Comment calculer la force de levage

Que vous étudiiez le vol des oiseaux qui battent des ailes pour s'élever dans le ciel ou la montée du gaz d'une cheminée dans l'atmosphère, vous pouvez étudier comment les objets se soulèvent contre la force de gravité pour mieux connaître ces méthodes de "vol."

Pour les équipements aéronautiques et les drones qui planent dans les airs, le vol dépend également de la maîtrise de la gravité. comme représentant la force de l'air contre ces objets depuis que les frères Wright ont inventé le avion. Le calcul de la force de levage peut vous indiquer la force nécessaire pour envoyer ces objets en l'air.

Les objets volant dans les airs doivent faire face à la force de l'air exercée contre eux-mêmes. Lorsque l'objet avance dans l'air, la force de traînée est la partie de la force qui agit parallèlement au flux de mouvement. La portance, en revanche, est la partie de la force perpendiculaire au flux d'air ou d'un autre gaz ou fluide contre l'objet.

Les aéronefs artificiels tels que les fusées ou les avions utilisent l'équation de la force de portance de

pour la force de levageL, coefficient de portanceC_L, densité du matériau autour de l'objetρ("rho"), vitessevet la zone de l'aileUNE. Le coefficient de portance résume les effets de diverses forces sur l'objet en suspension, y compris la viscosité et compressibilité de l'air et angle du corps par rapport à l'écoulement rendant l'équation de calcul de la portance beaucoup plus plus simple.

Les scientifiques et les ingénieurs déterminent généralementC_Lexpérimentalement en mesurant les valeurs de la force de portance et en les comparant à la vitesse de l'objet, l'aire de l'envergure et la densité du matériau liquide ou gazeux dans lequel l'objet est immergé. Faire un graphique de la portance vs. la quantité de (v² A)/2vous donnerait une ligne ou un ensemble de points de données qui peuvent être multipliés par leC_Lpour déterminer la force de portance dans l'équation de la force de portance.

Des méthodes de calcul plus avancées peuvent déterminer des valeurs plus précises du coefficient de portance. Il existe cependant des moyens théoriques de déterminer le coefficient de portance. Pour comprendre cette partie de l'équation de la force de portance, vous pouvez regarder la dérivation de la formule de la force de portance et comment le coefficient de force de portance est calculé en raison de ces forces aériennes sur un objet soumis à une portance.

Pour tenir compte de la myriade de forces qui affectent un objet volant dans l'air, vous pouvez définir le coefficient de portanceC​_L comme

pour la force de levageL, superficieSet pression dynamique des fluidesq, généralement mesuré en pascals. Vous pouvez convertir la pression dynamique du fluide dans sa formule

​pour obtenir​

dans lequelρest la densité du fluide etvousest la vitesse d'écoulement. À partir de cette équation, vous pouvez la réorganiser pour dériver l'équation de la force de portance.​

Cette pression de fluide dynamique et cette surface en contact avec l'air ou le fluide dépendent également fortement de la géométrie de l'objet en suspension dans l'air. Pour un objet qui peut être approché comme un cylindre tel qu'un avion, la force doit s'étendre vers l'extérieur du corps de l'objet. La surface serait alors la circonférence du corps cylindrique multipliée par la hauteur ou la longueur de l'objet, vous donnantS = C x h​.

Vous pouvez également interpréter la surface comme un produit de l'épaisseur, une quantité de surface divisée par la longueur,t, de sorte que, lorsque vous multipliez l'épaisseur par la hauteur ou la longueur de l'objet, vous obtenez une surface. Dans ce casS = t x h​.

Le rapport entre ces variables de surface vous permet de représenter graphiquement ou de mesurer expérimentalement en quoi elles diffèrent pour étudier la effet de la force autour de la circonférence du cylindre ou de la force qui dépend de l'épaisseur de la Matériel. D'autres méthodes de mesure et d'étude d'objets aériens utilisant le coefficient de portance existent.

Il existe de nombreuses autres façons d'approcher le coefficient de la courbe de portance. Étant donné que le coefficient de portance doit comprendre de nombreux facteurs différents affectant le vol de l'avion, vous pouvez également l'utiliser pour mesurer l'angle qu'un avion peut prendre par rapport au sol. Cet angle est appelé angle d'attaque (AOA), représenté parα("alpha"), et vous pouvez réécrire le coefficient de portance

Avec cette mesure deC_Lqui a une dépendance supplémentaire due à AOA α, vous pouvez réécrire l'équation comme

et, après avoir déterminé expérimentalement la force de portance pour un seul AOA spécifique, vous pouvez calculer le coefficient de portance général C_L. Ensuite, vous pouvez essayer de mesurer différents AOA pour déterminer quelles valeurs deC_L0etCL​_​α​ conviendrait le mieux.Cette équation suppose que le coefficient de portance change linéairement avec l'AOA, il peut donc y avoir des circonstances dans lesquelles une équation de coefficient plus précise peut mieux s'adapter.

Pour mieux comprendre l'AOA sur la force de portance et le coefficient de portance, les ingénieurs ont étudié comment l'AOA modifie la façon dont un avion vole. Si vous représentez graphiquement les coefficients de portance par rapport à l'AOA, vous pouvez calculer la valeur positive de la pente, connue sous le nom de pente de la courbe de portance bidimensionnelle. La recherche a montré, cependant, qu'après une certaine valeur de l'AOA, leC​_​L​ valeur diminue.

Cet AOA maximum est connu sous le nom de point de décrochage, avec une vitesse de décrochage correspondante et un maximumC_Lvaleur. Les recherches sur l'épaisseur et la courbure du matériau de l'avion ont montré des moyens de calculer ces valeurs lorsque vous connaissez la géométrie et le matériau de l'objet aérien.

La NASA a une applet en ligne pour montrer comment l'équation de portance affecte le vol des avions. Ceci est basé sur un calculateur de coefficient de portance, et vous pouvez l'utiliser pour définir différentes valeurs de vitesse, d'angle l'objet prend par rapport au sol et à la surface que les objets ont par rapport au matériau entourant l'aéronef. L'applet vous permet même d'utiliser des avions historiques pour montrer comment les conceptions techniques ont évolué depuis les années 1900.

La simulation ne tient pas compte du changement de poids de l'objet en vol dû aux changements de la surface de l'aile. Pour déterminer quel effet cela aurait, vous pouvez prendre des mesures de différentes valeurs de surface aurait sur la force de portance et calculer un changement de force de portance que ces surfaces auraient cause. Vous pouvez également calculer la force gravitationnelle que différentes masses auraient en utilisant W = mg pour le poids dû à la gravité W, la masse m et la constante d'accélération gravitationnelle g (9,8 m/s²).

Vous pouvez également utiliser une "sonde" que vous pouvez diriger autour des objets aéroportés pour montrer la vitesse à divers points le long de la simulation. La simulation est également limitée par le fait que l'avion est approximé à l'aide d'une plaque plate comme calcul rapide et sale. Vous pouvez l'utiliser pour approximer les solutions de l'équation de la force de portance.