Πώς να υπολογίσετε τη δύναμη ανύψωσης

Είτε μελετάτε την πτήση των πουλιών που χτυπούν τα φτερά τους για να ανέβουν στον ουρανό ή την άνοδο του αερίου από μια καμινάδα την ατμόσφαιρα, μπορείτε να μελετήσετε πώς τα αντικείμενα ανυψώνονται ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας για να μάθετε καλύτερα για αυτές τις μεθόδους "πτήση."

Για εξοπλισμό αεροσκαφών και αεροσκάφη που ανεβαίνουν στον αέρα, η πτήση εξαρτάται επίσης από την υπέρβαση της βαρύτητας ως λογιστική για τη δύναμη του αέρα εναντίον αυτών των αντικειμένων από τότε που οι αδελφοί Ράιτ εφευρέθηκαν αεροπλάνο. Ο υπολογισμός της ανυψωτικής δύναμης μπορεί να σας πει πόση δύναμη χρειάζεται για να στείλετε αυτά τα αντικείμενα αερομεταφερόμενα.

Τα αντικείμενα που πετούν μέσω του αέρα πρέπει να αντιμετωπίζουν τη δύναμη του αέρα που ασκείται εναντίον τους. Όταν το αντικείμενο κινείται προς τα εμπρός μέσω του αέρα, η δύναμη έλξης είναι το μέρος της δύναμης που δρα παράλληλα με τη ροή της κίνησης. Η ανύψωση, αντιθέτως, είναι το μέρος της δύναμης που είναι κάθετη στη ροή αέρα ή άλλου αερίου ή ρευστού ενάντια στο αντικείμενο.

Τα τεχνητά αεροσκάφη όπως πυραύλους ή αεροπλάνα χρησιμοποιούν την εξίσωση δύναμης ανύψωσης του

για ανυψωτική δύναμημεγάλο, συντελεστής ανύψωσηςντο_μεγάλο, πυκνότητα του υλικού γύρω από το αντικείμενορ("rho"), ταχύτηταβκαι περιοχή πτέρυγαςΕΝΑ. Ο συντελεστής ανύψωσης συνοψίζει τα αποτελέσματα διαφόρων δυνάμεων στο αερομεταφερόμενο αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένου του ιξώδους και συμπιεσιμότητα του αέρα και της γωνίας του σώματος σε σχέση με τη ροή που κάνει την εξίσωση για τον υπολογισμό της ανύψωσης πολύ πιο απλό.

Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί συνήθως καθορίζουνντο_μεγάλοπειραματικά μετρώντας τις τιμές της δύναμης ανύψωσης και συγκρίνοντάς τις με την ταχύτητα του αντικειμένου, την περιοχή του ανοίγματος πτερυγίων και την πυκνότητα του υλικού υγρού ή αερίου στο οποίο βυθίζεται το αντικείμενο. Δημιουργία γραφήματος ανύψωσης εναντίον η ποσότητα (ρ v² Α2θα σας δώσει μια γραμμή ή ένα σύνολο σημείων δεδομένων που μπορούν να πολλαπλασιαστούν με τοντο_μεγάλογια τον προσδιορισμό της δύναμης ανύψωσης στην εξίσωση δύναμης ανύψωσης.

Οι πιο προηγμένες υπολογιστικές μέθοδοι μπορούν να καθορίσουν ακριβέστερες τιμές του συντελεστή ανύψωσης. Υπάρχουν όμως θεωρητικοί τρόποι προσδιορισμού του συντελεστή ανύψωσης. Για να κατανοήσετε αυτό το μέρος της εξίσωσης δύναμης ανύψωσης, μπορείτε να δείτε την προέλευση του τύπου δύναμης ανύψωσης και πώς υπολογίζεται ο συντελεστής δύναμης ανύψωσης ως αποτέλεσμα αυτών των αερομεταφερόμενων δυνάμεων σε ένα αντικείμενο που αντιμετωπίζει ανύψωση.

