Sia che tu stia studiando il volo degli uccelli che battono le ali per salire in cielo o l'aumento del gas da un camino in l'atmosfera, puoi studiare come gli oggetti si sollevano contro la forza di gravità per conoscere meglio questi metodi di "volo."
Per le apparecchiature aeronautiche e i droni che si librano nell'aria, il volo dipende anche dal superamento della gravità come conto della forza dell'aria contro questi oggetti da quando i fratelli Wright hanno inventato il aereo. Il calcolo della forza di sollevamento può dirti quanta forza è necessaria per inviare questi oggetti in aria.
Equazione della forza di sollevamento
Gli oggetti che volano nell'aria devono fare i conti con la forza dell'aria esercitata contro se stessi. Quando l'oggetto si muove in avanti nell'aria, la forza di trascinamento è la parte della forza che agisce parallelamente al flusso di movimento. L'ascensore, al contrario, è la parte della forza che è perpendicolare al flusso d'aria o di un altro gas o fluido contro l'oggetto.
Gli aerei artificiali come i razzi o gli aerei utilizzano l'equazione della forza di portanza di
L=\frac{C_L\rho v^2 A}{2}
per la forza di sollevamentol, coefficiente di portanzaCl, densità del materiale intorno all'oggettoρ("rho"), velocitàve zona alareUN. Il coefficiente di portanza riassume gli effetti di varie forze sull'oggetto trasportato dall'aria inclusa la viscosità e comprimibilità dell'aria e angolo del corpo rispetto al flusso rendendo l'equazione per il calcolo della portanza molto più semplice.
Scienziati e ingegneri in genere determinanoClsperimentalmente misurando i valori della portanza e confrontandoli con la velocità dell'oggetto, l'area dell'apertura alare e la densità del materiale liquido o gassoso in cui è immerso l'oggetto. Fare un grafico della portanza vs. la quantità di (v2 A)/2ti darebbe una linea o un insieme di punti dati che possono essere moltiplicati per ilClper determinare la forza di portanza nell'equazione della forza di portanza.
Metodi di calcolo più avanzati possono determinare valori più precisi del coefficiente di portanza. Tuttavia, esistono modi teorici per determinare il coefficiente di portanza. Per comprendere questa parte dell'equazione della portanza, puoi guardare la derivazione della formula della portanza e come viene calcolato il coefficiente di portanza come risultato di queste forze aerotrasportate su un oggetto sottoposto a portanza.
Derivazione dell'equazione di sollevamento
Per tenere conto della miriade di forze che influenzano un oggetto che vola in aria, è possibile definire il coefficiente di portanzaCl come
C_L=\frac{L}{qS}
per la forza di sollevamentol, superficieSe pressione fluidodinamicaq, solitamente misurato in pascal. Puoi convertire la pressione fluidodinamica nella sua formula
q=\frac{\rho u^2}{2}
ottenere
C_L=\frac{2L}{\rho u^2 S}
in qualeρè la densità del fluido etuè la velocità del flusso. Da questa equazione, puoi riorganizzarla per derivare l'equazione della forza di portanza.
Questa pressione dinamica del fluido e l'area superficiale a contatto con l'aria o il fluido dipendono anch'essi fortemente dalla geometria dell'oggetto trasportato dall'aria. Per un oggetto che può essere approssimato come un cilindro come un aeroplano, la forza dovrebbe estendersi verso l'esterno dal corpo dell'oggetto. L'area della superficie, quindi, sarebbe la circonferenza del corpo cilindrico per l'altezza o la lunghezza dell'oggetto, dandotiS = C x h.
Puoi anche interpretare la superficie come un prodotto di spessore, una quantità di superficie divisa per lunghezza,t, in modo tale che, moltiplicando lo spessore per l'altezza o la lunghezza dell'oggetto, si ottiene l'area della superficie. In questo casoS = t x h.
Il rapporto tra queste variabili di superficie consente di rappresentare graficamente o misurare sperimentalmente come differiscono per studiare il effetto della forza attorno alla circonferenza del cilindro o della forza che dipende dallo spessore del Materiale. Esistono altri metodi per misurare e studiare gli oggetti trasportati dall'aria utilizzando il coefficiente di portanza.
Altri usi del coefficiente di sollevamento
Esistono molti altri modi per approssimare il coefficiente della curva di portanza. Poiché il coefficiente di portanza deve comprendere molti fattori diversi che influenzano il volo dell'aereo, puoi anche usarlo per misurare l'angolo che un aereo potrebbe assumere rispetto al suolo. Questo angolo è noto come angolo di attacco (AOA), rappresentato daα("alpha"), e puoi riscrivere il coefficiente di portanza
C_L=C_{LO}+C_{L\alpha}\alpha
Con questa misura diClche ha una dipendenza aggiuntiva dovuta ad AOA α, puoi riscrivere l'equazione come
\alpha = \frac{C_L+C_{LO}}{C_{L\alpha}}
e, dopo aver determinato sperimentalmente la forza di portanza per un singolo AOA specifico, è possibile calcolare il coefficiente di portanza generale Cl. Quindi, puoi provare a misurare diversi AOA per determinare quali valori diCL0eCLα si adatterebbe meglio.Questa equazione presuppone che il coefficiente di portanza cambi linearmente con l'AOA, quindi potrebbero esserci alcune circostanze in cui un'equazione del coefficiente più accurata potrebbe adattarsi meglio.
Per comprendere meglio l'AOA sulla forza di portanza e sul coefficiente di portanza, gli ingegneri hanno studiato come l'AOA cambia il modo in cui vola un aereo. Se si rappresenta graficamente i coefficienti di portanza rispetto all'AOA, è possibile calcolare il valore positivo della pendenza, nota come pendenza della curva di portanza bidimensionale. La ricerca ha dimostrato, tuttavia, che dopo un certo valore di AOA, ilCl valore diminuisce.
Questo AOA massimo è noto come punto di stallo, con una corrispondente velocità di stallo e massimoClvalore. La ricerca sullo spessore e la curvatura del materiale aeronautico ha mostrato modi per calcolare questi valori quando si conosce la geometria e il materiale dell'oggetto in volo.
Calcolatore di equazione e coefficiente di sollevamento
La NASA ha un'applet online per mostrare come l'equazione della portanza influisce sul volo degli aerei. Questo si basa su un calcolatore del coefficiente di portanza e puoi usarlo per impostare diversi valori di velocità, angolo che è in volo l'oggetto assume rispetto al suolo e alla superficie che gli oggetti hanno nei confronti del materiale che circonda l'aeromobile. L'applet ti consente persino di utilizzare velivoli storici per mostrare come si sono evoluti i progetti ingegnerizzati dal 1900.
La simulazione non tiene conto del cambiamento di peso dell'oggetto in volo dovuto ai cambiamenti nell'area dell'ala. Per determinare quale effetto avrebbe, puoi prendere misurazioni di diversi valori di superficie le aree avrebbero sulla forza di portanza e calcolare un cambiamento nella forza di portanza che queste aree di superficie avrebbero causa. Puoi anche calcolare la forza gravitazionale che avrebbero masse diverse usando W = mg per peso dovuto alla gravità W, massa m e costante di accelerazione gravitazionale g (9,8 m/s2).
Puoi anche usare una "sonda" che puoi dirigere intorno agli oggetti in volo per mostrare la velocità in vari punti lungo la simulazione. La simulazione è anche limitata al fatto che l'aeromobile venga approssimato utilizzando una piastra piana come calcolo rapido e sporco. Puoi usarlo per approssimare le soluzioni dell'equazione della forza di portanza.