Hoe de hefkracht te berekenen

Of je nu de vlucht bestudeert van vogels die met hun vleugels slaan om in de lucht op te stijgen of het opstijgen van gas uit een schoorsteen in de atmosfeer, kun je bestuderen hoe objecten zichzelf optillen tegen de zwaartekracht in om beter te leren over deze methoden van "vlucht."

Voor vliegtuigapparatuur en drones die door de lucht vliegen, hangt de vlucht ook af van het overwinnen van de zwaartekracht als verklaring voor de kracht van lucht tegen deze objecten sinds de gebroeders Wright de vliegtuig. Door de hefkracht te berekenen, kun je zien hoeveel kracht er nodig is om deze objecten de lucht in te sturen.

Voorwerpen die door de lucht vliegen, hebben te maken met de kracht van lucht die tegen zichzelf wordt uitgeoefend. Wanneer het object door de lucht naar voren beweegt, is de sleepkracht het deel van de kracht dat evenwijdig aan de bewegingsstroom werkt. Lift daarentegen is het deel van de kracht dat loodrecht staat op de stroom van lucht of een ander gas of vloeistof tegen het object.

Door de mens gemaakte vliegtuigen zoals raketten of vliegtuigen gebruiken de liftkrachtvergelijking van

voor hefkracht:L, liftcoëfficiëntC_L, dichtheid van het materiaal rond het objectρ("rho"), snelheidven vleugelgebiedEEN. De liftcoëfficiënt somt de effecten op van verschillende krachten op het object in de lucht, inclusief de viscositeit en samendrukbaarheid van lucht en de hoek van het lichaam ten opzichte van de stroom waardoor de vergelijking voor het berekenen van de lift veel is gemakkelijker.

Wetenschappers en ingenieurs bepalen doorgaans:C_Lexperimenteel door waarden van de liftkracht te meten en deze te vergelijken met de snelheid van het object, het gebied van de spanwijdte en de dichtheid van het vloeibare of gasvormige materiaal waarin het object is ondergedompeld. Een grafiek maken van lift vs. de hoeveelheid (v² A)/2zou u een lijn of reeks gegevenspunten geven die kunnen worden vermenigvuldigd met deC_Lom de liftkracht in de liftkrachtvergelijking te bepalen.

Meer geavanceerde rekenmethoden kunnen nauwkeurigere waarden van de liftcoëfficiënt bepalen. Er zijn echter theoretische manieren om de liftcoëfficiënt te bepalen. Om dit deel van de liftkrachtvergelijking te begrijpen, kun je kijken naar de afleiding van de liftkrachtformule en hoe de liftkrachtcoëfficiënt wordt berekend als resultaat van deze luchtkrachten op een object dat lift ondervindt.

Om rekening te houden met de talloze krachten die van invloed zijn op een object dat door de lucht vliegt, kunt u de liftcoëfficiënt definiërenC​_L net zo

voor hefkracht:L, oppervlakteSen vloeistof dynamische drukq, meestal gemeten in pascal. U kunt de vloeistofdynamische druk omzetten in zijn formule

​krijgen​

waarinρis de vloeistofdichtheid enjijis de stroomsnelheid. Uit deze vergelijking kun je deze herschikken om de liftkrachtvergelijking af te leiden.​

Deze dynamische vloeistofdruk en oppervlakte in contact met de lucht of vloeistof zijn beide ook sterk afhankelijk van de geometrie van het object in de lucht. Voor een object dat kan worden benaderd als een cilinder, zoals een vliegtuig, moet de kracht zich naar buiten uitstrekken vanaf het lichaam van het object. Het oppervlak is dan de omtrek van het cilindrische lichaam maal de hoogte of lengte van het object, waardoor jeS = C x h​.

Je kunt de oppervlakte ook interpreteren als een product van dikte, een hoeveelheid oppervlakte gedeeld door lengte,t, zodat, wanneer u de dikte vermenigvuldigt met de hoogte of lengte van het object, u een oppervlakte krijgt. In dit gevalS = t x h​.

