Ciekawe pytanie. Czysto empirycznie, jest to stosunek siły nośnej do oporu, którego szukasz. Jeśli weźmiesz tę wartość jako podaną dla konkretnego samolotu, otrzymasz bezpośrednią odpowiedź na temat tego, o ile skuteczniejsze są skrzydła. Jest to stosunek siły nośnej do całkowitego oporu. Silnik musi tylko pokonać opór.

Przy L / D równym jedności potrzebujesz takiego samego ciągu, jak przy pionowym starcie. Ale nawet całkiem „zły” samolot stałopłatowy miałby L / D około 5. Szybowce lub podobne samoloty zbudowane z silnym naciskiem na aerodynamikę mogą mieć L / D 50 lub więcej (przynajmniej w pewnym wąskim zakresie prędkości). / p>

Więc tak, skrzydła są bardziej wydajne. Około jednego rzędu wielkości jako praktyczna reguła dla zwykłych statków powietrznych i optymalnej prędkości lotu.

Trudniej jest wyjaśnić, dlaczego twoje rozumowanie przy wypychanym powietrzu jest nieprawidłowe. Zacznę od założenia, że ​​gdy powietrze przechodzi przez płat, jego prędkość względem płata jest niezmienna i zmienia się tylko kierunek. (Wiem, że powietrze zwalnia, przynajmniej z powodu tarcia itp., Ale są to, przynajmniej teoretycznie, rzeczy, których można uniknąć, niezwiązane bezpośrednio z tworzeniem windy. Jeśli jest coś nieodłącznie związanego z windą, co powoduje, że przepływ powietrza zmienia nie tylko kierunek, ale także prędkość , mam nadzieję, że ktoś mnie tu poprawi.)

Zobacz zdjęcie. Masa powietrza poruszająca się początkowo w kierunku płata z prędkością $ \ vec {v_0} $ jest odchylana w dół o kąt $ \ alpha $. Dlatego zmiana prędkości wynosi $ \ vec {\ Delta v} $. Tę zmianę można podzielić na komponenty poziome i pionowe. Aby utrzymać statek powietrzny w powietrzu, składowa pionowa musi być równoważna masie samolotu podzielonej przez masowe natężenie przepływu nad skrzydłem. Komponent pionowy jest powiązany z poziomem przez $$ \ Delta v _ {\ rm horiz} = \ Delta v _ {\ rm vert} \ cdot \ tan {\ alpha \ over 2}. $$

Zatem z tego uproszczonego widoku opór byłby $ \ tan \ alpha / 2 $ razy większy. Wyższe masowe natężenie przepływu nad skrzydłem (dłuższe skrzydła, wyższa prędkość lotu) umożliwia utrzymanie tego samego unoszenia przy mniejszym ugięciu ($ \ alpha $), a tym samym mniejszy opór z powodu generowanego wyporu.

Dodatkowy komentarz: jaki ma to związek z mocą i energią

Powyższa odpowiedź skupia się na tym, jak skrzydła zmniejszają niezbędny ciąg silnika, ale pierwotne pytanie można zinterpretować w kategoriach wydajności energetycznej też. Spróbuję dodać kilka komentarzy do tej części.

• Prosty przykład - silnik rakietowy: niezbyt typowy dla samolotu, ale prosty. Rakieta zużywa taką samą ilość paliwa na sekundę, aby wygenerować jednostkę pędu niezależnie od jej wielkości i niezależnie od tego, czy jest skierowana do góry (i jest statyczna w stosunku do powietrza), czy do przodu (i porusza się w powietrzu). Aby wygenerować większy ciąg, musisz spalać proporcjonalnie więcej paliwa na sekundę. Tak więc w przypadku napędu rakietowego zaoszczędzisz paliwo w takim samym stosunku, w jakim spada niezbędny ciąg.

• Silniki śmigłowe lub odrzutowe są bardziej skomplikowane, ponieważ ich ciąg i zużycie paliwa zależą od ruch silnika w powietrzu. Jak wskazał David K ​​w swojej odpowiedzi, możemy wykorzystać pęd i energię kinetyczną przyspieszonego powietrza, aby uzyskać moc potrzebną do jednostki ciągu.

