Nostovoiman laskeminen

Olitpa tutkimassa lintujen lentoa, jotka lyövät siipiään nousemaan taivaalle tai kaasun nousua savupiipusta ilmakehässä, voit tutkia kuinka esineet nostavat itsensä painovoimaa vastaan ​​oppiakseen paremmin näistä menetelmistä "lento."

Ilma-alusten laitteiden ja lentokoneiden kohdalla lento riippuu myös painovoiman voittamisesta ilma-alusten voimana näitä esineitä vastaan ​​siitä lähtien, kun Wrightin veljet keksivät lentokone. Nostovoiman laskeminen voi kertoa, kuinka paljon voimaa tarvitaan näiden esineiden lähettämiseen ilmassa.

Ilman läpi lentävien esineiden on käsiteltävä itseään vastaan ​​kohdistuvaa ilmavoimaa. Kun esine liikkuu eteenpäin ilman läpi, vetovoima on osa voimaa, joka toimii yhdensuuntaisesti liikevirran kanssa. Nosto on sitä vastoin se osa voimasta, joka on kohtisuorassa esineeseen kohdistuvaa ilman tai muun kaasun tai nesteen virtausta vastaan.

Ihmisen tekemät lentokoneet, kuten raketit tai lentokoneet, käyttävät nostovoiman yhtälöä

nostovoimaa vartenL, nostokerroinC_L, materiaalin tiheys kohteen ympärilläρ("rho"), nopeusvja siipi-alueA. Nostokerroin tiivistää erilaisten voimien vaikutukset ilmassa olevaan esineeseen, mukaan lukien viskositeetti ja ilman kokoonpuristuvuus ja kehon kulma suhteessa virtaukseen, mikä tekee yhtälöstä hissin laskemisen paljon yksinkertaisempi.

Tutkijat ja insinöörit määrittelevät tyypillisestiC_Lkokeellisesti mittaamalla nostovoiman arvot ja vertaamalla niitä kohteen nopeuteen, siipien kärkialaan ja nesteen tai kaasun materiaalin tiheyteen, johon esine upotetaan. Kaavion nostaminen vs. määrä (ρ v² A) / 2antaa sinulle rivin tai joukon datapisteitä, jotka voidaan kertoaC_Lnostovoiman määrittämiseksi nostovoiman yhtälössä.

Kehittyneemmillä laskentamenetelmillä voidaan määrittää tarkemmat nostokertoimen arvot. Nostokertoimen määrittämiseksi on kuitenkin teoreettisia tapoja. Nostovoiman yhtälön tämän osan ymmärtämiseksi voit tarkastella nostovoiman kaavan ja kuinka nostovoiman kerroin lasketaan näiden ilmaan kohdistuvien voimien seurauksena kohteelle, jolla on hissi.

Jos haluat ottaa huomioon lukemattomat voimat, jotka vaikuttavat ilmassa lentävään esineeseen, voit määrittää nostokertoimenC​_L kuten

nostovoimaa vartenL, pinta-alaSja nesteen dynaaminen paineq, mitataan yleensä paskalina. Voit muuntaa nesteen dynaamisen paineen kaavaksi

​saada​

jossaρon nesteen tiheys jauon virtausnopeus. Tästä yhtälöstä voit järjestää sen uudelleen saadaksesi nostovoiman yhtälön.​

Tämä dynaaminen nestepaine ja ilman tai nesteen kanssa kosketuksessa oleva pinta-ala riippuvat myös voimakkaasti ilmassa olevan kohteen geometriasta. Kohteen, joka voidaan arvioida sylinteriksi, kuten lentokone, voiman tulisi ulottua kohteen rungosta ulospäin. Tällöin pinta-ala olisi sylinterimäisen rungon ympärys ja esineen korkeus tai pituusS = C x h​.

Voit myös tulkita pinta-alan tuloksen paksuudella, pinta-alan jaettuna pituudella,t, niin että kun kerrot paksuuden ja kohteen korkeuden tai pituuden, saat pinta-alan. Tässä tapauksessaS = t x h​.

