Kuinka lentokoneen siipi toimii?

Lentokone voi olla tai ei olla 1900-luvun kaikkein elämää muuttava keksintö; väitteitä voidaan selvästi esittää kaikenlaisille muille innovaatioille, mukaan lukien antibioottilääkkeet, tietokoneprosessori ja langattoman maailmanlaajuisen viestintätekniikan tulo. Silti harvoissa näistä keksinnöistä, jos sellaisia ​​on, on sekä visuaalinen loisto että ihmisen luontainen rohkeuden ja etsinnän henki, kuten lentokoneella.

Suurin osa tyypillisestä koneesta on suurelta osin erotettavissa muista suurista henkilöautoista; se koostuu putkimaisesta osastosta, jossa istuvat matkustajat, vastuuhenkilöt ja muut kuljetettavat tavarat. Useimmissa lentokoneissa on myös pyörät; useimmat tarkkailijat eivät sijoittaneet niitä ensisijaiseksi ominaisuudeksi, mutta useimmat lentokoneet eivät voineet nousta tai laskeutua ilman niitä.

Selvästi kuitenkin tärkein fyysinen piirre, joka tekee lentokoneesta välittömästi tunnistettavissa sen siivet. Jossakin määrin tukirakenteet, joista myös luette, lisäävät lentokoneelle ominaista ulkonäköä, mutta siipi on jotenkin vakuuttavin; petollisesta perusilmeestään huolimatta lentokoneen siipi on aito tekniikan ihme sekä välttämätön modernin sivilisaation elämälle.

Lentokoneen hallinta ei vaadi vainhissi(paljon enemmän myöhemmin), mutta myös pysty- ja vaakasuuntaiset ohjaus- ja vakautusvälineet. Seuraava koskee tavanomaista matkustajatyylistä lentokonetta; ei selvästikään ole olemassa yhtään lentokoneen suunnittelua tai tältä osin matkustajakoneita. Ajattele fysiikkaa, älä tiettyjä ainesosia.

Lentokoneen putkea tai runkoa kutsutaanrungon. Siivet on kiinnitetty rungoon pisteestä noin puolivälissä. Siivissä itsessään on kaksi liikkuvien komponenttien sarjaa takana; ulkosarjaa kutsutaansiivekkeet, kun taas pidempiä, sisäisiä kutsutaan yksinkertaisestiläpät. Nämä muuttavat lentokoneen kallistusta ja vastaavuutta, mikä auttaa ohjaamaan ja hidastamaan lentoa. Siipikärjissä on usein pieni liikkuvasiipirenkaat, jotka vähentävät vastusta.

Tason hännän osiin kuuluuvaakasuorassajapystysuorat stabilointiaineet,entinen matkimalla pieniä siipiä suunnassa ja kerskailemallahissin läpätja jälkimmäinen mukaan lukien aperäsin,lentokoneen ensisijainen tapa muuttaa vaakasuoraa kurssia. Lentokone, jolla oli vain moottori ja siivet, mutta ei peräsintä, olisi kuin voimakas auto, jolla ei ohjauspyörä, eikä fyysikko tai ammattimainen kilpa-auton kuljettaja tarvitse havaita ongelmia tässä.

​Orville ja Wilbur Wrighton hyvitetty ensimmäisen onnistuneen lennon suorittamisesta vuonna 1903 Pohjois-Carolinassa, Yhdysvalloissa. Kuten ehkä arvasit, he eivät olleet pelkkiä rohkeita jotka heittivät yhteen moottorin ja joidenkin kevyiden lankkujen iskut ja tekivät siitä irti, joka sattui toimimaan heidän palvelusta. Päinvastoin, he olivat huolellisia tutkijoita, ja he ymmärsivät, että siipi olisi kriittinen osa menestyvää lentokoneen lentomekanismia. ("Lentokone" on viehättävä mutta rakastettava termi ilmailumaailmassa.)

Wrightsilla oli pääsy tuulitunnelien tietoihin Saksasta, ja he käyttivät tätä muotoillessaan siipiä purjelentokoneille, jotka edeltivät välittömästi kuuluisaa moottoriversiota 1903. He kokeilivat erilaisia ​​siipimuotoja ja huomasivat, että ne, joiden siipien kärkiväli-siipi-leveys-suhde oli lähellä ja lähellä 6,4-1, tuntuivat ihanteellisilta; että tämä on melkein täydellinenkuvasuhdeon tuettu nykyaikaisilla suunnittelumenetelmillä.

Siipi on eräänlainen kantokanta, joka on poikkileikkaus kaikesta, mikä kiinnostaa insinöörejä nestedynamiikan alueella, kuten purjeet, potkurit ja turbiinit. Tämä esitys on hyödyllinen ongelmien ratkaisemisessa, koska se tarjoaa parhaan visuaalisen kuvan siitä, kuinka taso nousee ja kuinka sitä voidaan moduloida eri siipimuotojen ja muiden ominaisuuksien avulla.