  Z pewnymi uproszczeniami, ciąg to masowe natężenie przepływu przez silnik / śrubę pomnożone powoduje zmianę prędkości przepływu. $ T = \ dot m \ cdot (v _ {\ rm out} - v _ {\ rm in}) = \ dot m \ Delta v $. Potrzebna do tego moc to $ P = \ dot m \ cdot {1 \ over2} (v _ {\ rm out} ^ 2 - v _ {\ rm in} ^ 2) = \ dot m \ Delta v \ cdot (v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ ponad 2}) $. Zatem $$ {P \ over T} = v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2} \,. $$

  W przypadku stacjonarnego silnika utrzymywanego wbrew grawitacji wymagany jest większy ciąg w porównaniu do latających stałopłatów, jak pokazano powyżej. Jeśli nie „oszukujemy” zwiększając masowe natężenie przepływu przez silnik (np. Robiąc z niego wirnik helikoptera lub używając wielu silników), to $ \ Delta v $ musi zostać zwiększone w celu uzyskania niezbędnego ciągu. Potrzebujesz więc nie tylko większej mocy z powodu zwiększonego ciągu, ale także większej mocy ze względu na zwiększone waty na jednostkę ciągu. Zauważ, że nawet „cheat helikoptera” nie działa zbyt dobrze. Aby dopasować pobór mocy silnika generującego mniejszy ciąg dzięki L / D skrzydła, musisz również poprawić P / T - zmniejszając $ \ Delta v $, zwiększając w ten sposób przepływ masowy (promień wirnika / śmigła nawet bardziej niż proporcjonalnie do zwiększonego ciągu) .

  A co ze spadkiem P / T spowodowanym ruchem powietrza? To zależy od konkretnego silnika i jego $ \ Delta v $. Zwykle będzie podobnego rzędu wielkości co prędkość lotu (lub nawet mniej), więc nie możemy pominąć powyższego równania $ v _ {\ rm in} $ w watach na ciąg. Występuje spadek wydajności, gdy silnik pracuje w poruszającym się statku powietrznym. Ale i tak powinno być tego warte, ponieważ zysk zapewniany przez siłę nośną jest większy.

  Uproszczony przykład: mamy silnik zdolny do wytworzenia ciągu wystarczającego do podniesienia samolotu w pionie. Można go dławić, zmieniając $ \ Delta v $ bez żadnych praktycznych problemów lub zmiany jego wewnętrznej wydajności. I załóżmy, że masowe natężenie przepływu przez nią jest stałą powierzchnią $ S $ pomnożoną przez gęstość powietrza i pomnożoną przez średnią arytmetyczną prędkości wchodzącego i wychodzącego powietrza. W przypadku unoszącego się samolotu i stacjonarnego silnika wytwarzającego ciąg równy masie samolotu, $ w $ to jest $$ w = \ dot m \ Delta v _ {\ rm hover} = \ rho S \ Delta v _ {\ rm hover} ^ 2/2 \ ,; \ quad \ Delta v _ {\ rm hover} = \ sqrt {2 w \ over \ rho S} $$, a więc $$ P _ {\ rm hover} = w \ cdot \ Delta v _ {\ rm hover} / 2 = \ sqrt {w ^ 3 \ ponad 2 \ rho S} \,. $$

  Ten sam samolot lecący na skrzydłach potrzebuje ciągu $ w \ powyżej L / D $. Prędkość lotu to $ v _ {\ rm air} $. Równanie ciągu: $ {w \ over L / D} = \ dot m \ Delta v _ {\ rm flight} = \ rho S \ cdot (v _ {\ rm air} + {\ Delta v _ {\ rm lot} \ ponad 2}) \ cdot \ Delta v _ {\ rm lot} $. Zatem $$ \ Delta v _ {\ rm flight} = \ sqrt {{2w \ over (L / D) \ rho S} + v _ {\ rm air} ^ 2} -v _ {\ rm air} $$ i $$ P _ {\ rm lot} = {w \ nad L / D} \ cdot (\ sqrt {{w \ ponad 2 (L / D) \ rho S} + {v _ {\ rm air} ^ 2 \ over 4}} + {v _ {\ rm air} \ over 2}) \,. $$

  Niestety nie widzę sposobu, jak uprościć i porównać $ P _ {\ rm hover} $ i $ P_ { \ rm lot} $ czyli kilka konkretnych liczb:

  • Lekki samolot, 1 tona, 100 węzłów, $ S = 5 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm hover} = 290 \, \ rm kW $, $ P _ {\ rm lot} = 35 \, \ rm kW $.

