Samolot może, ale nie musi być najbardziej zmieniającym życie wynalazkiem XX wieku; Można bez trudu przedstawić argumenty za wszelkiego rodzaju innymi innowacjami, w tym antybiotykami, procesorem komputerowym i pojawieniem się bezprzewodowej technologii globalnej komunikacji. Jednak niewiele z tych wynalazków, jeśli w ogóle, niesie ze sobą zarówno wizualną wielkość, jak i wrodzony ludzki duch odwagi i eksploracji, tak jak samolot.
Większość typowego samolotu jest w dużej mierze nie do odróżnienia od innych dużych pojazdów pasażerskich; składa się z przypominającego rurę przedziału, w którym siedzą pasażerowie, osoby odpowiedzialne i inne przewożone przedmioty. Ponadto większość samolotów ma koła; większość obserwatorów nie umieściłaby ich jako głównego elementu, ale większość samolotów nie mogłaby bez nich startować ani lądować.
Najwyraźniej jednak główna cecha fizyczna, która sprawia, że samolot natychmiast identyfikuje jego skrzydła. Do pewnego stopnia konstrukcje nośne, o których również przeczytasz, dodają charakterystycznemu wyglądowi samolotu, ale skrzydło jest w jakiś sposób najbardziej fascynujące; mimo zwodniczo podstawowego wyglądu skrzydło samolotu jest prawdziwym cudem inżynierii, a także niezbędnym do życia we współczesnej cywilizacji.
Aerodynamicznie aktywne części samolotu
Sterowanie samolotem wymaga nie tylkowinda(więcej o tym później), ale także pionowe i poziome urządzenia sterujące i stabilizujące. Poniższe informacje dotyczą standardowego samolotu pasażerskiego; oczywiście nie istnieje żaden projekt samolotu, a nawet pasażerskiego samolotu odrzutowego. Pomyśl o fizyce, a nie o konkretnych składnikach.
Rura lub korpus samolotu nazywa siękadłub samolotu. Skrzydła są przymocowane do kadłuba w punkcie mniej więcej w połowie jego długości. Same skrzydła mają z tyłu dwa zestawy ruchomych elementów; zewnętrzny zestaw tolotki, natomiast dłuższe, wewnętrzne nazywamy po prostuklapy. Zmieniają one odpowiednio przechylenie i opór samolotu, pomagając w sterowaniu i spowalniając samolot. Końcówki skrzydeł często mają małe ruchomeskrzydełka, które zmniejszają opór.
Części ogonowe samolotu obejmująpoziomyistabilizatory pionowe,pierwszy naśladuje maleńkie skrzydełka w orientacji i przechwałkiklapy windy, a te ostatnie, w tymster,podstawowe sposoby zmiany kursu poziomego przez samolot. Samolot, który miałby tylko silnik i skrzydła, ale bez steru, byłby jak potężny samochód bez kierownica i nie trzeba fizyka ani profesjonalnego kierowcy wyścigowego, aby dostrzec problemy tutaj.
Historia skrzydła samolotu
Orville i Wilbur Wrightprzypisuje się im pierwszy udany lot w 1903 roku w Północnej Karolinie w USA. Jak być może domyślasz się, nie byli oni zwykłymi śmiałkami którzy złożyli slapdash urządzenie z silnika i kilka lekkich desek i zrobili to, co akurat działało w ich przysługa. Wręcz przeciwnie, byli skrupulatnymi badaczami i rozumieli, że skrzydło będzie kluczowym aspektem każdego udanego mechanizmu latania samolotem. („samolot” to osobliwy, ale sympatyczny termin w świecie lotnictwa.)
Wrightowie mieli dostęp do danych z tunelu aerodynamicznego z Niemiec i wykorzystali je przy tworzeniu skrzydeł do szybowców, które poprzedziły ich słynną wersję z 1903 roku. Eksperymentowali z różnymi kształtami skrzydeł i odkryli, że te ze stosunkiem rozpiętości do szerokości skrzydeł w bliskiej odległości i bliskiej 6,4 do 1, wydawały się idealne; że to jest prawie idealneproporcjezostała potwierdzona nowoczesnymi metodami inżynierskimi.
Skrzydło to rodzaj płata, który jest przekrojem wszystkiego, co interesuje inżynierów w dziedzinie dynamiki płynów, takich jak żagle, śmigła i turbiny. Ta reprezentacja jest pomocna w rozwiązywaniu problemów, ponieważ zapewnia najlepszą wizualną reprezentację tego, jak wznosi się samolot i jak można to modulować za pomocą różnych kształtów skrzydeł i innych cech.
