Hur man beräknar lyftkraft

Oavsett om du studerar flygningen av fåglar som slår sina vingar för att stiga upp i himlen eller stiga av gas från en skorsten till atmosfären kan du studera hur föremål lyfter sig mot tyngdkraften för att bättre lära dig om dessa metoder för "flyg."

För flygutrustning och drönare som svävar genom luften beror flygningen också på att övervinna tyngdkraften som redovisar luftstyrkan mot dessa föremål ända sedan bröderna Wright uppfann flygplan. Beräkning av lyftkraften kan berätta hur mycket kraft som behövs för att skicka dessa föremål luftburen.

Föremål som flyger genom luften måste hantera den luftkraft som utövas mot sig själva. När objektet rör sig framåt genom luften är dragkraften den del av kraften som verkar parallellt med rörelseflödet. Lift är däremot den del av kraften som är vinkelrät mot luftflödet eller annan gas eller vätska mot föremålet.

Konstgjorda flygplan som raketer eller flygplan använder lyftkraftsekvationen av

för lyftkraft

Forskare och ingenjörer bestämmer vanligtvisC_Lexperimentellt genom att mäta värden på lyftkraften och jämföra dem med objektets hastighet, arean av vingbredden och densiteten hos det vätske- eller gasmaterial som objektet är nedsänkt i. Göra en graf över lift vs. mängden (ρ v² A) / 2ger dig en rad eller en uppsättning datapunkter som kan multipliceras medC_Lför att bestämma lyftkraften i lyftkraftsekvationen.

Mer avancerade beräkningsmetoder kan bestämma mer exakta värden för lyftkoefficienten. Det finns dock teoretiska sätt att bestämma lyftkoefficienten. För att förstå denna del av lyftkraftsekvationen, kan du titta på härledningen av lyftkraftsformeln och hur lyftkraftkoefficienten beräknas som ett resultat av dessa luftburna krafter på ett objekt som upplever lyft.

För att ta hänsyn till den myriad av krafter som påverkar ett objekt som flyger genom luften kan du definiera lyftkoefficientenC​_L som

för lyftkraftL, ytareaSoch flytande dynamiskt tryckq, vanligtvis mätt i pascal. Du kan konvertera det flytande dynamiska trycket till dess formel

​att få​

i vilkenρär vätskedensiteten ochuär flödeshastigheten. Från denna ekvation kan du ordna om den för att härleda lyftkraftsekvationen.​

Detta dynamiska vätsketryck och ytarea i kontakt med luften eller vätskan beror också mycket på geometrin hos det luftburna föremålet. För ett objekt som kan approximeras som en cylinder, till exempel ett flygplan, ska kraften spänna utåt från objektets kropp. Ytan skulle då vara den cylindriska kroppens omkrets gånger objektets höjd eller längd, vilket ger digS = C x h​.

Du kan också tolka ytarean som en tjocklek, en mängd yta dividerad med längd,t, så att när du multiplicerar tjockleken med objektets höjd eller längd får du yta. I detta fallS = t x h​.

Förhållandet mellan dessa variabler av ytarean låter dig rita eller experimentellt mäta hur de skiljer sig åt för att studera effekten av antingen kraften runt cylinderns omkrets eller den kraft som beror på tjockleken på material. Det finns andra metoder för att mäta och studera luftburna föremål med hjälp av lyftkoefficienten.

Det finns många andra sätt att approximera lyftkurvkoefficienten. Eftersom lyftkoefficienten måste omfatta många olika faktorer som påverkar flygplanets flygning kan du också använda den för att mäta vinkeln som ett plan kan ta i förhållande till marken. Denna vinkel är känd som angreppsvinkel (AOA), representerad avα("alfa") och du kan skriva om lyftkoefficienten

Med detta mått påC_Lsom har ytterligare beroende beroende på AOA α, kan du skriva om ekvationen som

och efter att du experimentellt har bestämt lyftkraften för en enskild specifik AOA kan du beräkna den allmänna lyftkoefficienten C_L. Sedan kan du försöka mäta olika AOA för att bestämma vilka värden påC_L0ochCL​_​α​ passar bäst.Denna ekvation antar att lyftkoefficienten ändras linjärt med AOA så det kan finnas vissa omständigheter under vilka en mer exakt koefficientekvation kan passa bättre.

För att bättre förstå AOA på lyftkraft och lyftkoefficient har ingenjörer studerat hur AOA förändrar hur ett flyg flyger. Om du graferar lyftkoefficienter mot AOA kan du beräkna det positiva värdet för lutningen, som kallas den tvådimensionella lutningskurvan. Forskning har dock visat att efter något värde av AOA,C​_​L​ värdet minskar.

Denna maximala AOA är känd som stopppunkten, med en motsvarande stopphastighet och maximalC_Lvärde. Forskning om tjocklek och krökning av flygmaterial har visat hur man beräknar dessa värden när man känner till det luftburna objektets geometri och material.

NASA har en online-applet för att visa hur hissekvationen påverkar flygplanets flygning. Detta baseras på en kalkylator för lyftkoefficient och du kan använda den för att ställa in olika hastighetsvärden, vinkel som luftburen objektet tar med hänsyn till marken och ytan som föremålen har mot materialet som omger flygplanet. Applet låter dig till och med använda historiska flygplan för att visa hur konstruerade mönster har utvecklats sedan 1900-talet.

Simuleringen tar inte hänsyn till vikten på det luftburna objektet på grund av förändringar i vingområdet. För att bestämma vilken effekt det skulle ha kan du göra mätningar av olika ytvärden områden skulle ha på lyftkraften och beräkna en förändring i lyftkraften som dessa ytarea skulle ha orsak. Du kan också beräkna den gravitationskraft som olika massor skulle ha med hjälp av W = mg för vikt på grund av gravitationen W, massa m och gravitationsaccelerationskonstanten g (9,8 m / s²).

Du kan också använda en "sond" som du kan rikta runt de luftburna föremålen för att visa hastigheten vid olika punkter längs simuleringen. Simuleringen är också begränsad att flygplanet approximeras med en platt platta som snabb, smutsig beräkning. Du kan använda detta för att approximera lösningar på lyftkraftsekvationen.