Näiden pinta-alan muuttujien välisen suhteen avulla voit piirtää tai kokeellisesti mitata niiden eroja tutkiakseen joko sylinterin kehän ympärillä olevan voiman tai sylinterin paksuudesta riippuvan voiman vaikutus materiaalia. Muita menetelmiä ilmassa olevien esineiden mittaamiseksi ja tutkimiseksi nostokertoimen avulla on olemassa.

Nostokäyräkertoimen arvioimiseksi on monia muita tapoja. Koska nostokertoimen on sisällettävä monia erilaisia ​​lentokoneen lentoon vaikuttavia tekijöitä, voit käyttää sitä myös mittaamaan kulman, jonka lentokone voi ottaa maahan nähden. Tätä kulmaa kutsutaan hyökkäyskulmaksi (AOA), jota edustaaα("alfa"), ja voit kirjoittaa nostokertoimen uudelleen

Tällä toimenpiteelläC_Ljolla on ylimääräinen riippuvuus AOA α: n vuoksi, voit kirjoittaa yhtälön uudelleen

ja kun olet kokeellisesti määrittänyt nostovoiman yksittäiselle AOA: lle, voit laskea yleisen nostokertoimen C_L. Sitten voit yrittää mitata erilaisia ​​AOA-arvoja sen määrittämiseksi, minkä arvotC_L0jaCL​_​α​ sopisi parhaiten.Tämä yhtälö olettaa, että nostokerroin muuttuu lineaarisesti AOA: n kanssa, joten voi olla joitain olosuhteita, joissa tarkempi kerroinyhtälö saattaa sopia paremmin.

Insinöörit ovat tutkineet, kuinka AOA muuttaa lentokoneen tapaa ymmärtää paremmin AOA: ta nostovoimasta ja nostokertoimesta. Jos piirrät nostokertoimet AOA: ta vastaan, voit laskea kaltevuuden positiivisen arvon, joka tunnetaan nimellä kaksiulotteinen nostokäyrä. Tutkimus on kuitenkin osoittanut, että AOA: n jonkin arvon jälkeen,C​_​L​ arvo pienenee.

Tämä suurin AOA tunnetaan pysähdyskohtana, jolla on vastaava pysähtymisnopeus ja suurinC_Larvo. Lentokoneen materiaalin paksuutta ja kaarevuutta koskeva tutkimus on osoittanut tapoja laskea nämä arvot, kun tiedät ilmassa olevan kohteen geometrian ja materiaalin.

NASA: lla on online-sovelma osoittamaan, kuinka hissikaava vaikuttaa lentokoneen lennoon. Tämä perustuu nostokerroinlaskuriin, ja sen avulla voit asettaa erilaisia ​​nopeuden ja kulman arvoja, joita ilmassa esine ottaa huomioon maan ja pinnan, joka esineillä on lentokonetta ympäröivään materiaaliin nähden. Sovelman avulla voit jopa käyttää historiallisia lentokoneita osoittamaan, kuinka suunnitellut mallit ovat kehittyneet 1900-luvulta lähtien.

Simulaatio ei ota huomioon lentokohteen painomuutosta, joka johtuu siipialueen muutoksista. Voit selvittää, mikä vaikutus sillä olisi, mittaamalla pinnan eri arvot alueet vaikuttavat nostovoimaan ja laskevat nostovoiman muutoksen, joka näillä pinta-alueilla olisi syy. Voit myös laskea painovoiman, joka eri massoilla olisi, käyttämällä W = mg painoon painovoiman W, massan m ja painovoimakiihtyvakion g (9,8 m / s) vuoksi²).

Voit myös käyttää "koetinta", jonka voit ohjata ilmassa olevien esineiden ympärille näyttääksesi nopeuden simulaation eri pisteissä. Simulaatio on myös rajallinen, koska lentokone arvioidaan käyttämällä tasaista levyä nopeana, likaisena laskelmana. Voit käyttää tätä lähentämään ratkaisuja nostovoiman yhtälöön.