Podstawowe fakty dotyczące aerodynamiki
Być może w szkole lub po prostu oglądając wiadomości, widziałeś lub słyszałeś termin „winda” w odniesieniu do lotu. Czym jest winda w fizyce? Czy winda jest nawet mierzalna, czy jest mapowana na jeden?
Podnoszenie jest w rzeczywistości siłą, która z definicji przeciwstawia się działaniu obiektu .,waga. Waga z kolei to siła wytwarzana w wyniku oddziaływania grawitacji na obiekty omasa. Aby osiągnąć siłę nośną, należy zasadniczo przeciwdziałać grawitacji – a grawitacja „oszukuje” w tym pionowym przeciąganiu liny, ponieważ nigdy nie odpoczywa!
Winda jestwielkość wektorowa, jak wszystkie siły, a zatem ma zarówno składnik skalarny (jego liczbę lub wielkość) jak i określony kierunek (zazwyczaj zawierający dwa wymiary, oznaczony etykietąxitak, we wstępnych zagadnieniach fizyki). Wektor przebiega przez środek nacisku obiektu i jest skierowany prostopadle do kierunku przepływu płynu.
Winda wymagapłyn(gaz lub mieszanina gazów, takich jak powietrze lub ciecz, taka jak olej) jako medium. Tak więc ani obiekt stały, ani próżnia nie służą jako przyjazne środowisko latania; pierwsza z nich jest intuicyjnie oczywista, ale jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, czy możesz sterować samolotem w przestrzeni kosmicznej, manipulując jego skrzydłami lub ogonem, odpowiedź brzmi: nie; nie ma fizycznych „materiałów”, na które mogłyby się napierać części samolotu.
Równanie Bernoulliego
Wszyscy obserwowali wiry i prądy rzeki lub strumienia i zastanawiali się nad naturą przepływu płynów. Co się dzieje, gdy rzeka lub strumień nagle staje się znacznie węższy, bez zmiany głębokości? W rezultacie woda z rzeki przepływa znacznie szybciej. Wyższe prędkości oznaczają więcej energii kinetycznej, a wzrost energii kinetycznej zależy od pewnego wkładu energii do systemu w postaci pracy.
Jeśli chodzi o dynamikę płynów, kluczowe jest to, że ciśnienie P spadnie w szybko poruszających się płynach o gęstościρ, w tym powietrze. (Gęstość to masa podzielona przez objętość lub m/V.) Różne zależności między energią kinetyczną płynu (1/2)ρv2, jego energia potencjalna ρgh (gdziehto jakakolwiek zmiana wysokości, powyżej której występuje różnica ciśnień płynu) i ciśnienia całkowitegoPujmuje równanie rozsławione przez XVIII-wiecznego szwajcarskiego naukowcaDavid Bernoulli. Ogólny formularz jest napisany:
P+\frac{1}{2}\rho v^2+\rho gh= stała
Tutajsolto przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi, które ma wartość 9,8 m/s2. To równanie ma zastosowanie do niezliczonych sytuacji związanych z przepływem wody i gazów oraz ruchem obiektów w płynach, takich jak samoloty śmigające w powietrzu.
Fizyka lotu samolotem
Rozważając skrzydło samolotu, ostatni człon w równaniu Bernoulliego można pominąć, ponieważ skrzydło traktowane jest jako znajdujące się na jednakowej wysokości:
P+\frac{1}{2}\rho v^2= stała
Należy również pamiętać o równaniu ciągłości, które wiąże ciśnienie z powierzchnią przekroju poprzecznego skrzydła:
\rho Av=stała
Połączenie tych równań pokazuje, jak wytwarzana jest siła nośna. Co najważniejsze, różnica ciśnień między górną częścią skrzydła a spodem jest wynikiem różnych kształtów odpowiednich boków płata. Powietrze nad skrzydłem może poruszać się szybciej niż powietrze pod spodem, co powoduje rodzaj „zasysającego ciśnienia” z góry, które przeciwstawia się ciężarowi samolotu.
Oczywiście ruch do przodu samego samolotu jest tym, co powoduje ruch powietrza; prędkość pozioma samolotu jest tworzona przez nacisk jego silników odrzutowych na powietrze, a wypadkowa siła przeciwna wywierana na statek w tym kierunku jest nazywanaopór.
- Zatem podsumowanie sił działających w górę, w dół, do przodu i do tyłu na samolot i jego skrzydła widziane z jednej strony to:winda, waga, pchnięcieiopór.