Científico-técnicos de los mitos. ¿Por qué vuelan los aviones

En el mundo de hoy, muchas personas están interesadas en la ciencia y la tecnología y tratar de, al menos, en términos generales, entender cómo funcionan las cosas que les rodean. Gracias a este compromiso con la educación existe científica y divulgación de la literatura y sitios web.

Y ya que leer y asimilar las filas de las fórmulas de la mayoría de la gente difícil, que se exponen en este tipo de publicaciones de la teoría inevitablemente expuestos a la considerable simplificación, en un intento de transmitir al lector la "esencia" de las ideas mediante la simple y explicar que es fácil de entender y de recordar.






Desafortunadamente, algunas de estas "simples explicaciones", que son del todo incorrectas, pero que resultan ser tan "evidentes", que sin ser sometido a un especial de la duda, comienzan a кочевать de una edición a otra, y a menudo se convierten en dominantes punto de vista, a pesar de su falsedad.

Como uno de los ejemplos de intentar responder a una pregunta simple: "¿de dónde viene la fuerza de sustentación en el ala de un avión?




Si en Su explicación figuran "diferente de la longitud de la parte superior e inferior de la superficie del ala", "diferente de la velocidad de flujo de aire en la parte superior e inferior de los bordes de las alas" y "la ley de bernoulli", me veo obligado a decirle que Usted es más probable víctima de un mito popular que se enseña a veces incluso en el currículo escolar.

Veamos, para empezar, recordemos que se trata




La explicación de la sustentación del ala, en el marco del mito es el siguiente:

1. El ala tiene jack el perfil de abajo y de arriba

2. Un flujo continuo de aire se divide el ala en dos partes, una de ellas pasa por encima del ala y la otra debajo de ella

3. Consideramos ламинарное ajuste, en el que el flujo de aire se adhiera bien a la superficie del ala

4. Porque el perfil de несимметричен, para volver a ponerme detrás del ala en el punto uno "superior" flujo necesario hacer más camino que el de "abajo", por lo que el aire sobre las alas tienen que moverse con mayor velocidad que bajo él

5. Según la ley de bernoulli, la presión estática en el flujo disminuye con el aumento de la velocidad de la corriente, por lo tanto, en el flujo sobre el ala presión estática será la siguiente

6.Diferencia de presión en el flujo de debajo del ala y por encima de ella y es la fuerza de sustentación

Y para demostrar esta idea, el simple flexible y fácil de la hoja de papel. Tomamos la hoja de cálculo, ofrecemos a su boca, y дуем sobre él para crear un modelo en el que el flujo de aire sobre la hoja de papel se mueve más rápido que bajo él. Y listo — con el primer o segundo intento, una hoja de papel habiendo desafiado la gravedad realmente se levanta bajo la acción de la fuerza de elevación hacia arriba. El teorema demostrado!

... o todavía no?..

Hay una historia que (yo la verdad no sé qué tan cierto), de que una de las primeras personas que ofrecieron, dicha teoría no era otro que el mismo albert einstein. Según la historia, en 1916 escribió el artículo correspondiente y en función de ella ofreció su versión de la "perfecta ala", que, a su juicio, максимизировало la diferencia de velocidades sobre las alas, y debajo de ella, y en el perfil se veía así:




En el túnel de viento продули un modelo completo del ala con este perfil, pero por desgracia su aerodinámica de la calidad, se encontraron en la rareza de las malas. La diferencia es irónico! — de muchas de las alas perfectamente simétrica perfil, en la que el camino del aire sobre las alas, y debajo de ella iba a ser en principio es el mismo.

En el razonamiento de einstein claramente que algo estaba mal. Y probablemente la más clara manifestación de la maldad, es que algunos pilotos como el estudio de un truco de acero volar en sus aviones de arriba hacia abajo.

El primero de los aviones que han intentado darse la vuelta en vuelo, hubo problemas con el combustible y el aceite, que no contaban con un porcentaje de allí donde se necesita, y salía de allí, donde no es necesario, pero después de que en los años 30 del siglo pasado por la аэробатики se han creado de combustible y de aceite del sistema, capaces de funcionar durante mucho tiempo en la posición invertida, el vuelo "patas arriba" normal espectáculo en el salón aeronáutico.

En 1933, por ejemplo, un estadounidense no hizo el vuelo hacia arriba, los pies de san diego, en los ángeles. De alguna mágica manera invertida ala sigue генерировало la fuerza de sustentación, que apunta hacia arriba.




