飛行機は、20世紀で最も人生を変える発明である場合とそうでない場合があります。 抗生物質、コンピュータープロセッサ、ワイヤレスグローバル通信技術の出現など、他のあらゆる種類のイノベーションについては、明白に議論することができます。 しかし、これらの発明のいくつかは、飛行機のように、視覚的な壮大さと大胆で探検するという人間の生来の精神の両方を持っています。
典型的な飛行機の大部分は、他の大型乗用車とほとんど区別がつきません。 それは、乗客、担当者、および他の輸送されたアイテムが座る管状のコンパートメントで構成されています。 また、ほとんどの飛行機には車輪があります。 ほとんどのオブザーバーはそれらを主要な機能として配置しませんでしたが、ほとんどの飛行機はそれらなしでは離陸または着陸できませんでした。
ただし、明らかに、飛行機の翼をすぐに識別できるようにする主な物理的特徴。 ある程度、あなたが読むことになる支持構造は飛行機の特徴的な外観に追加されますが、翼はどういうわけか最も魅力的です。 一見基本的な外観にもかかわらず、飛行機の翼はエンジニアリングの真の驚異であり、現代文明の生活に不可欠です。
飛行機の空力的にアクティブな部分
飛行機の制御には、リフト（これについては後で詳しく説明します）だけでなく、垂直および水平のステアリングおよび安定化装置もあります。 以下は、標準的な旅客機に適用されます。 明らかに、飛行機の設計、さらに言えば旅客機の設計は存在しません。 特定の成分ではなく、物理学について考えてください。
飛行機のチューブ、またはボディは、機体. 翼は胴体の長さの約半分の位置で胴体に取り付けられています。 翼自体には、背面に2セットの可動コンポーネントがあります。 外側のセットはと呼ばれますエルロン、長い間、内側のものは単に呼ばれますフラップ. これらは航空機のロールと抗力をそれぞれ変更し、飛行機の操縦と減速を支援します。 翼端にはしばしば小さな可動がありますウィングレット、抗力を減少させます。
飛行機の尾部には次のものがあります水平そして垂直尾翼、前者は向きを変えて小さな翼を模倣し、自慢しているエレベーターフラップ、および後者を含むラダー、水平方向のコースを変更する飛行機の主要な手段。 エンジンと翼だけがあり、舵がない飛行機は、ない強力な車のようになります ハンドル、そしてそれは問題を見つけるために物理学者やプロのレーシングカーのドライバーを必要としません ここに。
飛行機の翼の歴史
オービルとウィルバーライト1903年に米国ノースカロライナ州で最初の成功した飛行をしたと信じられています。おそらくあなたが推測したように、彼らは単なる挑戦者ではありませんでした。 モーターといくつかの軽量の厚板からスラップダッシュの仕掛けを一緒に投げて、それを手に入れました、それはたまたま彼らの中で働いていました 好意。 それどころか、彼らは細心の注意を払った研究者であり、彼らは翼が成功した飛行機の飛行メカニズムの重要な側面として役立つことを理解していました。 （「飛行機」は、航空業界では趣のある、しかし愛らしい用語です。）
ライトはドイツからの風洞データにアクセスでき、すぐに有名な1903年の電動バージョンに先行するグライダーの翼の作成にこれを使用しました。 彼らはさまざまな翼の形状を実験し、翼幅と翼幅の比率が近距離で、6.4対1に近いものが理想的であるように見えることを発見しました。 これはほぼ完璧だとアスペクト比現代の工学的手法によって裏付けられてきました。
翼は一種の翼型であり、帆、プロペラ、タービンなど、流体力学の分野でエンジニアが関心を持つあらゆる断面です。 この表現は、飛行機がどのように上昇するか、さまざまな翼の形状やその他の機能を通じてこれをどのように調整できるかを視覚的に表現するのに最適であるため、問題の解決に役立ちます。
基本的な空気力学の事実
おそらく学校で、または単にニュースを見ることによって、あなたは飛行に関して「リフト」という用語を見たり聞いたりしたことがあります。 物理学における揚力とは何ですか？ 揚力は測定可能な量でさえありますか、それとも1つにマッピングされますか？
揚力は、実際には力であり、定義上、オブジェクトの力に対抗する力です。重量. 重量は、重力が物体に及ぼす影響の結果として生成される力です。質量. 揚力を達成することは、本質的に重力を打ち消すことです–そして、重力は決して休まないので、この垂直の綱引きで「チート」します！
リフトはベクトル量、すべての力と同様に、したがって、スカラー成分（その数または大きさ）と指定された方向（通常は2つの次元を含み、ラベルが付けられている）の両方を持ちますバツそしてy、入門レベルの物理問題）。 ベクトルは、オブジェクトの圧力の中心を介して作用し、流体の流れの方向に垂直に向けられます。
リフトには体液（空気などの気体または気体の混合物、または石油などの液体）を媒体として使用します。 したがって、固体も真空も、もてなしの飛行環境としては機能しません。 これらの最初のものは直感的に明らかですが、翼や尾を操作して宇宙空間で飛行機を操縦できるかどうか疑問に思ったことがある場合、答えはノーです。 平面部品が押し付ける物理的な「もの」はありません。
ベルヌーイの方程式
誰もが川や小川の乱気流や流れを見て、流体の流れの性質について考えてきました。 川や小川が急に狭くなり、深さが変わらない場合はどうなりますか？ その結果、川の水ははるかに速く通り過ぎます。 より高い速度はより多くの運動エネルギーを意味し、運動エネルギーの増加は仕事の形でシステムへのエネルギーの入力に依存します。
流体力学に関して重要な点は、密度の速い移動する流体では圧力Pが低下することです。ρ、空気を含む。 （密度は、質量を体積で割った値、つまりm / Vです。）流体の運動エネルギー間のさまざまな関係（1/2）ρv2、その位置エネルギーρgh（ここでh流体の圧力差が存在する高さの変化）と全圧P18世紀のスイスの科学者によって有名になった方程式によって捕らえられますデビッドベルヌーイ. 一般的な形式は次のように書かれています。
P + \ frac {1} {2} \ rho v ^ 2 + \ rho gh =定数
ここにgは地球表面の重力による加速度で、値は9.8 m / sです。2. この方程式は、水と気体の流れや、飛行機が空の空気を通り抜けるなど、流体中の物体の動きを含む無数の状況に適用されます。
飛行機の飛行の物理学
飛行機の翼を検討する場合、翼は均一な高さであると見なされるため、ベルヌーイの式の最後の項を削除できます。
P + \ frac {1} {2} \ rho v ^ 2 =定数
また、圧力を翼の断面積に関連付ける連続の方程式にも注意する必要があります。
\ rho Av =定数
これらの方程式を組み合わせると、揚力がどのように生成されるかがわかります。 重要なことに、翼の上部と下部の間の圧力差は、翼のそれぞれの側面の異なる形状の結果です。 翼の上の空気は下の空気よりも速く動くことができ、その結果、飛行機の重量に対抗する一種の「吸引圧力」が上から発生します。
もちろん、飛行機自体の前方への動きは、空気の動きを生み出すものです。 飛行機の水平速度は、ジェットエンジンが空気に押し付けられることによって生成され、この方向に航空機に加えられる反対の力は次のように呼ばれます。引っ張る.
- したがって、片側から見た飛行機とその翼にかかる上向き、下向き、前向き、後ろ向きの力の要約は次のとおりです。リフト, 重量, 推力そして引っ張る.