  • Ciężki samolot, 100 ton, 200 węzłów, $ S = 50 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm hover} = 90 \, \ rm MW $, $ P _ {\ rm flight} = 7 \, \ rm MW $.

  Zatem w oparciu o te uproszczenia latanie na skrzydłach z podobnym silnikiem powinno być również znacznie wydajniejsze pod względem energetycznym. Dodatkowo, posuwasz się już naprzód, używając mocy $ P _ {\ rm flight} $. W przypadku silnika pionowego potrzebna byłaby dodatkowa moc, aby pokonać opór powietrza spowodowany ruchem.

W odniesieniu do wydatku energetycznego i mocy, dla danej ilości siły, która ma być wytworzona przez przyspieszenie masy powietrza, potrzeba więcej mocy, gdy przyspieszasz małą masę powietrza w każdym okresie czasu, niż gdy przyspieszasz dużą masę powietrza. Dzieje się tak, ponieważ siła jest proporcjonalna do zmiany pędu masy powietrza, podczas gdy moc jest proporcjonalna do zmiany energii kinetycznej; a gdy pęd wynosi $ mv, energia kinetyczna $ wynosi $ \ frac12 mv ^ 2. $

Typowy silnik samolotu łapie stosunkowo małe paczki powietrza i wprawia je w tył z dużą prędkością. Duże śmigło lub turbofan z dużym obejściem i dużym wlotem sprawdzi się lepiej niż małe śmigło lub turboodrzutowy z małym wlotem. Ale skrzydło typowego konwencjonalnego samolotu „chwyta” znacznie większy paczkę powietrza w dowolnej jednostce czasu niż jego silniki.Popychając skrzydło do przodu w powietrzu, samolot przekształca stosunkowo nieefektywną produkcję siły przez swoje silniki (biorąc małe paczki powietrza z przodu samolotu i przyspieszając je gwałtownie do tyłu) ) w znacznie bardziej wydajne wytwarzanie siły przez skrzydła (zabieranie dużych paczek powietrza nad samolot i ich względnie powolne przyspieszanie w dół).

Po prostu obrócenie w dół typowego silnika (odrzutowego lub śmigłowego) konwencjonalnego samolotu powoduje nie pozwalać dronowi na przyspieszenie prawie tak dużej ilości powietrza w dół jak skrzydło, gdy jest w normalnym locie.

W helikopterze (znanym również jako „wiropłat”) silnik obraca skrzydło (aka wirnik), popychając go w ten sposób gh powietrza i przyspieszając, pchnij samolot w dół, niezależnie od tego, czy kadłub porusza się do przodu w masie powietrza, czy nie. helikopter może zatem wystartować pionowo z relatywnie małym zespołem napędowym w porównaniu do tego, co musiałbyś startować pionowo z czymś takim jak konwencjonalny samolot stałopłatowy Jeśli myślisz o wirniku helikoptera jako o „wentylatorze skierowanym w dół”, wtedy faktycznie działa całkiem dobrze.

W tradycyjnym samolocie większość mocy silnika jest wykorzystywana do utrzymywania samolotu w ruchu do przodu z określoną prędkością. W rzeczywistości bardzo niewiele tej mocy jest potrzebne do wytworzenia siły nośnej.

Rozważmy prosty papierowy samolot. Leci przez długi czas bez żadnego silnika, dopóki opór na nim nie spowoduje zwolnienia, a jeśli straci siłę nośną i opuści na podłogę.

W rękach doświadczonego pilota szybowce mogą pozostawać w powietrzu przez wiele godzin bez żadnego silnika.

Nie zamierzam wdawać się w spór o to, czy skrzydła działają, kierując powietrze w dół lub nie, ponieważ jest to po prostu nieistotne. Podstawowa prawda jest taka, że ​​kiedy skrzydło jest zorientowane w sposób zapewniający siłę nośną podczas ruchu do przodu, wszystko, czego potrzebujesz, aby silnik zrobił, to popchnąć to skrzydło i resztę samolotu do przodu z tą prędkością. strong>

Skrzydło i korpus samolotu tworzą efektywny opór, gdy są ciągnięte lub pchane do przodu, a silnik musi tylko wytworzyć taką siłę, aby nie zwalniać. Ta siła jest DUŻO mniejsza niż potrzeba, aby ją podnieść bezpośrednio.

