Kā aprēķināt celšanas spēku

Neatkarīgi no tā, vai pētāt putnu lidojumu, kas sit savus spārnus, lai paceltos debesīs, vai gāzes celšanos no skursteņa atmosfēru, jūs varat izpētīt, kā priekšmeti paceļas pret gravitācijas spēku, lai labāk uzzinātu par šīm metodēm "lidojums".

Gaisa kuģu aprīkojumam un bezpilota lidaparātiem, kas lido pa gaisu, lidojums ir atkarīgs arī no gravitācijas pārvarēšanas kā gaisa spēka uzskaite pret šiem objektiem kopš brīža, kad brāļi Raiti izgudroja lidmašīna. Aprēķinot celšanas spēku, var pateikt, cik liels spēks ir vajadzīgs, lai šos objektus nosūtītu gaisā.

Objektiem, kas lido pa gaisu, jācīnās ar pret sevi iedarboto gaisa spēku. Kad objekts virzās uz priekšu pa gaisu, pretestības spēks ir tā spēka daļa, kas darbojas paralēli kustības plūsmai. Turpretī lifts ir tā spēka daļa, kas ir perpendikulāra gaisa vai citas gāzes vai šķidruma plūsmai pret objektu.

Cilvēka radītie lidaparāti, piemēram, raķetes vai lidmašīnas, izmanto pacelšanas spēka vienādojumu

par pacelšanas spēkuL, pacelšanas koeficientsC_L, materiāla blīvums ap objektuρ("rho"), ātrumsvun spārnu platībaA. Pacelšanas koeficients apkopo dažādu spēku ietekmi uz gaisā esošo objektu, ieskaitot viskozitāti un gaisa saspiežamība un ķermeņa leņķis attiecībā pret plūsmu, kas padara vienādojumu lifta aprēķināšanai daudz vienkāršāk.

Parasti to nosaka zinātnieki un inženieriC_Leksperimentāli, izmērot celšanas spēka vērtības un salīdzinot tās ar objekta ātrumu, spārnu platumu un šķidruma vai gāzes materiāla blīvumu, kurā objekts ir iegremdēts. Veidojot grafiku par pieaugumu pret daudzums (ρ v² A) / 2dotu jums līniju vai datu punktu kopu, ko var reizināt arC_Llai noteiktu celšanas spēku pacelšanas spēka vienādojumā.

Uzlabotākas skaitļošanas metodes var noteikt precīzākas pacelšanas koeficienta vērtības. Tomēr ir teorētiski veidi, kā noteikt pacelšanas koeficientu. Lai saprastu šo pacelšanas spēka vienādojuma daļu, varat aplūkot celšanas spēka formulas atvasinājumu un kā tiek aprēķināts pacelšanas spēka koeficients šo gaisa spēku ietekmē uz objektu, kurš piedzīvo pacēlumu.

Lai ņemtu vērā neskaitāmos spēkus, kas ietekmē objektu, kas lido pa gaisu, varat noteikt pacelšanas koeficientuC​_L kā

par pacelšanas spēkuL, virsmas laukumsSun šķidruma dinamisko spiedienuq, ko mēra paskalos. Jūs varat pārveidot šķidruma dinamisko spiedienu tā formulā

​dabūt​

kurāρir šķidruma blīvums unuir plūsmas ātrums. No šī vienādojuma jūs varat to pārkārtot, lai iegūtu pacelšanas spēka vienādojumu.​

Šis dinamiskais šķidruma spiediens un virsmas laukums, kas nonāk saskarē ar gaisu vai šķidrumu, arī ir ļoti atkarīgs no gaisā esošā objekta ģeometrijas. Objektam, kuru var tuvināt kā cilindru, piemēram, lidmašīnai, spēkam jābūt no ārpuses no objekta ķermeņa. Tādā gadījumā virsmas laukums būtu cilindriskā korpusa apkārtmērs reizinājumā ar objekta augstumu vai garumu, dodot jumsS = C x h​.

Jūs varat arī interpretēt virsmas laukumu kā biezuma reizinājumu, platības daudzumu dalot ar garumu,t, tāds, ka, reizinot biezumu ar objekta augstumu vai garumu, iegūstat virsmas laukumu. Šajā gadījumāS = t x h​.

