Znanost koja stoji iza krila aviona

dok Newton upoznaje Bernoullija, ljepljivost u zraku je ono što vas održava u životu.

Autor Omar Prestwich

Postoji li netko tko se nikada nije zapitao kako avion zapravo leti?

Problem oko pretraživanja stvari na mreži je nepostojanje algoritma koji kvantificira količinu sranja izloženih na web stranicama. Stoga, kada netko pokuša shvatiti što zapravo ide u tome da zrakoplovi lete, obično se događa jedna od dvije stvari:

a) nevjerojatno ste preplavljeni kontroverznim informacijama ili

b) jednostavno prihvaćate da postoji potisak, povlačenje, dizanje i težina i da je to sve što sigurno znate.

Izvor: NASA

Kažem to jer mi se dogodilo.

Ali nakon nekog iskustva, analize i dubljih istraživanja, evo razumno jednostavnog objašnjenja osnova iza aerodinamike krila.

Na makroskopskoj razini, gore navedene snage doista su ono što čini avion letanjem. S obzirom na osnovnu fiziku:

  • Potisak> Povlačenje: ubrzavate
  • Dizanje> Težina: dižete se
  • Povucite> Potisak: usporite
  • Težina> Dizanje: molite se

Ovo je tako jednostavno kao što dobiva.

Potisak se stvara pogonom motora. Povucite zbog otpora zraka. Težina zahvaljujući gravitaciji. Ali kako stvoriti lift?

Zapravo, magija se događa na krilima i da bismo razumjeli veliku sliku, prvo moramo pogledati na mikroskopsku razinu.

Neka teorija dinamike fluida

Kažu kad postoji volja, postoji način. U dinamici tekućine, kada padne pritisak, postoji i način Tekućine se obično kreću od mjesta sa višim tlakom do područja pod nižim tlakom. To je u osnovi ono što čini kretanje tekućine unutar cijevi! Protok trpi kontinuirani gubitak tlaka uslijed trenja o zidu, pa se stvara P1> P2 i tako stvara neto sila koja održava protok naprijed:

Izvor: LMNO Engineering

Ovaj fenomen je Sveti Gral nekoliko inženjerskih primjena koje uključuju protok tekućine. Imajte na umu ako želite razumjeti protoke: tekućina ima tendenciju prelaska s višeg na niži tlak!

Dakle ... avioni!

Zamislite sebe kao pasivne čestice zraka koje promatraju avion.

Zrakoplov se kreće naprijed velikom brzinom zbog pogona i neprekidno leti u nepomični zrak.

Upoznajte Airfoil, presjek krila aviona:

Izvor: objašnjenje

1. Sve se odnosi na pritisak

Kad se čestice zraka nađu na prednjem dijelu krila, zrak će se podijeliti u dva smjera: gore i dolje od vodećeg ruba.

Evo prve objave: dizanje se stvara dijelom jer je prosječna kontura tlaka na dnu krila veća od pritiska na vrhu.

I evo zašto:

Krilni pokus u eksperimentu u tunelima za vjetar. Izvor: Krila ne sisaju

Kad zrak naiđe na krilo, donja površina će saviti zrak, gurajući ga prema naprijed i prema dolje, povećavajući pritisak ispod krila (crvene i narančaste strelice na slici).

Ista stvar se događa na trenutak na gornjoj površini: udarni val nastaje kada zrak pogodi vodeći rub krila, povećavajući pritisak na vrhu krila (ružičaste i žute strelice).

To je upravo isti učinak kao morski valovi koji dolaze s vrha broda koji se kreće prema naprijed.

Ali čim zrak krene dalje „nizbrdo“ krila, nailazi na „skriveno“ područje koje nije izloženo dinamičkom dolaznom zraku, zbog visokog napadnog kuta (AoA):

Izvor: Quora (adaptirano)

To je područje obično tanje od vodećeg ruba, stvarajući nekakav "jaz" da bi se zrak mogao "ispuniti", a ova nagla promjena smjera i povećani prostor za ulazni protok uzrokuju pad tlaka.

U ovom trenutku će se zrak na ovoj „skrivenoj“ površini ubrzati uslijed pada tlaka koji je pretrpio, pa strujnice gornje površine krila prvo dođu do vodećeg ruba u odnosu na tokove donje strane:

Krilni pokus u eksperimentu u tunelima za vjetar. Izvor: protok zraka kroz krilo

To se može povezati s Bernoullijevim principom! Bernoullijev princip kaže da postoji obrnuta veza između tlaka i brzine u protoku tekućine. Što se brži protok kreće, to će manje pritiska djelovati fluidne čestice.

2. Lift generacija: to je Newton dijete

Spomenuti gradijenti tlaka na kraju su dobri iz jednog, solidnog razloga: svaka akcija stvara suprotnu reakciju, npr. Newtonov 3. zakon (karma).

  • ako gradijenti tlaka stvaraju neto tlačnu silu zbog tendencije tekućine da prelazi s visokog na niski tlak, zračna folija trpi gornju neto silu zbog prosječne razlike tlaka između gornje i donje površine.
  • krilo savija zrak prema dolje, tako da čvrsto krilo djeluje naniže i naprijed usmjerenu silu na fluid. Prema Newtonovom trećem zakonu, fluid će stoga primijeniti sila usmjerenu prema gore i nazad na krilo, rezultirajuća sila:
Izvor: Zrakoplovstvo

pri čemu se gornja komponenta naziva Podizanje, a povratna komponenta, inducirano povlačenje.

Da bismo u potpunosti razumjeli zašto je to moguće, važno je razmotriti razlog zašto zrak zapravo ostaje pričvršćen na površinu krila. Jeste li ikad razmišljali o tome?

3. Zrak prati oblik krila i ... drži se ?!

Pozdravi Pascalov zakon.

Zrak oko aviona je na karakterističnoj vrijednosti tlaka za datu visinu. Nazovimo to jednostavno atmosferskim pritiskom.

Pascalov zakon kaže da se pritisak koji djeluje na česticu tekućine prenosi jednako u svim smjerovima, što znači da cijela površina krila neprestano pod pritiskom atmosferskog zraka oko njega.

Zrak je prirodno viskozan, što znači da je ljepljiv i želi se ljepiti na svaku površinu nalazi, stvarajući nešto što se naziva granični sloj.

Izvor: Kako stvari lete

Da zrak ne bi bio viskozan, ne bi bilo ničega letjeti jer bi jednostavno ignorirao bilo koju površinu, umjesto da djeluje na nju.

Zbog toga se mogu dogoditi padi aviona kada se na ravninskim krilima formira led: to bi uklonilo granični sloj s površine i stvorilo aerodinamičnu usporavanje.

Stoga,

  • atmosferski tlak koji djeluje na krilima + prirodna viskoznost zraka = misterija je riješena: protok se zadržava na površini.

Također možete povezati ove pojave s Newtonovim prvim zakonom: tijelo koje se kreće u određenom smjeru nastavit će se kretati svojom putanjom ako na njega ne djeluje vanjska sila.

Smiješno kako se stvari međusobno povezuju.

Ostanite znatiželjni!