Większość silników lotniczych po prostu nie ma takiej siły ciągu, aby samodzielnie unieść samolot. Podczas wczesnych prac nad samolotami podejmowano wiele prób, aby to zrobić, ale zakończyły się niepowodzeniem, ponieważ silniki o wystarczającej mocy po prostu nie były dostępne.

Skrzydła były na długo przed pojawieniem się braci Wright, ale lot był nieprzewidywalny i niekontrolowany. Pierwszy prawdziwy samolot został wynaleziony, ponieważ bracia odkryli i wynaleźli mechanizm pozwalający im kontrolować skrzydło (a).

Krótko mówiąc, o wiele łatwiej jest zapewnić siłę nośną skrzydłami niż przy użyciu wektorowania ciągu.

JEDNAK: W tym momencie prawdopodobnie nadal drapiesz się po głowie zastanawiam się, jak podnieść samolot bez pobierania takiej ilości mocy z silnika ... Pozwólcie, że spróbuję wyjaśnić.

Powiedzmy, że masz samochód i mówię ci, żebyś podniósł go 6 stóp ... Cóż, chyba że jesteś tym facetem, to się po prostu nie stanie ...

Ale co, jeśli wykonasz następujące czynności?

Cóż, możesz narzekać i bez tchu, ale możesz zobaczyć, jak gdyby rampa była wystarczająco długa, mogłabyś użyć naszych mięśni, aby podnieść samochód na tę wysokość.

Ponieważ jesteśmy wolno poruszającymi się stworzeniami, myśl o powietrzu jak o niczym. Jednak powietrze staje się inną rzeczą, gdy próbujesz bardzo szybko usunąć je z drogi. Staje się to znacznie „trudne”.

Można zatem pomyśleć o samolocie w locie, który wspina się po rampie powietrznej, jak pokazano poniżej.

Dron i skrzydła dość łatwo przecinają powietrze, ale powietrze pod skrzydłami i ciałem działa jak rampa. Im większe skrzydła, tym twardsza i solidniejsza rampa. Zapewnia to siłę nośną… utrzymywanie samolotu w górze.

Oczywiście rampa nie jest solidna i skutecznie opada, gdy pchamy samolot do przodu. Innymi słowy, samolot spada i wznosi się w tym samym czasie. Podczas lotu poziomego rampa opada w tym samym tempie, w jakim wznosi się po niej samolot.

Oznacza to, że skrzydła zapewniają przewagę mechaniczną polegającą na użyciu rampy w celu zmniejszenia siłę potrzebną do wykonania pracy. Ignorując opór, wymagana praca jest taka sama, jak w przypadku podnoszenia go pionowo, ale ponieważ rozłożono pracę na dużą odległość do przodu, wysiłek wymagany od silnika jest znacznie podzielony.

Wydajność:

Czy to jest bardziej wydajne? Cóż, tradycyjnie rampy i inne mechaniczne urządzenia zapewniające przewagę są mniej wydajne niż prosta winda, ponieważ występują straty związane z dodatkowym tarciem w urządzeniu.

Jednak same systemy podnoszenia oparte na napędzie pionowym są horrendalnie nieefektywne.

Jak już wspomnieliśmy, powietrze jest trudniejsze do poruszania, im szybciej się je porusza. Oznacza to, że podwojenie mocy silnika NIE przekłada się na podwojenie ciągu, jest to raczej funkcja wykładnicza. Oznacza to, że musisz spalić ponad dwa razy więcej gazu, aby uzyskać podwojony ciąg.

Gorzej dla dowolnego silnika, istnieje granica tego, jak duży ciąg może wytworzyć. W końcu powietrze przed nim kawituje. Jeśli może obracać się wystarczająco szybko, będzie zassać CAŁE powietrze z wlotu tak szybko, że powstanie podciśnienie. W tym momencie silnik jest pozbawiony powietrza i nie może pracować szybciej, niezależnie od tego, JAK DUŻO wpompujesz paliwa. Oznacza to, że aby uzyskać większy ciąg, potrzebujesz większego silnika, co oznacza większą masę, co oznacza, że ​​potrzebujesz większego ciągu .... Czy widzisz, dokąd zmierzam z tym?

I pamiętaj, że to tylko po to, aby Cię utrzymać, nadal musisz użyć więcej mocy, aby przejść z punktu A do punktu B.