Για να λάβετε υπόψη τις μυριάδες δυνάμεις που επηρεάζουν ένα αντικείμενο που πετά στον αέρα, μπορείτε να ορίσετε τον συντελεστή ανύψωσηςντο​_μεγάλο όπως και

για ανυψωτική δύναμημεγάλο, επιφάνειαμικρόκαι δυναμική πίεση ρευστούε, συνήθως μετριέται σε pascals. Μπορείτε να μετατρέψετε τη δυναμική πίεση υγρού στη φόρμουλά του

​να πάρω​

στο οποίορείναι η πυκνότητα υγρού καιεσύείναι η ταχύτητα ροής. Από αυτήν την εξίσωση, μπορείτε να την αναδιατάξετε για να αντλήσετε την εξίσωση δύναμης ανύψωσης.​

Αυτή η δυναμική πίεση υγρού και το εμβαδόν επιφάνειας που έρχονται σε επαφή με τον αέρα ή το ρευστό και τα δύο εξαρτώνται επίσης σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία του αερομεταφερόμενου αντικειμένου. Για ένα αντικείμενο που μπορεί να προσεγγιστεί ως κύλινδρος όπως αεροπλάνο, η δύναμη πρέπει να εκτείνεται προς τα έξω από το σώμα του αντικειμένου. Η επιφάνεια, λοιπόν, θα ήταν η περιφέρεια του κυλινδρικού σώματος επί το ύψος ή το μήκος του αντικειμένου, δίνοντάς σαςS = C x ω​.

Μπορείτε επίσης να ερμηνεύσετε την επιφάνεια ως προϊόν πάχους, μια ποσότητα εμβαδού διαιρεμένη με το μήκος,τ, έτσι ώστε, όταν πολλαπλασιάζετε το πάχος επί το ύψος ή το μήκος του αντικειμένου, παίρνετε την επιφάνεια. Σε αυτήν την περίπτωσηS = t x ω​.

Η αναλογία μεταξύ αυτών των μεταβλητών της επιφάνειας σάς επιτρέπει να γράφετε ή να μετράτε πειραματικά τον τρόπο με τον οποίο διαφέρουν στη μελέτη επίδραση είτε της δύναμης γύρω από την περιφέρεια του κυλίνδρου είτε της δύναμης που εξαρτάται από το πάχος του υλικό. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι μέτρησης και μελέτης αερομεταφερόμενων αντικειμένων με χρήση του συντελεστή ανύψωσης.

Υπάρχουν πολλοί άλλοι τρόποι προσέγγισης του συντελεστή καμπύλης ανύψωσης. Επειδή ο συντελεστής ανύψωσης πρέπει να περιλαμβάνει πολλούς διαφορετικούς παράγοντες που επηρεάζουν την πτήση του αεροσκάφους, μπορείτε επίσης να τον χρησιμοποιήσετε για να μετρήσετε τη γωνία που μπορεί να έχει ένα επίπεδο σε σχέση με το έδαφος. Αυτή η γωνία είναι γνωστή ως γωνία επίθεσης (AOA), που αντιπροσωπεύεται απόα("alpha") και μπορείτε να γράψετε ξανά τον συντελεστή ανύψωσης

Με αυτό το μέτροντο_μεγάλοπου έχει μια πρόσθετη εξάρτηση λόγω του AOA α, μπορείτε να ξαναγράψετε την εξίσωση ως

και, αφού προσδιορίσετε πειραματικά τη δύναμη ανύψωσης για ένα συγκεκριμένο AOA, μπορείτε να υπολογίσετε τον γενικό συντελεστή ανύψωσης C_μεγάλο. Στη συνέχεια, μπορείτε να δοκιμάσετε τη μέτρηση διαφορετικών AOA για να προσδιορίσετε ποιες τιμέςντο_Λ0καιCL​_​α​ ταιριάζει καλύτερα.Αυτή η εξίσωση προϋποθέτει ότι ο συντελεστής ανύψωσης αλλάζει γραμμικά με το AOA, οπότε μπορεί να υπάρχουν ορισμένες περιπτώσεις στις οποίες μια πιο ακριβής εξίσωση συντελεστή μπορεί να ταιριάζει καλύτερα.