Mira esta imagen muestra al avión, similar a la que se ha instalado el récord de vuelo en posición invertida. Tenga en cuenta un perfil de ala (Boeing-106B airfoil) que, de acuerdo con los pasos anteriores razonamientos, debe crear una fuerza de elevación de la superficie inferior a la parte superior.

Así pues, nuestro modelo básico de sustentación del ala hay algunas dificultades, que en general pueden reducir a dos simples observaciones:

1. La fuerza de sustentación de un ala depende de la orientación relativa del vario de aire — el ángulo de ataque

2. Simétricas perfiles (incluyendo el trivial de la hoja plana de la madera) también crean la fuerza de sustentación

En que la causa de los errores? Resulta que en el ejemplo que aparece al comienzo del artículo, el argumento es totalmente incorrecta (y en general, simplemente tomada desde el techo) º 4. Visualización del flujo de aire alrededor del ala en un túnel de viento muestra de que el frente de flujo, dividida en dos alas, no enclavamientos de vuelta por el borde de las alas.

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En pocas palabras, el aire de "no sabe", que necesita moverse con una velocidad de alrededor de un ala, para realizar algún términoque nos parece evidente. Y aunque la velocidad de flujo sobre el ala es más alto que el de debajo de él, esto no es la causa de la educación de la fuerza de elevación y consecuencia del hecho de que sobre el ala existe un área de baja presión, y bajo el ala de un área mayor.

Llegando de la esfera de la presión normal, en разреженную área, el aire tiene la capacidad de acelerar la diferencia de presiones, y cayendo en el área con el aumento de la presión de frenada. Importante un ejemplo tan "no-бернуллевского comportamientos demuestran экранопланы: en caso de un ala a la tierra de su fuerza de sustentación aumenta (el área de la alta presión поджимается de la tierra), mientras que, en el marco de la "бернуллевских" línea de razonamiento, el ala a la par con la tierra forman algo así como se incline hacia el túnel, que en el marco de ingenuos razonamiento debería dispersar el aire y atraer gracias a esto, el ala a la tierra así como se hace en otros similares en el sentido de la explicación de "la mutua atracción se celebran en paralelo cursos de buques de vapor".

Y en el caso de экраноплана la situación en muchos aspectos, incluso peor, ya que una de las paredes de este túnel se mueve a alta velocidad hacia el ala, opciones avanzadas "echando" de esta manera, el aire y contribuyendo aún más a reducir la fuerza de elevación. Sin embargo, la práctica real de un "efecto pantalla" muestra directamente opuesta a la tendencia, al demostrar el peligro de la lógica del discurso sobre la elevación de poder basadas en la ingenuos intentos de adivinar el campo de velocidades del flujo de aire alrededor del ala.

Por extraño que parezca, mucho más cercana a la verdad explicación da otra incorrecta de la teoría de la sustentación, perdida en el siglo XIX. Sir isaac newton creía que la interacción de un objeto con набегающим el flujo de aire se puede simular, suponiendo que набегающий flujo se compone de diminutas partículas ударяющихся sobre el objeto y отскакивающих de él.

Al inclinar la ubicación de un objeto con respecto vario y las partículas serán principalmente reflejarse el objeto hacia abajo, y en virtud de la ley de conservación del impulso, cada vez que se rechaza partículas de flujo hacia abajo un objeto va a recibir un impulso de movimiento hacia arriba. Ideal ala en dicho modelo sería el plano de la cometa, inclinado a набегающему flujo:



La fuerza de sustentación en este modelo se produce a expensas de lo que el ala contribuye con una parte del flujo de aire hacia abajo, esta situación se requiere de la aplicación de una determinada fuerza al flujo de aire y la fuerza de sustentación es la fuerza de la oposición de flujo de aire en el ala. Y aunque el origen de choque" el modelo en general es falso, en esta síntesis de la formulación de esta explicación es verdad.

Cualquier ala funciona a expensas de lo que rechaza la parte de la fracción del flujo entrante de aire por abajo y eso, en parte, explica por qué la fuerza de sustentación de un ala es proporcional a la densidad de flujo de aire y al cuadrado de su velocidad. Esto nos da una primera aproximación a la respuesta correcta: el ala crea una fuerza de sustentación debido a que las líneas de corriente de aire después de pasar por el ala, en promedio, se encuentran orientados hacia abajo. Y cuanto más negamos el flujo hacia abajo (por ejemplo, aumentando el ángulo de ataque) — la fuerza de sustentación es mayor.