Met de verhouding tussen deze variabelen van het oppervlak kunt u een grafiek maken of experimenteel meten hoe ze verschillen om de te bestuderen effect van ofwel de kracht rond de omtrek van de cilinder ofwel de kracht die afhangt van de dikte van de materiaal. Er bestaan ​​andere methoden voor het meten en bestuderen van objecten in de lucht met behulp van de liftcoëfficiënt.

Er zijn veel andere manieren om de liftcurvecoëfficiënt te benaderen. Omdat de liftcoëfficiënt veel verschillende factoren moet omvatten die van invloed zijn op de vlucht van een vliegtuig, kunt u deze ook gebruiken om de hoek te meten die een vliegtuig kan nemen ten opzichte van de grond. Deze hoek staat bekend als invalshoek (AOA), weergegeven door),α("alpha"), en je kunt de liftcoëfficiënt herschrijven

Met deze maat vanC_Ldie een extra afhankelijkheid heeft vanwege AOA α, kun je de vergelijking herschrijven als

en na het experimenteel bepalen van de liftkracht voor een enkele specifieke AOA, kunt u de algemene liftcoëfficiënt C. berekenen_L. Vervolgens kunt u proberen verschillende AOA's te meten om te bepalen welke waarden vanC_L0enCL​_​α​ zou het beste passen.Deze vergelijking gaat ervan uit dat de liftcoëfficiënt lineair verandert met AOA, dus er kunnen omstandigheden zijn waarin een nauwkeurigere coëfficiëntenvergelijking beter past.

Om AOA op liftkracht en liftcoëfficiënt beter te begrijpen, hebben ingenieurs bestudeerd hoe de AOA de manier waarop een vliegtuig vliegt verandert. Als u liftcoëfficiënten uitzet tegen AOA, kunt u de positieve waarde van de helling berekenen, die bekend staat als de tweedimensionale liftcurve-helling. Onderzoek heeft echter aangetoond dat na enige waarde van AOA, deC​_​L​ waarde daalt.

Deze maximale AOA staat bekend als het overtrekpunt, met een overeenkomstige overtreksnelheid en maximumC_Lwaarde. Onderzoek naar de dikte en kromming van vliegtuigmateriaal heeft manieren aangetoond om deze waarden te berekenen als je de geometrie en het materiaal van het object in de lucht kent.

NASA heeft een online applet om te laten zien hoe de liftvergelijking de vlucht van vliegtuigen beïnvloedt. Dit is gebaseerd op een liftcoëfficiëntcalculator en u kunt deze gebruiken om verschillende waarden in te stellen voor snelheid, hoek die de lucht inhoudt object neemt ten opzichte van de grond en het oppervlak dat de objecten hebben ten opzichte van het materiaal dat het vliegtuig omringt. Met de applet kun je zelfs historische vliegtuigen gebruiken om te laten zien hoe technische ontwerpen zich sinds de jaren 1900 hebben ontwikkeld.

De simulatie houdt geen rekening met de verandering in gewicht van het object in de lucht als gevolg van veranderingen in het vleugelgebied. Om te bepalen welk effect dat zou hebben, kunt u metingen doen aan verschillende oppervlaktewaarden gebieden zouden hebben op de hefkracht en bereken een verandering in hefkracht die deze oppervlakten zouden hebben oorzaak. Je kunt ook de zwaartekracht berekenen die verschillende massa's zouden hebben met behulp van W = mg voor gewicht als gevolg van zwaartekracht W, massa m en zwaartekrachtversnellingsconstante g (9,8 m/s)²).

U kunt ook een "sonde" gebruiken die u rond de objecten in de lucht kunt richten om de snelheid op verschillende punten in de simulatie te tonen. De simulatie is ook beperkt dat het vliegtuig wordt benaderd met behulp van een vlakke plaat als snelle, vuile berekening. U kunt dit gebruiken om oplossingen voor de liftkrachtvergelijking te benaderen.