Για να κατανοήσουν καλύτερα το AOA σχετικά με τη δύναμη ανύψωσης και τον συντελεστή ανύψωσης, οι μηχανικοί έχουν μελετήσει πώς αλλάζει ο AOA στον τρόπο που πετά ένα αεροπλάνο. Αν έχετε συντελεστές ανύψωσης γραφημάτων έναντι AOA, μπορείτε να υπολογίσετε τη θετική τιμή της κλίσης, η οποία είναι γνωστή ως η δισδιάστατη κλίση ανύψωσης. Η έρευνα έχει δείξει, ωστόσο, ότι μετά από κάποια αξία του AOA, τοντο​_{​μεγάλο​} η τιμή μειώνεται.

Αυτό το μέγιστο AOA είναι γνωστό ως σημείο ακινητοποίησης, με αντίστοιχη ταχύτητα και μέγιστη ακινητοποίησηντο_μεγάλοαξία. Η έρευνα σχετικά με το πάχος και την καμπυλότητα του υλικού του αεροσκάφους έχει δείξει τρόπους υπολογισμού αυτών των τιμών όταν γνωρίζετε τη γεωμετρία και το υλικό του αερομεταφερόμενου αντικειμένου.

Η NASA διαθέτει μια ηλεκτρονική μικροεφαρμογή για να δείξει πώς η εξίσωση ανελκυστήρα επηρεάζει την πτήση των αεροσκαφών. Αυτό βασίζεται σε μια αριθμομηχανή συντελεστή ανύψωσης και μπορείτε να τη χρησιμοποιήσετε για να ορίσετε διαφορετικές τιμές ταχύτητας, γωνία που Το αντικείμενο λαμβάνει σε σχέση με το έδαφος και την επιφάνεια που έχουν τα αντικείμενα έναντι του υλικού που περιβάλλει το αεροσκάφος. Η μικροεφαρμογή σάς επιτρέπει ακόμη και να χρησιμοποιήσετε ιστορικά αεροσκάφη για να δείξετε πώς έχουν εξελιχθεί τα σχεδιασμένα σχέδια από το 1900.

Η προσομοίωση δεν λαμβάνει υπόψη την αλλαγή βάρους του αερομεταφερόμενου αντικειμένου λόγω αλλαγών στην περιοχή των πτερυγίων. Για να προσδιορίσετε τι αποτέλεσμα θα έχετε, μπορείτε να κάνετε μετρήσεις διαφορετικών τιμών επιφάνειας οι περιοχές θα έχουν στη δύναμη ανύψωσης και θα υπολογίζουν μια μεταβολή στη δύναμη ανύψωσης που αυτές οι επιφάνειες θα αιτία. Μπορείτε επίσης να υπολογίσετε τη βαρυτική δύναμη που θα είχαν διαφορετικές μάζες χρησιμοποιώντας W = mg για βάρος λόγω της βαρύτητας W, της μάζας m και της σταθεράς επιτάχυνσης της βαρύτητας g (9,8 m / s²).

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν "ανιχνευτή" που μπορείτε να κατευθύνετε γύρω από τα αερομεταφερόμενα αντικείμενα για να δείξετε την ταχύτητα σε διάφορα σημεία κατά μήκος της προσομοίωσης. Η προσομοίωση είναι επίσης περιορισμένη ότι το αεροσκάφος προσεγγίζεται χρησιμοποιώντας μια επίπεδη πινακίδα ως γρήγορο, βρώμικο υπολογισμό. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να προσεγγίσετε λύσεις στην εξίσωση δύναμης ανύψωσης.