Un poco de un resultado inesperado, ¿verdad? Sin embargo, él no nos acerca a la comprensión de por qué el aire después de pasar ala resulta en un movimiento hacia abajo. Lo que Newton de impacto modelo es incorrecta, se ha demostrado experimentalmente las experiencias que han demostrado que la verdadera resistencia de flujo por debajo de lo que predice el modelo Newtoniano, y generada por la fuerza de sustentación.

La causa de estas diferencias es que en el modelo de newton, las partículas de aire no se comunican entre sí, mientras que las líneas reales de corriente no se pueden cruzar entre sí, así como se muestra en la ilustración de arriba. "Отскакивающие" bajo el ala hacia abajo la leyenda "las partículas de aire" se enfrentan con los demás y comienzan a "rechazar" del ala antes que con él se enfrentarán, a las partículas aéreo de corriente que se encuentran sobre el ala, "выпихивают" las partículas de aire que están a continuación, en el espacio vacío que queda detrás del ala:



En otras palabras, la experiencia de отскочившего" y "набегающего" flujos crea bajo el ala de un área de alta presión (rojo) y "la sombra", пробиваемая ala en el hilo forma un área de baja presión (azul). En primer lugar, rechaza el flujo por debajo del ala de abajo antes de que el flujo de соприкоснется a su superficie, mientras que la segunda hace que el flujo sobre el ala curvarse hacia abajo, aunque con el ala no toque nada.

Acumulado de la presión de estas áreas por el contorno de las alas, en realidad, y la forma en la final, la fuerza de sustentación. Cuando este punto interesante es que, inevitablemente, se produce antes de que el ala de un área de alta presión tiene correctamente diseñado por el ala entra en contacto con la superficie sólo por un pequeño tramo en el borde de ataque del ala, mientras que el área de alta presión bajo el ala y el área de baja presión sobre él en contacto con el ala muy grande.

Como resultado de la fuerza de sustentación de un ala formada por dos áreas alrededor de la superficie superior e inferior del ala puede ser mucho mayor que la fuerza de resistencia del aire, que proporciona el impacto de la esfera de la alta presión, situada en la parte delantera del borde del ala.



Dado que la presencia de áreas diferentes de la presión de la curva de la línea de la corriente de aire, a menudo es conveniente definir estas áreas de ahí que en la flexión. Por ejemplo, si las líneas de corriente sobre el ala "se encorvan hacia abajo", en esta área existe un gradiente de presión dirigido de arriba hacia abajo. Y si a una gran elimina la presión sobre el ala es resistente a la intemperie, a medida que nos acercamos al ala de arriba hacia abajo, la presión debe caer directamente sobre el ala será inferior a la atmosférica.

Habiendo examinado similar a la "curvatura hacia abajo", pero ya bajo el ala, obtenemos que si se empieza con suficientemente bajo, el punto de debajo del ala, entonces, acercándose al ala de abajo hacia arriba, llegaremos a un área de la presión, que será superior a la atmosférica. Del mismo modo, "расталкивание" líneas de corriente en la parte delantera del borde del ala corresponde a la vida antes de este borde el área de la alta presión. En el marco de esta lógica se puede decir que el ala crea la fuerza de sustentación, la curva de la línea de la corriente de aire alrededor del ala.

Porque las líneas de corriente de aire como si "se pegan" a la superficie de las alas (efecto coanda) y el uno al otro, cambiando el perfil de las alas, hacemos que el aire moverse alrededor de él en el искривленной trayectoria y formar en vigor de esta correcto nos gradiente de presiones. Por ejemplo, para asegurar el vuelo al revés, basta con crear el ángulo de ataque, enviando la nariz de la aeronave en el lado de la tierra:



De nuevo un poco de repente, ¿verdad? Sin embargo, esta explicación ya más cerca de la verdad que la versión original de "el aire se acelera sobre el ala, porque sobre el ala a ello es necesario recorrer una distancia mayor que bajo él". Además, en sus términos más fáciles de comprender el fenómeno que se denomina "de comprometer el flujo" o "сваливанием de la aeronave". En una situación normal aumentando el ángulo de ataque del ala aumentamos así la curvatura del flujo de aire y, en consecuencia, la fuerza de sustentación.

A costa de esto es el aumento de la resistencia aerodinámica, debido a que la zona de baja presión poco a poco se desplaza de la posición "sobre el ala" en la posición "ligeramente detrás del ala" y, en consecuencia, comienza a frenar el avión. Sin embargo, después de un cierto límite, la situación inesperadamente cambia abruptamente. La línea azul en el gráfico — el coeficiente de sustentación, el rojo, el coeficiente de resistencia, el eje horizontal, el ángulo de ataque.



El hecho de que "прилипаемость" de flujo a la aerodinámico de la superficie limitada, y si tratamos demasiado retorcer el flujo de aire, entonces se comenzará a "salir" de la superficie del ala. Producida por el ala de un área de baja presión comienza a "засасывать" no es un flujo de aire directo con el borde del ala, y el aire de la zona restante por el ala, y la fuerza de sustentación generada por la parte superior del ala, total o parcialmente, dependiendo de donde se produjo la separación) desaparece y la resistencia aumenta.



Para el normal de un avión de salir de su estancamiento es extremadamente desagradable situación. La fuerza de sustentación de un ala disminuye con la disminución de la velocidad de la aeronave o la disminución de la densidad del aire, además de la rotación de la aeronave requiere de una mayor sustentación, que sólo vuelo horizontal. En condiciones normales de vuelo durante todos estos factores se compensan exactamente selección de ángulo de ataque. Cuanto más despacio vuela el avión, que es menos denso que el aire (avión subió a una gran altura o se sienta en un día caluroso) y cuanto más empinada de la rotación, más tiene que hacer este ángulo.

Y si el imprudente, el piloto pasa algún aspecto, la fuerza de sustentación se apoya en el "techo" y se convierte en insuficiente para mantener el avión en el aire. Agrega los problemas y el aumento de la resistencia del aire, que conduce a la pérdida de velocidad y un mayor descenso de la fuerza de elevación. Y, en consecuencia, el avión comienza a caer — "cae".

De paso, pueden producirse problemas con la administración por el hecho de que la fuerza de sustentación se reasigna por el ala y comienza a tratar de "girar" el avión o superficies de control se encuentran en el ámbito de la сорванного de flujo y dejan de generar el suficiente control de la fuerza. Y en una curva, por ejemplo, el flujo puede arrancar sólo con un ala y, en consecuencia, el avión comenzará a no sólo perder altura, pero y girar — entrará en el sacacorchos.

La combinación de estos factores sigue siendo una de las causas frecuentes de accidentes de aviación. Por otro lado, algunos de los modernos aviones de combate especialmente diseñados de tal manera especial, para mantener el control en estos закритических modos de ataque. Esto permite similares cazas de la necesidad de frenar bruscamente en el aire.

A veces se utiliza para el frenado en línea recta vuelo, pero la más solicitada en los virajes, ya que cuanto menor sea la velocidad, menos en igualdad de radio de giro de la aeronave. Y sí, tienes en la ruleta es la misma "сверхманевренность", que merecidamente orgullosos de los profesionales проектировавшие aerodinámica nacionales de los cazas de 4 y 5 generaciones.



Sin embargo, aún no han respondido a la pregunta básica: ¿de dónde, de hecho, se producen en zonas de alto y bajo presión alrededor del ala en набегающем el flujo de aire? Ya que ambos fenómenos ("ajustar el flujo a las alas" y "sobre el ala el aire se mueve más rápido"), que puede explicar el vuelo, son la consecuencia de un determinado distribución de presiones alrededor de las alas, y no su causa. Pero, ¿por qué se forma precisamente de esa imagen de presión, y no cualquier otra?



Desafortunadamente, la respuesta a esta pregunta ya que inevitablemente requiere de la participación de las matemáticas. Imaginemos que nuestra ala es infinitamente larga y uniforme en toda su longitud, de modo que el movimiento del aire alrededor de él se pueden simular en dos y un corte. Y supongamos, para empezar, que en función de nuestro ala actúa... infinitamente largo cilindro en el flujo ideal de líquido.

En vigor de la infinidad de cilindro esta tarea se puede reducir al examen de ajuste de un círculo en el plano de flujo ideal de líquido. Para tan trivial y идеализированного caso existe exacta analíticos de decisión predictiva, que cuando se fija el cilindro de la exposición total del líquido en el cilindro será de cero.



Y ahora veamos un artilugio de la transformación del plano en sí mismo, que en matemáticas se llama конформным visualización. Se puede recoger una transformación tal, que por un lado mantiene la ecuación de movimiento de flujo de líquido, y por el otro, transforma el círculo en la figura, tiene similar en el ala del perfil. Entonces transformado por la misma transformación de la línea de la corriente de líquido para el cilindro son la solución para la corriente de líquido alrededor de nuestro improvisado de las alas.



Nuestro origen círculo en el flujo ideal de líquido tiene dos puntos en los que las líneas de corriente están en contacto con la superficie de un círculo, y por lo tanto los mismos dos puntos existir en la superficie del perfil después de la aplicación de un cilindro de conversión. Y en función de la rotación del flujo del original del cilindro ("ángulo de ataque") que se encuentra en diferentes lugares de la superficie generada por la "ala". Y casi siempre lo que significaría que una parte de las líneas de corriente del fluido alrededor del perfil se debe doblar en la parte trasera, la urgente el borde de las alas, como se muestra en la imagen de arriba.

Esto es posible para un líquido. Pero no para el real.

La presencia real de líquido o de gas de incluso una pequeña fricción (viscosidad) provoca que el flujo similar en el que se muestra en la imagen inmediatamente se perturba — la parte superior del flujo que va de desplazar el punto donde la línea de la corriente entra en contacto con la superficie del ala hasta que no se encuentre estrictamente en el borde posterior del ala (postulado zhukovsky-Чаплыгина, él mismo la condición Кутты). Y si convertir el "ala" de nuevo en el "cilindro", сдвинувшиеся las líneas de corriente sean o menos así:



Pero si la viscosidad del líquido (o gas) es muy pequeña, lo resultante es similar a través de la solución debe ser adecuado para el cilindro. Y resulta que esa decisión realmente se puede encontrar, si se supone que el cilindro gira. Es decir, las limitaciones físicas relacionadas con перетоком el líquido que rodea el borde de salida del ala llevan, a lo que el movimiento de fluidos de todas las posibles soluciones, tratará de llegar a una concreta decisión, en el que una parte del flujo de líquido gira en torno a la equivalente a la de un cilindro, alejándose de él en el sentido estrictamente un punto determinado.

Y puesto que la rotación del cilindro en el flujo de líquido crea una fuerza de sustentación, la crea y la correspondiente ala. El componente de movimiento de flujo correspondiente a esta "velocidad de rotación del cilindro se denomina circulación de un flujo alrededor de un ala, y el teorema de zhukovsky dice que el de similar característica puede generalizar para arbitrario de las alas, y permite cuantificar contar con la fuerza de sustentación de un ala en su base.

En el marco de esta teoría, la fuerza de sustentación de un ala se obtiene por medio de la circulación de aire alrededor del ala, que se genera y se mantiene el movimiento del ala de arriba y las fuerzas de fricción, excluyendo el movimiento del aire alrededor de su aguda del borde posterior.

Un resultado sorprendente, ¿verdad?

Se describe la teoría por supuesto muy идеализирована (infinitamente largo homogéneo ala, ideal homogéneo несжимаемый el flujo de gas / líquido sin fricción alrededor de un ala), pero da bastante aproximación real de las alas y del aire. Sólo no piense en el marco de la circulación como evidencia de que el aire realmente gira alrededor del ala.

La circulación es sólo un número que indica cuánto debe ser diferente de la velocidad de flujo en la parte superior e inferior de los bordes de las alas, para la solución de los movimientos de flujo de líquido permitió la separación de las líneas de corriente estrictamente en el borde posterior del ala. No vale la pena también "percibir" el principio de aguda del borde posterior del ala" como una condición necesaria para el surgimiento de la fuerza de elevación: la secuencia de razonamiento en lugar de ello, suena como si el ala aguda borde posterior, la fuerza de sustentación se forma así".

Tratar de resumir. La interacción del aire con el ala genera alrededor del ala de zonas de alta y baja presión, que retuercen el flujo de aire de modo que rodea ala. Agudo en el borde posterior del ala hace que, teóricamente el flujo de todas las posibles soluciones de las ecuaciones de movimiento se realiza sólo una cosa específica que excluye el movimiento de aire alrededor aguda del borde posterior.

 



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Esta decisión depende del ángulo de ataque y el promedio de las alas tiene un área de baja presión sobre el ala y el área de la alta presión debajo de él. Correspondiente a la diferencia de presión genera una fuerza de sustentación de un ala, hace que el aire se mueven más rápido encima del borde superior de las alas y ralentiza el aire a la parte inferior. Cuantificar la fuerza de sustentación es conveniente describir numéricamente a través de esta diferencia de velocidades sobre las alas, y debajo de él en forma de características, que se denomina "circulación" de flujo.

De conformidad con la tercera ley de newton actúa sobre el ala de la fuerza de sustentación significa que desvía el flujo hacia abajo de la parte набегающего de flujo de aire — para que el avión pueda volar, parte de lo que lo rodea de aire debe continuamente hacia abajo. La base de este movimiento hacia abajo el flujo de aire de un avión y vuela".

Una sencilla explicación de "por el aire, que es necesario recorrer el camino más largo sobre el ala, que bajo él" es incorrecta.publicado

 

 



Fuente: geektimes.ru/post/279734/

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