Niezależnie od tego, czy studiujesz lot ptaków, które machają skrzydłami, by wzbić się w niebo, czy unoszenie się gazu z komina do atmosfery, możesz zbadać, jak przedmioty unoszą się pod wpływem siły grawitacji, aby lepiej poznać te metody "lot."
W przypadku wyposażenia samolotu i dronów, które szybują w powietrzu, lot zależy również od pokonania grawitacji jako wyjaśnienie siły powietrza działającej na te obiekty, odkąd bracia Wright wynaleźli samolot. Obliczenie siły udźwigu może określić, jaka siła jest potrzebna do wyrzucenia tych obiektów w powietrze.
Równanie siły nośnej
Obiekty latające w powietrzu muszą radzić sobie z siłą powietrza wywieraną na siebie. Kiedy obiekt porusza się do przodu w powietrzu, siła oporu jest częścią siły, która działa równolegle do przepływu ruchu. Natomiast unoszenie jest częścią siły, która jest prostopadła do przepływu powietrza lub innego gazu lub płynu na obiekt.
Samoloty wykonane przez człowieka, takie jak rakiety lub samoloty, wykorzystują równanie siły nośnej
L=\frac{C_L\rho v^2 A}{2}
dla siły nośnejL, współczynnik podnoszeniadoL, gęstość materiału wokół obiektuρ("rho"), prędkośćvi obszar skrzydłaZA. Współczynnik siły nośnej sumuje wpływ różnych sił na obiekt w powietrzu, w tym lepkość i ściśliwość powietrza i kąt nachylenia ciała względem przepływu, co daje równanie do obliczania siły nośnej dużo prościej.
Naukowcy i inżynierowie zazwyczaj określajądoLeksperymentalnie mierząc wartości siły nośnej i porównując je z prędkością obiektu, obszarem rozpiętości skrzydeł oraz gęstością cieczy lub gazu, w którym zanurzony jest obiekt. Tworzenie wykresu windy vs. ilość (ρ v2 A)/2da ci linię lub zestaw punktów danych, które można pomnożyć przezdoLaby określić siłę nośną w równaniu siły nośnej.
Bardziej zaawansowane metody obliczeniowe pozwalają określić dokładniejsze wartości współczynnika siły nośnej. Istnieją jednak teoretyczne sposoby określania współczynnika siły nośnej. Aby zrozumieć tę część równania siły nośnej, możesz spojrzeć na wyprowadzenie wzoru siły nośnej i jak obliczany jest współczynnik siły nośnej w wyniku działania sił powietrznych na obiekt doświadczający siły nośnej.
Wyprowadzenie równania windy
Aby uwzględnić niezliczone siły, które oddziałują na obiekt lecący w powietrzu, możesz zdefiniować współczynnik siły nośnejdoL tak jak
C_L=\frac{L}{qS}
dla siły nośnejL, powierzchniaSi dynamiczne ciśnienie płynuq, zwykle mierzone w paskalach. Możesz przekształcić dynamiczne ciśnienie płynu w jego formułę
q=\frac{\rho u^2}{2}
dostać
C_L=\frac{2L}{\rho u^2 S}
w którymρjest gęstość płynu ityto prędkość przepływu. Z tego równania możesz je zmienić, aby uzyskać równanie siły nośnej.
To dynamiczne ciśnienie płynu i powierzchnia stykająca się z powietrzem lub płynem również w dużym stopniu zależą od geometrii obiektu unoszącego się w powietrzu. W przypadku obiektu, który można aproksymować jako cylinder, taki jak samolot, siła powinna rozciągać się na zewnątrz ciała obiektu. Pole powierzchni byłoby zatem obwodem cylindrycznego ciała razy wysokość lub długość obiektu, co dajeS = C x h.
Możesz również zinterpretować pole powierzchni jako iloczyn grubości, ilości powierzchni podzielonej przez długość,t, tak że gdy pomnożysz grubość razy wysokość lub długość obiektu, otrzymasz pole powierzchni. W tym przypadkuS = t x h.
Stosunek między tymi zmiennymi pola powierzchni pozwala wykreślić lub eksperymentalnie zmierzyć, jak się różnią, aby zbadać wpływ siły na obwodzie cylindra lub siły zależnej od grubości materiał. Istnieją inne metody pomiaru i badania obiektów powietrznych z wykorzystaniem współczynnika siły nośnej.
Inne zastosowania współczynnika podnoszenia
Istnieje wiele innych sposobów aproksymacji współczynnika krzywej nośności. Ponieważ współczynnik nośności musi obejmować wiele różnych czynników wpływających na lot samolotu, można go również użyć do pomiaru kąta, jaki samolot może przyjąć względem ziemi. Ten kąt jest znany jako kąt natarcia (AOA), reprezentowany przezα("alfa") i możesz przepisać współczynnik wzrostu
C_L=C_{LO}+C_{L\alfa}\alfa
Z tą miarądoLktóry ma dodatkową zależność ze względu na AOA α, możesz przepisać równanie jako
\alfa = \frac{C_L+C_{LO}}{C_{L\alfa}}
a po eksperymentalnym określeniu siły nośnej dla pojedynczego konkretnego AOA można obliczyć ogólny współczynnik nośności CL. Następnie możesz spróbować zmierzyć różne AOA, aby określić, jakie wartościdoL0iCLα pasowałby najlepiej.To równanie zakłada, że współczynnik podnoszenia zmienia się liniowo wraz z AOA, więc mogą zaistnieć pewne okoliczności, w których dokładniejsze równanie współczynnika może być lepiej dopasowane.
Aby lepiej zrozumieć AOA w odniesieniu do siły nośnej i współczynnika nośności, inżynierowie zbadali, w jaki sposób AOA zmienia sposób lotu samolotu. Jeśli wykreślisz współczynniki podnoszenia względem AOA, możesz obliczyć dodatnią wartość nachylenia, która jest znana jako dwuwymiarowe nachylenie krzywej podnoszenia. Badania wykazały jednak, że po pewnej wartości AOA,doL wartość maleje.
Ten maksymalny kąt natarcia jest znany jako punkt przeciągnięcia, z odpowiednią prędkością przeciągnięcia i maksimumdoLwartość. Badania nad grubością i krzywizną materiału samolotu wykazały sposoby obliczania tych wartości, gdy znasz geometrię i materiał unoszącego się obiektu.
Kalkulator równań i współczynników siły nośnej
NASA ma internetowy aplet, który pokazuje, jak równanie windy wpływa na lot samolotu. Opiera się to na kalkulatorze współczynnika siły nośnej i można go użyć do ustawienia różnych wartości prędkości, kąta unoszenia się w powietrzu obiekt przyjmuje w odniesieniu do podłoża i powierzchni, jaką obiekty mają w stosunku do materiału otaczającego samolot. Aplet pozwala nawet wykorzystać historyczne samoloty, aby pokazać, jak ewoluowały projekty inżynieryjne od XX wieku.
Symulacja nie uwzględnia zmiany masy obiektu latającego w wyniku zmian w obszarze skrzydła. Aby określić, jaki to miałoby efekt, możesz wykonać pomiary różnych wartości powierzchni powierzchnie miałyby wpływ na siłę nośną i oblicz zmianę siły nośnej, którą te powierzchnie miałyby przyczyna. Możesz również obliczyć siłę grawitacyjną, którą miałyby różne masy używając W = mg dla ciężaru z powodu grawitacji W, masy m i stałej przyspieszenia grawitacyjnego g (9,8 m/s2).
Możesz także użyć „sondy”, którą możesz kierować wokół obiektów latających, aby pokazać prędkość w różnych punktach symulacji. Symulacja jest również ograniczona, że samolot jest aproksymowany przy użyciu płaskiej płyty jako szybkie, brudne obliczenie. Możesz użyć tego do przybliżenia rozwiązań równania siły nośnej.