W związku z tym, nawet przy stratach oporu, lot skrzydlaty nadal zużywa o wiele mniej gazu na każdym dystansie podróży.

Jeśli zignorujemy straty, utrzymanie samolotu na określonej wysokości nie wymaga żadnej mocy , ponieważ nie wykonuje się na nim żadnej pracy. Wymaga to jednak siły i wydaje się, że mylisz siłę i moc. Termin wydajność nie ma żadnego znaczenia (przynajmniej nie ma dobrze zdefiniowanego znaczenia), gdy mówię o siłach.

Na przykład mogę trzymać w dłoni ciężar 20 kg i Mogłem utrzymać 200 kg za pomocą dźwigni 1:10. Jasne, możesz powiedzieć, że dźwignia jest 10 razy wydajniejsza, a pod tym względem skrzydła są wydajniejsze niż silniki do startu pionowego: możesz wystartować z silnikiem, który ma 10 razy mniejszy ciąg. Konsekwencją jest to, że będziesz potrzebować 10 razy więcej czasu, aby osiągnąć daną wysokość, tak jakbym podniósł 200-kilogramowy ciężar 10 razy wolniej za pomocą dźwigni, niż gdybym podniósł 20-kilogramowy ciężar własnymi rękami.

Silniki (powiedzmy, silniki tłokowe) nie zapewniają siły nośnej. Silniki napędzają skrzydła. Każde łopatki śmigła to skrzydło. Każde skrzydło (o tej samej wielkości, profilu, kącie natarcia, prędkości względnej, wysokości) zapewnia taką samą siłę nośną.

Oba urządzenia poniżej zapewniają taką samą siłę nośną, jeden leci prosto do przodu, a drugi krąży po okręgu. Jeden to samolot, drugi to śmigło. Skierowanie ciągu silnika w dół = skierowanie kierunku lotu łopatek w poziomie. Mam nadzieję, że to pomoże.

Chcę tylko dodać coś, co moim zdaniem zostało tutaj przeoczone. Wraz ze wzrostem prędkości lotu nad skrzydłem / śmigłem opór wzrasta nie tylko liniowo, jest wykładniczo. Innymi słowy, ponieważ przepływ powietrza (w masie) nad skrzydłem jest znacznie większy, może wytworzyć x siłę nośną przy niskiej prędkości, podczas gdy z silnikiem, ponieważ ma niższy przepływ powietrza (ponownie w masie) musi się poruszać powietrze szybciej nad śmigłami w silniku, aby wygenerować taką samą siłę nośną. Ponieważ opór nie jest liniowy, potrzebuje znacznie więcej mocy, aby przezwyciężyć opór silnika, co jest przyczyną nieefektywności.

Przeglądając odpowiedzi, brakuje mi bardzo prostego podejścia do wyjaśnienia różnicy:
Wymienienie nieefektywności obu rozwiązań projektowych

Stałe skrzydło

• opór nie powodujący podnoszenia - część oporu nie jest związana z produkcją siły nośnej, np. tarcie powietrza o powierzchnię skrzydła.
• wiry na końcach skrzydeł - Różnica ciśnień pomiędzy nad i pod skrzydłem ma na celu wyrównanie przez przepływ powietrza z dołu do góry. Można to złagodzić przez winglety i / lub wysokie proporcje skrzydła.
• cokolwiek - to jest miejsce na wszystko, co mogłem przegapić. Zobacz poniżej jego odpowiednik.

