuchen, wie sich Objekte gegen die Schwerkraft erheben, um diese Methoden besser kennenzulernen "Flug."

Auch bei Flugzeugausrüstung und Drohnen, die durch die Luft fliegen, hängt der Flug von der Überwindung der Schwerkraft ab als Erklärung für die Luftkraft gegen diese Objekte seit der Erfindung der Gebrüder Wright Flugzeug. Die Berechnung der Auftriebskraft kann Ihnen sagen, wie viel Kraft erforderlich ist, um diese Objekte in die Luft zu schicken.

Durch die Luft fliegende Objekte müssen mit der gegen sich selbst ausgeübten Luftkraft fertig werden. Wenn sich das Objekt durch die Luft vorwärts bewegt, ist die Widerstandskraft der Teil der Kraft, der parallel zum Bewegungsfluss wirkt. Im Gegensatz dazu ist der Auftrieb der Teil der Kraft, der senkrecht zur Strömung von Luft oder einem anderen Gas oder Fluid gegen das Objekt steht.

Von Menschenhand geschaffene Flugzeuge wie Raketen oder Flugzeuge verwenden die Auftriebskraftgleichung von

für HubkraftL, AuftriebsbeiwertC_L, Dichte des Materials um das Objektρ("rho"), Geschwindigkeitvund FlügelbereichEIN. Der Auftriebsbeiwert fasst die Wirkung verschiedener Kräfte auf das schwebende Objekt zusammen, einschließlich der Viskosität und Kompressibilität der Luft und der Winkel des Körpers in Bezug auf die Strömung machen die Gleichung zur Berechnung des Auftriebs viel einfacher.

Wissenschaftler und Ingenieure bestimmen typischerweiseC_Lexperimentell, indem Werte der Auftriebskraft gemessen und mit der Geschwindigkeit des Objekts, der Flügelspannweite und der Dichte des flüssigen oder gasförmigen Materials verglichen werden, in das das Objekt eingetaucht ist. Erstellen eines Diagramms von Auftrieb vs. die Menge von (v² A)/2würde Ihnen eine Linie oder einen Satz von Datenpunkten geben, die mit dem multipliziert werden könnenC_Lum die Auftriebskraft in der Auftriebskraftgleichung zu bestimmen.

Fortgeschrittenere Berechnungsmethoden können genauere Werte des Auftriebskoeffizienten bestimmen. Es gibt jedoch theoretische Möglichkeiten, den Auftriebsbeiwert zu bestimmen. Um diesen Teil der Auftriebskraftgleichung zu verstehen, können Sie sich die Ableitung der Auftriebskraftformel ansehen und wie der Auftriebskraftkoeffizient als Ergebnis dieser Luftkräfte auf ein Objekt, das Auftrieb erfährt, berechnet wird.

Um den unzähligen Kräften Rechnung zu tragen, die auf ein durch die Luft fliegendes Objekt einwirken, können Sie den Auftriebsbeiwert definierenC​_L wie

für HubkraftL, OberflächeSund fluiddynamischer Druckq, normalerweise in Pascal gemessen. Sie können den dynamischen Flüssigkeitsdruck in seine Formel umrechnen

​zu bekommen​

in welchemρist die Flüssigkeitsdichte undduist die Fließgeschwindigkeit. Aus dieser Gleichung können Sie sie neu anordnen, um die Auftriebskraftgleichung abzuleiten.​

Dieser dynamische Fluiddruck und der Oberflächenbereich in Kontakt mit der Luft oder dem Fluid hängen beide ebenfalls stark von der Geometrie des schwebenden Objekts ab. Für ein Objekt, das als Zylinder angenähert werden kann, wie beispielsweise ein Flugzeug, sollte sich die Kraft vom Körper des Objekts nach außen erstrecken. Die Oberfläche wäre dann der Umfang des zylindrischen Körpers mal die Höhe oder Länge des ObjektsS = C x h​.

Sie können die Oberfläche auch als Produkt der Dicke interpretieren, einer Größe der Fläche geteilt durch die Länge,t, sodass Sie, wenn Sie die Dicke mit der Höhe oder Länge des Objekts multiplizieren, die Oberfläche erhalten. In diesem FallS = t x h​.

