Как рассчитать подъемную силу

Изучаете ли вы полет птиц, которые взмахивают крыльями, чтобы подняться в небо, или подъем газа из трубы в атмосфере, вы можете изучить, как объекты поднимаются против силы тяжести, чтобы лучше узнать об этих методах "полет."

Для авиационного оборудования и дронов, летающих в воздухе, полет также зависит от преодоления силы тяжести. как объяснение силы воздействия воздуха на эти объекты с тех пор, как братья Райт изобрели самолет. Расчет подъемной силы может сказать вам, сколько силы необходимо, чтобы отправить эти объекты в воздух.

Объекты, летящие по воздуху, должны иметь дело с силой воздуха, действующей против них самих. Когда объект движется вперед по воздуху, сила сопротивления - это часть силы, которая действует параллельно потоку движения. Подъемная сила, напротив, представляет собой часть силы, которая перпендикулярна потоку воздуха, другого газа или жидкости, направленного на объект.

Искусственные летательные аппараты, такие как ракеты или самолеты, используют уравнение подъемной силы

для подъемной силыL, коэффициент подъемной силыC_L, плотность материала вокруг объектаρ("ро"), скоростьvи площадь крылаА. Коэффициент подъемной силы суммирует воздействие различных сил на летающий объект, включая вязкость и сжимаемость воздуха и угол тела относительно потока, что делает уравнение для расчета подъемной силы более простой.

Ученые и инженеры обычно определяютC_Lэкспериментально, измеряя значения подъемной силы и сравнивая их со скоростью объекта, площадью размаха крыльев и плотностью жидкого или газового материала, в который погружается объект. Построение графика подъемной силы vs. количество (ρ v² А) / 2даст вам линию или набор точек данных, которые можно умножить наC_Lдля определения подъемной силы в уравнении подъемной силы.

Более совершенные вычислительные методы позволяют определять более точные значения коэффициента подъемной силы. Однако существуют теоретические способы определения коэффициента подъемной силы. Чтобы понять эту часть уравнения подъемной силы, вы можете взглянуть на вывод формулы подъемной силы и как рассчитывается коэффициент подъемной силы в результате воздействия этих воздушных сил на объект, испытывающий подъемную силу.

Чтобы учесть множество сил, воздействующих на объект, летящий по воздуху, вы можете определить коэффициент подъемной силыC​_L в виде

для подъемной силыL, площадь поверхностиSи гидродинамическое давлениеq, обычно измеряется в паскалях. Вы можете преобразовать динамическое давление жидкости в его формулу

​получить​

в которомρ- плотность жидкости итыскорость потока. Из этого уравнения вы можете перестроить его, чтобы получить уравнение подъемной силы.​

Это динамическое давление жидкости и площадь поверхности, контактирующей с воздухом или жидкостью, также сильно зависят от геометрии находящегося в воздухе объекта. Для объекта, который можно представить в виде цилиндра, такого как самолет, сила должна распространяться наружу от тела объекта. Тогда площадь поверхности будет равна длине окружности цилиндрического тела, умноженной на высоту или длину объекта, что дает вамS = C x h​.

Вы также можете интерпретировать площадь поверхности как произведение толщины, количества площади, разделенной на длину,т, так что, умножая толщину на высоту или длину объекта, вы получаете площадь поверхности. В таком случаеS = t x h​.

Соотношение между этими переменными площади поверхности позволяет графически или экспериментально измерить, как они различаются, чтобы изучить действие либо силы по окружности цилиндра, либо силы, зависящей от толщины материал. Существуют и другие методы измерения и изучения воздушных объектов с использованием коэффициента подъемной силы.

Есть много других способов аппроксимации коэффициента подъемной характеристики. Поскольку коэффициент подъемной силы должен включать множество различных факторов, влияющих на полет самолета, вы также можете использовать его для измерения угла, который самолет может принять относительно земли. Этот угол известен как угол атаки (AOA), представленныйα("альфа"), и вы можете переписать коэффициент подъемной силы

С этой меройC_Lкоторый имеет дополнительную зависимость из-за AOA α, вы можете переписать уравнение как

и, после экспериментального определения подъемной силы для одного конкретного AOA, вы можете рассчитать общий коэффициент подъемной силы C_L. Затем вы можете попробовать измерить различные АОА, чтобы определить, какие значенияC_L0а такжеCL​_​α​ подойдет лучше всего.Это уравнение предполагает, что коэффициент подъемной силы изменяется линейно с AOA, поэтому могут быть некоторые обстоятельства, при которых более точное уравнение коэффициента может лучше соответствовать.

Чтобы лучше понять AOA в отношении подъемной силы и коэффициента подъемной силы, инженеры изучили, как AOA изменяет способ полета самолета. Если вы построите график коэффициентов подъемной силы в зависимости от AOA, вы можете вычислить положительное значение наклона, которое известно как двумерный наклон кривой подъемной силы. Однако исследования показали, что после некоторого значения AOAC​_​L​ значение уменьшается.

Этот максимальный AOA известен как точка сваливания с соответствующей скоростью сваливания и максимальным значением.C_Lзначение. Исследования толщины и кривизны материала самолета показали способы расчета этих значений, если вы знаете геометрию и материал летящего объекта.

У НАСА есть онлайн-приложение, чтобы показать, как уравнение подъемной силы влияет на полет самолета. Это основано на калькуляторе коэффициента подъемной силы, и вы можете использовать его для установки различных значений скорости, угла, который летит в воздухе. объект занимает по отношению к земле и площади поверхности, которую объекты имеют относительно материала, окружающего самолет. Апплет даже позволяет использовать исторические самолеты, чтобы показать, как инженерные разработки развивались с 1900-х годов.

При моделировании не учитывается изменение веса летающего объекта из-за изменения площади крыла. Чтобы определить, какой эффект это будет иметь, вы можете измерить разные значения поверхности. площади поверхности на подъемную силу и рассчитать изменение подъемной силы, которое эти площади поверхности причина. Вы также можете рассчитать гравитационную силу, которую имели бы разные массы, используя W = mg для веса из-за силы тяжести W, массы m и постоянной гравитационного ускорения g (9,8 м / с²).

Вы также можете использовать «зонд», который вы можете направлять вокруг воздушных объектов, чтобы показать скорость в различных точках симуляции. Симуляция также ограничена тем, что самолет приближается с использованием плоской пластины в качестве быстрого и грязного расчета. Вы можете использовать это для приближенного решения уравнения подъемной силы.