Skrzydło obrotowe

• opór nie powodujący podnoszenia - Tak samo jak w powyższym równoważnym punkcie, z wyjątkiem różnych profili skrzydeł, płatów i różnych prędkości. Zobacz poniżej, aby uzyskać więcej informacji na temat różnych prędkości lotu.
• Wiry na końcach skrzydeł - Taki sam jak powyższy odpowiednik, z wyjątkiem długości skrzydła, a zatem współczynnik kształtu jest bardziej ograniczony w wyborze projektu. Winglety powodowałyby wiele problemów strukturalnych i zwiększałyby opór nieproporcjonalnie, ponieważ z definicji znajdują się na (szybko poruszającej się) końcówce.
• wszystko - w zasadzie wszystko, co dotyczy nieruchomych skrzydeł dotyczy to również skrzydeł obrotowych. Ponadto często nierównomierny przepływ powietrza (patrz poniżej) nie pozwala na optymalizację profilu skrzydła, profilu itp.
• nierównomierny rozkład prędkości powietrza na łopatce - Końcówki wirnika poruszają się w powietrzu szybciej niż jego podstawa. W związku z tym trudno jest uzyskać optymalną prędkość w każdym miejscu na łopacie wirnika naraz.
• różne prędkości lotu dla łopaty poprzedzającej i cofającej się - Prędkość lotu samolotu do przodu jest dodawana do prędkości powietrza powyżej poprzedzające ostrze, ale odjęte od cofającego się. Ta różnica zwiększa problem uzyskania optymalnego przepływu powietrza.
• potrzeba przeciwdziałania momentu obrotowego - śmigło ogonowe w klasycznej konstrukcji śmigłowca wymaga mocy z silnika głównego bez zwiększania siły nośnej lub ciągu do przodu. Zasadniczo jest to „bezużyteczna konieczność”. Konstrukcje z dwoma wirnikami mogą cierpieć z powodu coraz bardziej „zakłóconego przepływu powietrza” (patrz poniżej).
• ruch kołowy - ruch kołowy zasadniczo przyspiesza w kierunku środka. „Latanie prosto” byłoby bardziej wydajne, np. na wirniku znajdują się łożyska, które nie przepuszczają momentu obrotowego. Dla porównania, stałe skrzydło nie traci swojego pędu poza innymi wadami. Stwarza to również wymagania konstrukcyjne dla łopatek wirnika, które mogą ograniczać inne optymalizacje projektowe.
• zakłócony przepływ powietrza - poprzednio cofnięta łopatka porusza się po śladzie poprzedniej podczas następnego obrotu. Zakłócone powietrze nie wytwarza tak czystego przepływu powietrza, jak byłoby niezakłócone. Zmniejsza to współczynnik siły nośnej do oporu.
• niezoptymalizowany profil płata - W wielu punktach powyżej wspomniano już o tym, czy to przez to, że jest to konieczne (wymagania konstrukcyjne w ruchu kołowym), czy też przez zapobieganie optymalizacji (nie: równomierny rozkład prędkości powietrza na łopatce).

Wracając do pierwotnego pytania:
Z reguły możemy założyć, że dłuższa lista nieefektywności, tym mniej efektywny projekt. Zwłaszcza, gdy wszystko (i cokolwiek ) z jednej listy pojawia się również na drugiej. Aby złamać praktyczną zasadę, musiałyby istnieć duże jakościowe różnice w każdym punkcie.

Główną zaletą skrzydła w porównaniu z silnikiem jest to, że podczas typowego użytkowania będzie ono stale napotykało względnie niezakłócone powietrze. Silnik skierowany w dół utworzyłby nad nim obszar niskiego ciśnienia, a wpływające do niego powietrze będzie poruszać się w dół, zanim samolot zdąży z nim cokolwiek zrobić. Jedynym sposobem, w jaki samolot może wytworzyć ciąg, będzie przyspieszenie już poruszającego się powietrza do jeszcze większej prędkości. Ilość energii potrzebna do przyspieszenia metra sześciennego powietrza z 9 m / s do 10 m / s jest prawie dwukrotnie większa niż ilość potrzebna do przyspieszenia 10 m / s powietrza z 0 m / s do 1 m / s, ale wygenerowany przez ten ostatni będzie dziesięciokrotnie większy.

„Podstawowy” lot zawsze był mi wyjaśniany, że ze względu na kształt skrzydła powietrze nad górą musi iść dalej, przez co jest „rozciągane”, a powietrze pod skrzydłem ma mniejszą odległość do przebycia. Powietrze pod skrzydłem ma więc większe „ciśnienie” niż nad skrzydłem. W żadnym momencie tak naprawdę nie „spychasz powietrza w dół”. A przynajmniej nie do końca. Ciężar jednostki powoduje, że powietrze pod skrzydłem „smużnie” (lub wypiera) w taki sam sposób, jak łódź, podczas gdy nie ma żadnej siły (poza podnośnikiem) pchającej „w górę” na skrzydło.

To wszystko jest bardzo proste wyjaśnienie. Ale podstawową częścią, bardzo ważną częścią jest to, że w żadnym samolocie, stałe skrzydło (samolot) lub wirnik (helikopter) nie jest ŻADNYM podnośnikiem generowanym przez spychanie powietrza w dół. Podnoszenie jest generowane przez mniejsze ciśnienie powietrza „na górze” skrzydła, a następnie „pod” skrzydłem w połączeniu z działającą w dół siłą grawitacji. To pociągnięcie w dół sprawia, że ​​samoloty wznoszą się w górę, chociaż to dziwne.

