Hvordan beregne løftekraft

Enten du studerer fugleflukten som slår vingene for å stige opp til himmelen eller stigningen av gass fra en skorstein til atmosfæren, kan du studere hvordan gjenstander løfter seg mot tyngdekraften for bedre å lære om disse metodene for "flygning."

For flyutstyr og droner som svever gjennom luften, avhenger flyet også av å overvinne tyngdekraften som regnskap for luftstyrken mot disse gjenstandene helt siden Wright-brødrene oppfant fly. Beregning av løftekraften kan fortelle deg hvor mye kraft som trengs for å sende disse gjenstandene i luften.

Gjenstander som flyr gjennom luften må takle luftkraften som utøves mot seg selv. Når objektet beveger seg fremover gjennom luften, er dragkraften den delen av kraften som virker parallelt med bevegelsesflyten. Lift er derimot den delen av kraften som er vinkelrett på luftstrømmen eller en annen gass eller væske mot gjenstanden.

Menneskeskapte fly som raketter eller fly bruker løftekraftsligningen av

for løftekraftL, løftekoeffisientC_L, tetthet av materialet rundt objektetρ("rho"), hastighetvog vingearealEN. Heisekoeffisienten oppsummerer effekten av forskjellige krefter på den luftbårne gjenstanden, inkludert viskositeten og kompressibilitet av luft og kroppens vinkel i forhold til strømmen, noe som gjør ligningen for beregning av løft mye mer simpelt.

Forskere og ingeniører bestemmer vanligvisC_Leksperimentelt ved å måle verdiene til løftekraften og sammenligne dem med objektets hastighet, arealet av vingespennet og tettheten av væsken eller gassmaterialet objektet er nedsenket i. Lage en graf over løft vs. mengden av (ρ v² A) / 2vil gi deg en linje eller et sett med datapunkter som kan multipliseres medC_Lfor å bestemme løftekraften i løftekraftligningen.

Mer avanserte beregningsmetoder kan bestemme mer presise verdier av heisekoeffisienten. Det er imidlertid teoretiske måter å bestemme heisekoeffisienten på. For å forstå denne delen av løftekraftsligningen, kan du se på avledningen av løftekraftformelen og hvordan løftekraftkoeffisienten beregnes som et resultat av disse luftbårne kreftene på et objekt som opplever heis.

For å redegjøre for utallige krefter som påvirker et objekt som flyr gjennom luften, kan du definere heisekoeffisientenC​_L som

for løftekraftL, flatearealSog flytende dynamisk trykkq, vanligvis målt i pascal. Du kan konvertere det flytende dynamiske trykket til formelen

​å få​

derρer væsketettheten oguer strømningshastigheten. Fra denne ligningen kan du omorganisere den for å utlede ligningskraftens ligning.​

Dette dynamiske væsketrykket og overflatearealet i kontakt med luften eller væsken avhenger begge sterkt av geometrien til den luftbårne gjenstanden. For et objekt som kan være tilnærmet som en sylinder, for eksempel et fly, skal kraften spenne utover fra objektets kropp. Overflaten ville da være omkretsen av det sylindriske legemet ganger høyden eller lengden på gjenstanden, noe som gir degS = C x h​.

Du kan også tolke overflatearealet som et tykkelsesprodukt, en mengde areal delt på lengde,t, slik at når du multipliserer tykkelsen ganger gjenstandens høyde eller lengde, får du overflateareal. I dette tilfelletS = t x h​.

Forholdet mellom disse variablene på overflatearealet lar deg tegne graf eller eksperimentelt måle hvordan de er forskjellige for å studere effekten av enten kraften rundt omkretsen av sylinderen eller kraften som avhenger av tykkelsen på materiale. Det finnes andre metoder for å måle og studere luftbårne gjenstander ved hjelp av løftekoeffisienten.

Det er mange andre måter å tilnærme seg heiskurvekoeffisienten. Fordi heisekoeffisienten må omfatte mange forskjellige faktorer som påvirker flyets fly, kan du også bruke den til å måle vinkelen et fly kan ta i forhold til bakken. Denne vinkelen er kjent som angrepsvinkel (AOA), representert vedα("alfa"), og du kan omskrive heisekoeffisienten

Med dette tiltaket avC_Lsom har en ekstra avhengighet på grunn av AOA α, kan du skrive ligningen på nytt som

og etter eksperimentelt å bestemme løftekraften for en enkelt spesifikk AOA, kan du beregne den generelle løftekoeffisienten C_L. Deretter kan du prøve å måle forskjellige AOAer for å bestemme hvilke verdier avC_L0ogCL​_​α​ passer best.Denne ligningen antar at heisekoeffisienten endres lineært med AOA, så det kan være noen omstendigheter der en mer nøyaktig koeffisientligning kan passe bedre.

For å bedre forstå AOA på løftekraft og løftekoeffisient, har ingeniører studert hvordan AOA endrer måten et fly flyr på. Hvis du tegner grafiske løftekoeffisienter mot AOA, kan du beregne den positive verdien av skråningen, som er kjent som den todimensjonale løftkurvehellingen. Forskning har imidlertid vist at etter noen verdi av AOA, harC​_​L​ verdien synker.

Denne maksimale AOA er kjent som stopppunktet, med en tilsvarende stopphastighet og maksimumC_Lverdi. Forskning på tykkelse og krumning av flymateriale har vist måter å beregne disse verdiene når du kjenner geometrien og materialet til den luftbårne gjenstanden.

NASA har en online applet for å vise hvordan heisligningen påvirker flyets fly. Dette er basert på en løftekoeffisientkalkulator, og du kan bruke den til å angi forskjellige hastighetsverdier, vinkel som luftbåren gjenstand tar med hensyn til bakken og overflaten som gjenstandene har mot materialet som omgir flyet. Appleten lar deg til og med bruke historiske fly for å vise hvordan konstruerte design har utviklet seg siden 1900-tallet.

Simuleringen tar ikke hensyn til vektendringen til den luftbårne gjenstanden på grunn av endringer i vingområdet. For å bestemme hvilken effekt det ville ha, kan du måle forskjellige verdier av overflaten områder ville ha på løftekraften og beregne en endring i løftekraft som disse overflatearealene ville ha årsaken. Du kan også beregne gravitasjonskraften som forskjellige masser ville ha ved å bruke W = mg for vekt på grunn av tyngdekraften W, masse m og gravitasjonsakselerasjonskonstanten g (9,8 m / s²).

Du kan også bruke en "sonde" som du kan rette rundt de luftbårne objektene for å vise hastigheten på forskjellige punkter langs simuleringen. Simuleringen er også begrenset med at flyet tilnærmes ved hjelp av en flat plate som rask, skitten beregning. Du kan bruke dette til å tilnærme løsninger på løftekraftsligningen.