Mit dem Verhältnis zwischen diesen Variablen der Oberfläche können Sie grafisch darstellen oder experimentell messen, wie sie sich unterscheiden, um die Wirkung entweder der Kraft um den Umfang des Zylinders oder der Kraft, die von der Dicke des Material. Es gibt andere Methoden zur Messung und Untersuchung von Luftfahrzeugen unter Verwendung des Auftriebskoeffizienten.

Es gibt viele andere Möglichkeiten, den Auftriebskurvenkoeffizienten zu approximieren. Da der Auftriebskoeffizient viele verschiedene Faktoren umfassen muss, die den Flug eines Flugzeugs beeinflussen, können Sie ihn auch verwenden, um den Winkel zu messen, den ein Flugzeug in Bezug auf den Boden einnehmen könnte. Dieser Winkel ist als Anstellwinkel (AOA) bekannt, dargestellt durchα("alpha"), und Sie können den Auftriebsbeiwert umschreiben

Mit diesem Maß vonC_Ldie eine zusätzliche Abhängigkeit aufgrund von AOA α hat, können Sie die Gleichung umschreiben als

und nach experimenteller Bestimmung der Auftriebskraft für eine einzelne spezifische AOA können Sie den allgemeinen Auftriebsbeiwert C. berechnen_L. Dann können Sie versuchen, verschiedene AOAs zu messen, um zu bestimmen, welche Werte vonC_L0undCL​_​α​ würde am besten passen.Diese Gleichung geht davon aus, dass sich der Auftriebskoeffizient linear mit der AOA ändert, daher kann es einige Umstände geben, in denen eine genauere Koeffizientengleichung besser passt.

Um die AOA in Bezug auf Auftriebskraft und Auftriebskoeffizienten besser zu verstehen, haben Ingenieure untersucht, wie die AOA die Flugweise eines Flugzeugs verändert. Wenn Sie Auftriebskoeffizienten gegen AOA grafisch darstellen, können Sie den positiven Wert der Steigung berechnen, der als zweidimensionale Auftriebskurvensteigung bekannt ist. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass nach einem gewissen Wert von AOA dieC​_​L​ Wert sinkt.

Diese maximale AOA wird als Stalling Point bezeichnet, mit einer entsprechenden Stalling-Geschwindigkeit und einem MaximumC_LWert. Untersuchungen zur Dicke und Krümmung von Flugzeugmaterial haben Möglichkeiten aufgezeigt, diese Werte zu berechnen, wenn man die Geometrie und das Material des fliegenden Objekts kennt.

Die NASA hat ein Online-Applet, um zu zeigen, wie sich die Auftriebsgleichung auf den Flug von Flugzeugen auswirkt. Dies basiert auf einem Auftriebskoeffizienten-Rechner, mit dem Sie verschiedene Werte für Geschwindigkeit und Winkel einstellen können Objekt in Bezug auf den Boden und die Oberfläche, die die Objekte gegenüber dem das Flugzeug umgebenden Material haben, einnimmt. Mit dem Applet können Sie sogar historische Flugzeuge verwenden, um zu zeigen, wie sich technische Konstruktionen seit den 1900er Jahren entwickelt haben.

Die Simulation berücksichtigt nicht die Gewichtsänderung des fliegenden Objekts aufgrund von Änderungen im Flügelbereich. Um zu bestimmen, welche Auswirkung das haben würde, können Sie verschiedene Werte der Oberfläche messen Flächen auf die Auftriebskraft haben und eine Änderung der Auftriebskraft berechnen, die diese Flächen hätten Ursache. Sie können auch die Gravitationskraft berechnen, die verschiedene Massen haben würden, indem Sie W = mg für das Gewicht aufgrund der Schwerkraft W, die Masse m und die Erdbeschleunigungskonstante g (9,8 m/s .) verwenden²).

Sie können auch eine "Sonde" verwenden, die Sie um die fliegenden Objekte herumführen können, um die Geschwindigkeit an verschiedenen Punkten entlang der Simulation anzuzeigen. Die Simulation ist auch dadurch eingeschränkt, dass das Flugzeug mit einer flachen Platte als schnelle, schmutzige Berechnung angenähert wird. Sie können dies verwenden, um Lösungen für die Auftriebskraftgleichung anzunähern.