W swoim pytaniu chcesz wiedzieć, dlaczego latanie „samolotem” wymaga mniej energii, a potem „helikopterem”. Ponownie pamiętaj, że spychanie powietrza w dół nie powoduje przysiadu, dopóki nie wsiądziesz do silników rakietowych.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjrzyjmy się, co próbuje poruszyć każdy silnik. W małym samolocie silnik musi poruszać śmigłem. Powiedzmy około 70 funtów. Przy tym silniku obracającym 70 funtów ciężaru może on „ciągnąć” (podobnie jak skrzydło) mały samolot z prędkością około 140 węzłów. To więcej niż wystarczająca „prędkość”, aby skrzydlate części samolotu generowały siłę nośną. Pamiętaj, że „winda” nie musi być tak ogromną siłą, po prostu musi być odrobinę silniejsza od grawitacji.

W przeciwieństwie do „łopatek” helikoptera (są tylko skrzydła, które się obracają około) waży około 250 funtów. Trudno jest zamienić prędkość obrotową na węzły, ale przy 650 stóp / s to około 385 węzłów (matematyka na tym jest bardzo szorstka)

Tak więc, pociągnięcie samolotu do przodu z prędkością 140 węzłów wymaga znacznie mniej energii . Następnie kręci skrzydłami z prędkością 384 węzłów.

Utrzymuj wiatr, aby skrzydła samolotu były DUŻO większe niż skrzydła helikoptera. Ta dodatkowa powierzchnia zapewnia większą siłę nośną przy niższych prędkościach.

Aby było to bardziej skomplikowane, cała energia „samolotów” jest używana do poruszania statku do przodu. Otóż ​​to. Samolot leci tylko w jednym kierunku. W rzeczywistości nie obracają się tak bardzo, jak „opadają” w określonym kierunku (generując mniejszy udźwig po jednej lub drugiej stronie wzdłuż 3 osi). Z drugiej strony helikopter musi poświęcić część swojej energii, aby ruszyć „do przodu”. Jego ruch „do przodu” jest w zasadzie zalecany jako opadanie tak jak samolot, ale wtedy musi być zużyta energia na wytworzenie większej siły nośnej, podczas gdy samolot porusza się po prostu do przodu.

TL; DR Tak naprawdę to nie jabłka dla jabłek, ale generowanie tej samej siły nośnej przez poruszanie się do przodu wymaga mniej energii niż kręcenie skrzydłami w kółko i generowanie podnieś w ten sposób.

OGROMNA UWAGA Wykorzystałem prędkości i profile lotu wielu samolotów. Samolotem, którego użyłem, była „Cessna”, ale wziąłem numery tam, gdzie mogłem je znaleźć, więc niektóre to ukochane 172, inne to inne warianty. Liczby helikopterów są jeszcze bardziej zróżnicowane. Próbowałem utrzymać go w lżejszych helikopterach, ale może mi się to nie udało. Ważną częścią jest to, że teoria jest poprawna, ale nie próbuj w żaden sposób liczyć na matematykę.

Kolejna uwaga niektóre statki VTOL faktycznie spychają powietrze w dół, ale jest to nawet mniej wydajne niż kręcenie maleńkich skrzydełek. Krótko mówiąc, naciskanie w dół, aby wznosić się w górę, jest jak rakieta, wytwarza mniejszy nacisk na górę, a „unoszenie się” w górę jest samolotem.

Artykuł wprowadza w błąd uogólnienie, ponieważ była to jedna z pierwszych rzeczy, których nauczyłem się podczas szkolenia lotniczego. Samoloty nie latają „zrzucając powietrze w dół”, działają poprzez wytwarzanie obniżonego ciśnienia powietrza, które podnosi samolot do góry (stąd „podnoszenie”) i do przodu (ciąg). Zarówno skrzydła, jak i śmigła (i turbiny) to płaty, których górna zakrzywiona powierzchnia przyspiesza powietrze, gdy porusza się przez niego płat, zmniejszając w ten sposób ciśnienie powietrza. Stosunkowo zmniejszone ciśnienie powietrza nad skrzydłami i stosunkowo zwiększone ciśnienie powietrza pod skrzydłami i za śmigłem unosi samolot w górę i do przodu.