Attiecība starp šiem virsmas laukuma mainīgajiem ļauj grafiski attēlot vai eksperimentāli izmērīt to atšķirību, lai izpētītu vai nu spēka ietekme uz cilindra apkārtmēru, vai arī spēks, kas atkarīgs no cilindra biezuma materiāls. Pastāv citas gaisa objektu mērīšanas un izpētes metodes, izmantojot pacelšanas koeficientu.

Pacelšanas līknes koeficienta tuvināšanai ir daudz citu veidu. Tā kā pacelšanas koeficientam jāietver daudz dažādu faktoru, kas ietekmē lidmašīnas lidojumu, varat to izmantot arī, lai izmērītu leņķi, kādu plakne varētu veikt attiecībā pret zemi. Šis leņķis ir pazīstams kā uzbrukuma leņķis (AOA), ko attēloα("alfa"), un jūs varat atkārtoti uzrakstīt pacelšanas koeficientu

Ar šoC_Lkurai ir papildu atkarība no AOA α, jūs varat pārrakstīt vienādojumu kā

un, eksperimentāli nosakot celšanas spēku vienai konkrētai AOA, jūs varat aprēķināt vispārējo pacelšanas koeficientu C_L. Pēc tam varat mēģināt izmērīt dažādas AOA, lai noteiktu, kuru vērtību vērtībasC_L0unCL​_​α​ derētu vislabāk.Šis vienādojums pieņem, ka lifta koeficients mainās lineāri ar AOA, tāpēc var būt daži apstākļi, kuros precīzāks koeficienta vienādojums var labāk iederēties.

Lai labāk izprastu AOA par pacelšanas spēku un pacelšanas koeficientu, inženieri ir izpētījuši, kā AOA maina lidmašīnas lidošanas veidu. Ja jūs diagramma pacelšanas koeficientus pret AOA, jūs varat aprēķināt slīpuma pozitīvo vērtību, kas ir pazīstama kā divdimensiju pacelšanas līknes slīpums. Pētījumi tomēr ir parādījuši, ka pēc zināmas AOA vērtībasC​_​L​ vērtība samazinās.

Šis maksimālais AOA ir pazīstams kā apstāšanās punkts ar atbilstošu apstāšanās ātrumu un maksimumuC_Lvērtība. Pētījumi par lidmašīnas materiāla biezumu un izliekumu ir parādījuši veidu, kā aprēķināt šīs vērtības, kad zināt gaisa objekta ģeometriju un materiālu.

NASA ir tiešsaistes sīklietotne, lai parādītu, kā lifta vienādojums ietekmē lidmašīnas lidojumu. Tas ir balstīts uz pacelšanas koeficienta kalkulatoru, un jūs varat to izmantot, lai iestatītu dažādas ātruma vērtības, leņķi, ko gaisā objekts ņem vērā zemi un virsmas laukumu, kas objektiem piemīt materiālam, kas ieskauj lidmašīnu. Sīklietotne ļauj jums pat izmantot vēsturiskos lidaparātus, lai parādītu, kā izstrādāti dizaini ir attīstījušies kopš 1900. gadiem.

Simulācija neņem vērā gaisa objekta svara izmaiņas, kas saistītas ar izmaiņām spārnu laukumā. Lai noteiktu, kāda ietekme tam būtu, varat veikt dažādu virsmas vērtību mērījumus platībām būtu uz pacelšanas spēku, un aprēķinātu celšanas spēka izmaiņas, kādas būtu šīm virsmām cēlonis. Varat arī aprēķināt gravitācijas spēku, kāds dažādām masām būtu, izmantojot svaru W = mg svara dēļ gravitācijas W, masas m un gravitācijas paātrinājuma konstantes g (9,8 m / s) dēļ.²).

Varat arī izmantot "zondi", kuru varat novirzīt ap gaisā esošajiem objektiem, lai parādītu ātrumu dažādos simulācijas punktos. Simulācija ir ierobežota arī ar to, ka lidmašīnu aproksimē, izmantojot plakanu plāksni, kā ātru, netīru aprēķinu. To var izmantot, lai tuvinātu pacelšanās spēka vienādojuma risinājumus.