Ehkä koulussa tai pelkästään katsomalla uutisia olet nähnyt tai kuullut ilmaisun "hissi" lennon yhteydessä. Mitä fysiikan hissi on? Onko hissi edes mitattavissa oleva määrä vai kartoitetaanko se yhteen?

Nosto on itse asiassa voima, joka määritelmän mukaan vastustaa kohteenpaino. Paino puolestaan ​​on voima, joka syntyy painovoiman vaikutuksista esineisiin, joillamassa-. Noston saavuttaminen on oleellisesti vastapainoa painovoimalle - ja painovoima "huijaa" tässä pystysuorassa hinaajana, koska se ei koskaan lepää!

Hissi on avektorisuure, kuten kaikki voimat, ja sillä on siten sekä skalaarikomponentti (sen lukumäärä tai suuruus) että määritelty suunta (yleensä kaksi ulottuvuutta, merkittyxjay, johdantotason fysiikan ongelmissa). Vektori piirretään vaikuttamaan kohteen painekeskipisteen läpi ja se on kohtisuorassa nestevirtauksen suuntaan.

Nosto vaatii anestettä(kaasu tai kaasuseos, kuten ilma, tai neste, kuten öljy) väliaineena. Tällöin kiinteä esine tai tyhjiö eivät toimi vieraanvaraisena lentävänä ympäristöön; ensimmäinen näistä on intuitiivisesti ilmeinen, mutta jos olet koskaan miettinyt, voisitko ohjata tasoa ulkoavaruudessa manipuloimalla sen siipiä tai häntä, vastaus on ei; ei ole fyysistä "tavaraa", jota koneen osat voisivat työntää.

Kaikki ovat seuranneet joen tai puron pyörteitä ja virtauksia ja pohtineet nestevirtauksen luonnetta. Mitä tapahtuu, kun joki tai virta muuttuu yhtäkkiä paljon kapeammaksi muuttumatta syvyydessä? Joen vesi virtaa ohi paljon nopeammin. Suuremmat nopeudet tarkoittavat enemmän kineettistä energiaa, ja kineettisen energian kasvu riippuu jonkin verran energian syötöstä järjestelmään työn muodossa.

Nestedynamiikan kannalta keskeinen asia on, että paine P laskee nopeasti liikkuvissa tiheysnesteissäρ, mukaan lukien ilma. (Tiheys on massa jaettuna tilavuudella tai m / V.) Nesteen kineettisen energian (1/2) ρv erilaiset suhteet², sen potentiaalinen energia ρgh (missähon mikä tahansa korkeuden muutos, jolla on olemassa nestepaine-ero) ja kokonaispainePon kaapattu yhtälöllä, jonka kuuluisa 1700-luvun sveitsiläinen tiedemiesDavid Bernoulli. Yleinen lomake on kirjoitettu:

Tässägon kiihtyvyys maapallon painovoiman takia, jonka arvo on 9,8 m / s². Tätä yhtälöä sovelletaan lukemattomiin tilanteisiin, joihin liittyy veden ja kaasujen virtaus ja esineiden liikkuminen nesteissä, kuten lentokoneet, jotka vetävät taivaan ilman läpi.

Kun tarkastellaan lentokoneen siipiä, Bernoullin yhtälön viimeinen termi voidaan hylätä, koska siipi katsotaan olevan tasaisella korkeudella:

Sinun tulisi myös olla tietoinen jatkuvuusyhtälöstä, joka liittyy paineeseen poikkileikkauksen siipipinta-alaan:

Näiden yhtälöiden yhdistäminen osoittaa, kuinka nostovoima syntyy. Kriittisesti paine-ero siiven yläosan ja alapinnan välillä on seurausta kantolevyn vastaavien sivujen erilaisista muodoista. Siiven yläpuolella olevan ilman annetaan liikkua nopeammin kuin alla olevan ilman, mikä johtaa eräänlaiseen "imupaineeseen" ylhäältä, joka vastustaa koneen painoa.

Itse koneen eteenpäin suuntautuva liike tietysti on se, mikä luo ilman liikkeen; koneen vaakasuuntainen nopeus syntyy sen suihkumoottoreiden työnnön kautta ilmaa, ja tästä johtuvaa vastakkaista voimaa, joka kohdistuu veneeseen tässä suunnassa, kutsutaanraahata​.

• Siten yhteenveto lentokoneen ylös-, alas-, eteen- ja taaksepäin suuntautuvista voimista ja sen siipistä yhdeltä puolelta katsottuna onhissi​, ​paino​, ​työntövoimajaraahata​.