Odrobina prawdy jest taka, że ​​powietrze przepływające nad skrzydłem jest odchylane w dół, a część powietrza jest sprężana pod skrzydłem, gdy samolot się porusza, ale jest to znacznie mniejszy składnik tego, co utrzymuje samolot w locie.

Niższe ciśnienie powietrza za skrzydłem powoduje opór i jest produktem ubocznym siły nośnej. Tarcie powierzchniowe powierzchni nośnych i korpusu samolotu jest również składową oporu. Wir generowany na końcówce skrzydła, gdy strumienie powietrza o wyższym i niższym ciśnieniu zbiegają się i spiralnie wokół siebie mogą być również silnym składnikiem oporu, a także powodować turbulencje, które mogą wpływać na inne statki powietrzne.

Aby rozwiązać problem inna część twojego pytania, wytwarzanie siły nośnej i ciągu odbywa się według tych samych zasad przy użyciu konwencjonalnych silników tłokowych i odrzutowych (silniki rakietowe wytwarzają ciąg poprzez rozprężanie gazów). Być może jednym z najlepiej widocznych przykładów jest samoloty wahadłowe Osprey z dużymi śmigłami, które mogą wytwarzać siłę nośną, ciąg i dowolną kombinację pomiędzy nimi, w zależności od kąta nachylenia silników.

@ ymb1 analogia do pchania pudełko było doskonałym wyborem. Poruszanie się prostopadle do grawitacji (tj. Poruszanie się skrzydła do przodu) wymaga mniej siły niż po prostu przeciwstawianie się mu (tj. Pchnięcie w dół). Dlatego skrzydła są bardziej efektywnym wyborem, zarówno z perspektywy strukturalnej, jak i złożoności.

Cofnijmy się w czasie, aby zapytać pionierów próbujących latać z napędem ludzkim. Konstrukcja skrzydła zapewniała skuteczność w porównaniu z konstrukcjami, które opierały się na ciągu pionowym. Taka wydajność zachęciła do dalszych badań.

Siła nośna wytwarzana przez skrzydło przy odpowiedniej prędkości zależy od ciśnienia. Ciśnienie jest również odpowiedzialne za siłę nośną (wypór) w łodzi (ciśnienie wody zamiast powietrza). Możesz poprosić projektanta łodzi podwodnej o porzucenie stateczników i dodanie skierowanych w dół śmigieł w celu utrzymania głębokości.

Chociaż balon na ogrzane powietrze ma inny mechanizm, może wykazać, że do wytworzenia tej samej siły nośnej potrzebne są różne ilości energii, przy zastosowaniu innej zasady inżynieryjnej. W rzeczywistości mały silnik odrzutowy może być użyty do wytworzenia wystarczającej ilości gorącego powietrza, aby unieść balon za pomocą wózka. Jednak skierowanie małego silnika w dół nie zapewni wystarczającego ciągu do równoważnego podnoszenia.

Czy to nie jest trochę jak porównywanie jabłek i pomarańczy? Bez sił zewnętrznych, skrzydła bez silnika, który nimi napędza, niewiele robią, aby wzbić się w powietrze.

Silnik może tworzyć „podniesienie”, kierując go w dół. Aby oderwać się od ziemi, silnik musiałby wytwarzać ciąg, który przeciwdziała jego masie. Jeśli dodasz skrzydła, możesz wzbić się w powietrze ze znacznie mniejszym ciągiem. Tak więc skrzydła ZWIĘKSZAJĄ sprawność silnika, jeśli chodzi o siłę ciągu potrzebną do uniesienia się w powietrze.

Dodając do @Dmitrija Gregoriewa świetną odpowiedź: być może twoje pytanie sprowadza się do: dlaczego stałe skrzydło jest bardziej wydajne niż skrzydło w kształcie dysku.

Ze względu na teorię liny nośnej. Utworzenie określonej wielkości podnoszenia na skończonej rozpiętości jest tym bardziej efektywne, im większy rozpiętość.

Skrzydła to ekonomiczny sposób na przyspieszenie masy powietrza w dół. Fakt, że dobór naturalny wybrał ten system zamiast innych alternatyw, prawdopodobnie oznacza, że ​​skrzydła są najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem ...