Indiferent dacă studiați zborul păsărilor care își bat aripile pentru a se ridica în cer sau creșterea gazului dintr-un coș de fum atmosfera, puteți studia modul în care obiectele se ridică împotriva forței gravitaționale pentru a afla mai bine despre aceste metode de "zbor."
Pentru echipamentele aeronavelor și dronele care se ridică prin aer, zborul depinde și de depășirea gravitației ca reprezentând forța aerului împotriva acestor obiecte încă de când frații Wright au inventat avion. Calculul forței de ridicare vă poate spune câtă forță este necesară pentru a trimite aceste obiecte în aer.
Ecuația forței de ridicare
Obiectele care zboară prin aer trebuie să se ocupe de forța aerului exercitată împotriva lor. Când obiectul se mișcă înainte prin aer, forța de tracțiune este partea forței care acționează paralel cu fluxul de mișcare. În schimb, ridicarea este partea forței care este perpendiculară pe fluxul de aer sau un alt gaz sau fluid împotriva obiectului.
Avioanele create de om, cum ar fi rachetele sau avioanele, utilizează ecuația forței de ridicare a
L = \ frac {C_L \ rho v ^ 2 A} {2}
pentru forta de ridicareL, coeficient de ridicareCL, densitatea materialului din jurul obiectuluiρ("rho"), vitezavși zona aripiiA. Coeficientul de ridicare rezumă efectele diferitelor forțe asupra obiectului aerian, inclusiv vâscozitatea și compresibilitatea aerului și unghiul corpului față de debit, ceea ce face ca ecuația de calcul a ridicării să fie mult mai mare mai simplu.
Oamenii de știință și inginerii determină de obiceiCLexperimental, măsurând valorile forței de ridicare și comparându-le cu viteza obiectului, aria anvergurii aripilor și densitatea materialului lichid sau gazos în care este scufundat obiectul. Realizarea unui grafic al ascensiunii vs. cantitatea de (ρ v2 A) / 2ți-ar oferi o linie sau un set de puncte de date care pot fi înmulțite cuCLpentru a determina forța de ridicare în ecuația forței de ridicare.
Metode de calcul mai avansate pot determina valori mai precise ale coeficientului de ridicare. Există totuși modalități teoretice de determinare a coeficientului de ridicare. Pentru a înțelege această parte a ecuației forței de ridicare, puteți analiza derivarea formulei forței de ridicare și modul în care se calculează coeficientul forței de ridicare ca urmare a acestor forțe aeriene pe un obiect care se confruntă cu ridicarea.
Derivație de ecuație de ridicare
Pentru a ține cont de nenumăratele forțe care afectează un obiect care zboară prin aer, puteți defini coeficientul de ridicareCL la fel de
C_L = \ frac {L} {qS}
pentru forta de ridicareL, suprafațăSși presiunea dinamică a fluiduluiq, de obicei măsurată în pascale. Puteți converti presiunea dinamică a fluidului în formula sa
q = \ frac {\ rho u ^ 2} {2}
a obține
C_L = \ frac {2L} {\ rho u ^ 2 S}
in careρeste densitatea fluidului șitueste viteza de curgere. Din această ecuație, o puteți rearanja pentru a obține ecuația forței de ridicare.
Această presiune dinamică a fluidului și suprafața în contact cu aerul sau fluidul depind, de asemenea, în mare măsură de geometria obiectului aerian. Pentru un obiect care poate fi aproximat ca un cilindru, cum ar fi un avion, forța ar trebui să se extindă în afara corpului obiectului. Suprafața, atunci, ar fi circumferința corpului cilindric de ori înălțimea sau lungimea obiectului, oferindu-văS = C x h.
De asemenea, puteți interpreta suprafața ca un produs de grosime, o cantitate de suprafață împărțită la lungime,t, astfel încât, atunci când multiplicați grosimea de înălțimea sau lungimea obiectului, veți obține suprafață. În acest cazS = t x h.
Raportul dintre aceste variabile de suprafață vă permite să graficați sau să măsurați în mod experimental diferența dintre acestea pentru a studia efectul fie al forței din jurul circumferinței cilindrului, fie al forței care depinde de grosimea cilindrului material. Există și alte metode de măsurare și studiere a obiectelor aeropurtate folosind coeficientul de ridicare.
Alte utilizări ale coeficientului de ridicare
Există multe alte modalități de a aproxima coeficientul curbei de ridicare. Deoarece coeficientul de ridicare trebuie să cuprindă mulți factori diferiți care afectează zborul aeronavei, îl puteți utiliza și pentru a măsura unghiul pe care un avion îl poate lua în raport cu solul. Acest unghi este cunoscut sub numele de unghi de atac (AOA), reprezentat deα(„alfa”) și puteți scrie din nou coeficientul de ridicare
C_L = C_ {LO} + C_ {L \ alpha} \ alpha
Cu această măsură deCLcare are o dependență suplimentară datorită AOA α, puteți rescrie ecuația ca
\ alpha = \ frac {C_L + C_ {LO}} {C_ {L \ alpha}}
și, după determinarea experimentală a forței de ridicare pentru un singur AOA specific, puteți calcula coeficientul general de ridicare CL. Apoi, puteți încerca să măsurați diferite AOA-uri pentru a determina ce valori aleCL0șiCLα s-ar potrivi cel mai bine.Această ecuație presupune că coeficientul de ridicare se modifică liniar cu AOA, astfel încât pot exista anumite circumstanțe în care o ecuație de coeficient mai precisă se pot potrivi mai bine.
Pentru a înțelege mai bine AOA privind forța de ridicare și coeficientul de ridicare, inginerii au studiat modul în care AOA schimbă modul în care zboară un avion. Dacă reprezentați coeficienții de ridicare în raport cu AOA, puteți calcula valoarea pozitivă a pantei, cunoscută sub numele de panta bidimensională a curbei de ridicare. Cercetările au arătat, totuși, că, după o anumită valoare a AOA,CL valoarea scade.
Acest AOA maxim este cunoscut sub numele de punct de blocare, cu o viteză de blocare corespunzătoare și maximăCLvaloare. Cercetările privind grosimea și curbura materialului aeronavei au arătat modalități de a calcula aceste valori atunci când cunoașteți geometria și materialul obiectului aerian.
Calculator de ecuație și coeficient de ridicare
NASA are un applet online pentru a arăta modul în care ecuația de ridicare are impact asupra zborului aeronavelor. Aceasta se bazează pe un calculator al coeficientului de ridicare și îl puteți folosi pentru a seta diferite valori ale vitezei, unghiul pe care îl are aerul obiectul ia în raport cu solul și suprafața pe care obiectele o au împotriva materialului care înconjoară aeronava. Aplicația vă permite chiar să utilizați avioane istorice pentru a arăta cum au evoluat proiectele tehnice începând cu anii 1900.
Simularea nu ține cont de schimbarea în greutate a obiectului aerian datorită modificărilor din zona aripii. Pentru a determina ce efect ar avea, puteți efectua măsurători ale diferitelor valori ale suprafeței zonele ar avea pe forța de ridicare și se calculează o modificare a forței de ridicare pe care ar avea aceste suprafețe de suprafață cauză. De asemenea, puteți calcula forța gravitațională pe care o vor avea diferite mase folosind W = mg pentru greutate datorită gravitației W, masa m și constanta de accelerație gravitațională g (9,8 m / s2).
De asemenea, puteți utiliza o „sondă” pe care o puteți direcționa în jurul obiectelor aeropurtate pentru a arăta viteza în diferite puncte de-a lungul simulării. Simularea este limitată, de asemenea, ca aeronava să fie aproximată folosind o placă plată ca calcul rapid și murdar. Puteți utiliza acest lucru pentru a aproxima soluții la ecuația forței de ridicare.