Kako izračunati silu dizanja

Bez obzira proučavate li let ptica koje su prekrile krila da se dignu u nebo ili ustajanje plina iz dimnjaka u atmosferi, možete proučiti kako se predmeti podižu protiv sile gravitacije da biste bolje upoznali ove metode "let."

Za opremu zrakoplova i dronove koji se vinu u zrak, let ovisi i o prevladavanju gravitacije kao obračun sile zraka prema tim objektima još od kada su braća Wright izumila zrakoplov. Izračun sile podizanja može vam reći kolika je sila potrebna za slanje ovih predmeta u zrak.

Objekti koji lete zrakom moraju se nositi sa silom zraka koja se vrši prema njima samima. Kad se objekt kreće naprijed kroz zrak, sila vuče dio je sile koja djeluje paralelno s protokom gibanja. Podizanje je, nasuprot tome, dio sile koji je okomit na protok zraka ili drugog plina ili tekućine prema objektu.

Vještački zrakoplovi poput raketa ili aviona koriste jednadžbu sile podizanja od

za silu dizanjaL, koeficijent podizanjaC_L, gustoća materijala oko predmeta

Znanstvenici i inženjeri obično utvrđujuC_Leksperimentalno mjerenjem vrijednosti sile dizanja i njihovom usporedbom sa brzinom predmeta, površinom raspona krila i gustoćom tekućeg ili plinskog materijala u koji je objekt uronjen. Izrada grafa dizala vs. količina (ρ v² A) / 2dao bi vam liniju ili skup podatkovnih točaka koje se mogu pomnožiti sC_Lza određivanje sile dizanja u jednadžbi sile dizanja.

Naprednije računske metode mogu odrediti preciznije vrijednosti koeficijenta podizanja. Ipak postoje teoretski načini određivanja koeficijenta dizanja. Da biste razumjeli ovaj dio jednadžbe sile dizanja, možete pogledati izvođenje formule sile dizanja i kako se izračunava koeficijent sile podizanja kao rezultat tih zračnih sila na objekt koji doživljava podizanje.

Da biste uzeli u obzir bezbroj sila koje utječu na objekt koji leti zrakom, možete definirati koeficijent podizanjaC​_L kao

za silu dizanjaL, površinaSi dinamički tlak fluidaq, obično mjereno u paskalima. Dinamički tlak fluida možete pretvoriti u njegovu formulu

​dobiti​

u kojemρje gustoća fluida iuje brzina protoka. Iz ove jednadžbe možete je preurediti tako da izvedete jednadžbu sile podizanja.​

Ovaj dinamički tlak fluida i površina u kontaktu sa zrakom ili tekućinom također uvelike ovise o geometriji objekta u zraku. Za objekt koji se može aproksimirati kao cilindar kao što je avion, sila bi se trebala protezati prema van od tijela predmeta. Tada bi površina bila opseg cilindričnog tijela pomnožen s visinom ili duljinom predmeta, što vam dajeS = C x h​.

Također možete tumačiti površinu kao umnožak debljine, veličine površine podijeljene s duljinom,t, takav da, kad pomnožite debljinu s visinom ili duljinom predmeta, dobijete površinu. U ovom slučajuS = t x h​.

Odnos između ovih varijabli površine omogućuje vam grafički prikaz ili eksperimentalno mjerenje razlike u istraživanju učinak sile oko opsega cilindra ili sile koja ovisi o debljini valjka materijal. Postoje i druge metode mjerenja i proučavanja objekata u zraku pomoću koeficijenta podizanja.

Postoje mnogi drugi načini približavanja koeficijenta krivulje podizanja. Budući da koeficijent podizanja mora sadržavati mnogo različitih čimbenika koji utječu na let zrakoplova, možete ga koristiti i za mjerenje kuta koji avion može zauzeti u odnosu na tlo. Taj je kut poznat kao napadni kut (AOA), predstavljen sα("alfa"), i možete ponovo napisati koeficijent podizanja

Uz ovu mjeru odC_Lkoja ima dodatnu ovisnost zbog AOA α, jednadžbu možete prepisati kao

i, nakon eksperimentalnog određivanja sile dizanja za pojedinu specifičnu AOA, možete izračunati opći koeficijent dizanja C_L. Zatim možete pokušati izmjeriti različite AOA kako biste utvrdili koje vrijednostiC_L0iCL​_​α​ najbolje bi pristajalo.Ova jednadžba pretpostavlja da se koeficijent dizanja linearno mijenja s AOA, tako da možda postoje neke okolnosti u kojima se točnija jednadžba koeficijenta može bolje uklopiti.

Da bi bolje razumjeli AOA o sili podizanja i koeficijentu podizanja, inženjeri su proučavali kako AOA mijenja način na koji avion leti. Ako grafički prikažete koeficijente podizanja prema AOA, možete izračunati pozitivnu vrijednost nagiba, koji je poznat kao dvodimenzionalni nagib krivulje podizanja. Istraživanje je, međutim, pokazalo da nakon neke vrijednosti AOA,C​_​L​ vrijednost se smanjuje.

Ovaj maksimum AOA poznat je kao točka zaustavljanja, s odgovarajućom brzinom zaustavljanja i maksimumomC_Lvrijednost. Istraživanje debljine i zakrivljenosti materijala zrakoplova pokazalo je načine izračunavanja ovih vrijednosti kad znate geometriju i materijal zračnog objekta.

NASA ima internetski aplet koji pokazuje kako jednadžba dizanja utječe na let zrakoplova. Ovo se temelji na kalkulatoru koeficijenta dizanja i pomoću njega možete postaviti različite vrijednosti brzine, kut u zraku objekt uzima u odnosu na tlo i površinu koju objekti imaju prema materijalu koji okružuje zrakoplov. Aplet vam čak omogućuje da pomoću povijesnih zrakoplova pokažete kako su se projektirani dizajni razvijali od 1900-ih.

Simulacija ne uzima u obzir promjenu težine zračnog objekta zbog promjena u području krila. Da biste utvrdili kakav bi to učinak mogao imati, možete izvršiti mjerenja različitih vrijednosti površine područja bi imala na silu podizanja i izračunala bi promjenu sile podizanja koju bi imale ove površine uzrok. Također možete izračunati gravitacijsku silu koju bi različite mase imale koristeći W = mg za težinu zbog gravitacije W, mase m i konstante gravitacijskog ubrzanja g (9,8 m / s²).

Također možete koristiti "sondu" koju možete usmjeriti oko objekata u zraku kako biste prikazali brzinu u različitim točkama duž simulacije. Simulacija je također ograničena da se zrakoplov aproksimira pomoću ravne ploče kao brzi, prljavi proračun. To možete koristiti za približavanje rješenja jednadžbe sile dizanja.