Aby dojść do sedna sprawy, pomocne może być spojrzenie na siłę nośną na poziomie molekularnym:

Każda cząsteczka powietrza znajduje się w dynamicznej równowadze między efektami bezwładności, ciśnienia i lepkości:

• Bezwładność oznacza, że ​​masa cząsteczki chce podróżować tak jak wcześniej i potrzebuje siły, aby przekonać się, że jest inaczej.
• Ciśnienie oznacza, że ​​cząsteczki powietrza przez cały czas oscylują i odbijają się w inne cząsteczki powietrza . Im bardziej odbijają się, tym większą siłę wywierają na otoczenie.
• Lepkość oznacza, że ​​cząsteczki powietrza z powodu tej oscylacji mają tendencję do przyjmowania prędkości i kierunku swoich sąsiadów.

Przepływ nad górną częścią skrzydła

Przejdźmy teraz do przepływu powietrza: kiedy skrzydło zbliża się z prędkością poddźwiękową, obszar niskiego ciśnienia nad jego górną powierzchnią będzie zasysał powietrze przed nim. Spójrz na to w ten sposób: powyżej i poniżej pakietu powietrza mamy mniej podskakujących cząsteczek (= mniejsze ciśnienie), a teraz nie zmniejszone podskakiwanie powietrza poniżej i powyżej tej paczki będzie wypychać jej cząsteczki powietrza w górę i w kierunku tego skrzydła. Paczka powietrza uniesie się i przyspieszy w kierunku skrzydła i zostanie zassana do obszaru niskiego ciśnienia. Z powodu przyspieszenia pakiet zostanie rozciągnięty wzdłużnie, a jego ciśnienie spadnie wraz z przyspieszeniem. Rozprzestrzenianie się odbywa się w kierunku przepływu - pakiet jest zniekształcony i rozciągnięty wzdłuż, ale kurczy się w kierunku prostopadłym do przepływu. To skurczenie jest potrzebne, aby zrobić miejsce dla tego skrzydła; w przepływie naddźwiękowym zwolni w tym samym celu. Kiedy już się tam znajdzie, „zobaczy”, że skrzydło pod nim zakrzywia się z dala od jego ścieżki podróży i jeśli ta ścieżka pozostanie niezmieniona, utworzy się próżnia między skrzydłem a naszą paczką powietrza. Pakiet niechętnie zmieni kurs i podąży za konturem skrzydła. Wymaga to jeszcze niższego ciśnienia, aby cząsteczki zmieniły kierunek. To szybko płynące powietrze o niskim ciśnieniu z kolei zasysa nowe powietrze przed i pod nim, następnie zwalnia i odzyskuje swoje stare ciśnienie w tylnej połowie skrzydła, a następnie wypływa z nowym kierunkiem przepływu.

Pamiętaj, że unoszenie może nastąpić tylko wtedy, gdy górny kontur skrzydła będzie opadał w dół i odbiegał od początkowej ścieżki powietrza opływającego przednią krawędź skrzydła. Może to być pochylenie lub kąt natarcia - oba będą miały ten sam efekt. Ponieważ camber pozwala na stopniową zmianę konturu, jest bardziej efektywny niż kąt natarcia.

Przepływ nad dolną stroną skrzydła

Paczka powietrza, która znajdzie się pod skrzydłem, doświadczy mniejszego uniesienia i przyspieszenia, aw wypukłej części mocno wypukłych płatów ulegnie kompresji. Musi również zmienić swoją ścieżkę przepływu, ponieważ wygięte i / lub nachylone skrzydło będzie wypychać powietrze pod nim w dół, tworząc większe ciśnienie i bardziej odbijając się z góry dla naszej paczki pod skrzydłem. Kiedy oba pakiety dotrą do końcowej krawędzi, nabierzną trochę prędkości w dół.

Za skrzydłem oba pakiety będą przez jakiś czas poruszać się w dół. z powodu bezwładności i wypychać inne powietrze pod nimi w dół i na boki. Nad nimi to powietrze, które wcześniej było odpychane na boki, teraz wypełni przestrzeń nad naszymi dwoma paczkami. Makroskopowo wygląda to jak dwa duże wiry. Ale powietrze w tych wirach nie może już oddziaływać na skrzydło, więc nie wpłynie to na opór ani siłę nośną. Zobacz tutaj, aby uzyskać więcej informacji na temat tego efektu, w tym ładne zdjęcia.

Wzrost można wyjaśnić na kilka równoważnych sposobów

Podążając za przedstawionym rysunkiem pola ciśnienia powyżej, siła nośna to różnica ciśnień pomiędzy górną i dolną powierzchnią skrzydła. Cząsteczki będą odbijać się od skóry skrzydła bardziej po dolnej stronie niż po górnej, a różnica polega na uniesieniu.

Albo spójrz na makroskopowy obraz: pewna masa powietrza została przyspieszona w dół przez skrzydło, a to wymagało siły do ​​działania w tym powietrzu. Siła ta utrzymuje samolot w powietrzu: Podnoszenie.

Jeśli spojrzysz na skrzydło jak na czarną skrzynkę i będziesz zwracać uwagę tylko na impuls napływającego i wypływającego powietrza, skrzydło zmieni impuls przez dodanie składowej skierowanej w dół. Siłą reakcji tej zmiany impulsu jest siła nośna.

Tak czy inaczej, dojdziesz do tego samego wyniku. Swoją drogą: większość zmian kierunku ma miejsce w przedniej części płata, a nie na tylnej krawędzi!

Podnoszenie to kwestia definicji

Podnoszenie i opór indukowany są częścią ciśnienia działającego na skrzydło. Jeśli dodasz wszystkie siły nacisku działające na skrzydło, ich wektor wynikowy będzie skierowany lekko do tyłu. Komponent strumieniowy to przeciąganie, a komponent prostopadły do ​​kierunku ruchu to podnoszenie. To tylko definicja, stworzona dla uproszczenia.

Krótka odpowiedź: wywierając siłę skierowaną w dół na otaczające ich powietrze.

Długa odpowiedź: Niektórzy ludzie z Centrum Badawczego im. Glenna NASA napisali bardzo dobre, wielostronicowe wyjaśnienie, zajmując się każdym z nich indywidualnie. wpływ, a także dyskusja o tym, dlaczego wyjaśnienia, które mogłeś usłyszeć w szkole, nie działają. Ponieważ nawigacja jest nieco dziwna, podam linki do każdej strony z krótkim podsumowaniem.

Podnoszenie z obszaru ciśnienia

Gdy płyn przesuwa się nad obiektem (lub odwrotnie), ciśnienie jest różne w różnych punktach. Z powodu tej różnicy ciśnień istnieje ogólna siła. Możesz użyć równania Bernoulliego, aby obliczyć tę siłę, ale aby rozpocząć, musisz znać prędkość płynu (w każdym punkcie skrzydła). Nie można tego po prostu wyjaśnić za pomocą „efektu Bernoulliego”, ponieważ efekt Bernoulliego ma zastosowanie w takim samym stopniu do wszystkiego, co przemieszcza się w powietrzu.

Podnoszenie z toczenia przepływowego

Obie powierzchnie skrzydła zmieniają przepływ powietrza. Dolna powierzchnia odchyla ją (powietrze odbija się od skrzydła), natomiast zakrzywiona górna powierzchnia ją zagina (powietrze przykleja się do skrzydła). Obracanie przepływu jest tym, co daje ci siłę nośną, a nie tylko przeciąganie. Możesz spojrzeć na zwrot jako źródło różnicy ciśnień w efekcie Bernoulliego lub możesz o nim myśleć w kategoriach równych i przeciwnych sił.

Istnieje inny sposób modelowania skrętu przepływu, który nie jest omawiany w witrynie NASA. Jeśli słyszałeś o twierdzeniu Kutty-Joukowskiego, to właśnie do tego się odnosi. Kiedy powietrze pochyla się wokół skrzydła (lub dowolnego obiektu), są dwa specjalne punkty. Z przodu skrzydła część powietrza przechodzi przez górę, a część pod spód, ale między nimi jest punkt. Odwrotna sytuacja ma miejsce z tyłu skrzydła, gdzie powietrze z górnej powierzchni spotyka się z powietrzem wpadającym dołem (ale nie z „tym samym” powietrzem: patrz błędna teoria nr 1 poniżej). Te dwa punkty nazywane są punktami stagnacji . W normalnym obiekcie znajdują się one na tym samym poziomie względem siebie, ale ponieważ tył skrzydła jest ostry, tylny punkt stagnacji utworzy się za nim, gdy skrzydło będzie się poruszać wystarczająco szybko. To mniej niż przedni punkt stagnacji, co oznacza, że ​​ruch netto powietrza jest skierowany w dół. Stąd bierze się skręt przepływu, a twierdzenie pozwala obliczyć, ile masz podnoszenia.

Zła teoria nr 1: równy czas przejścia

Jak Powiedziałem, aby przywołać efekt Bernoulliego, musisz wyjaśnić, dlaczego powietrze na górnej powierzchni porusza się szybciej. Nauczyciele często twierdzą, że dzieje się tak, ponieważ powietrze na górnej powierzchni musi napotkać powietrze na dolnej powierzchni. To po prostu nie tak, a jest fajny symulator, który to demonstruje.

Zła teoria nr 2: przeskakiwanie kamienia

Ta strona omawia, kiedy ludzie zdają sobie sprawę z powietrza ” odbija się od „dolnej powierzchni skrzydła, ale zaniedbuje górną”.

Błędna teoria nr 3: Venturi

Niektórzy ludzie wyobrażają sobie górną powierzchnię skrzydło jako połówka dyszy Venturiego (dysza, która przyspiesza przepływ płynu poprzez zwężenie go). Ta różnica prędkości spowodowałaby różnicę ciśnień (znowu efekt Bernoulliego), ale okazuje się, że skrzydło w ogóle nie działa jak dysza.

Bernoulli i Newton

Ta ostatnia strona podsumowuje tylko, że złe teorie zaczynają się od dobrze znanej fizyki (prawa Newtona lub efekt Bernoulliego), ale potem próbują uprościć wszystko, aby dopasować je do sytuacji, więc kończą się wyjaśnieniami, które powodują, że są błędne prognozy.

JAK SAMOLOT GENERUJE PODNOSZENIE

Zwykle istnieją dwa popularne obszary myślenia (z wyjątkiem obalanej teorii równości czasu), dlaczego samolot lata; niektórzy uważają, że jest to spowodowane zastosowaniem trzeciego prawa Newtona, a inni uważają, że jest to spowodowane różnicą ciśnień na górze i na dole skrzydła. Zasadniczo zarówno wyjaśnienie „newtonowskie”, jak i wyjaśnienie „wysokiego / niskiego ciśnienia” są do pewnego stopnia słuszne. NASA przyznaje to (patrz druga wzmianka poniżej) w swoim artykule, jednak ich ostateczne wyjaśnienie jest znacznie bardziej skoncentrowane na zastosowaniu matematycznym, a mniej na wyjaśnieniu fizycznym.

Trzecie prawo Newtona

Po stronie trzeciej zasady dynamiki Newtona siła aerodynamiczna netto jest spowodowana przekierowaniem względnego wiatru w dół (znane jako „spłukiwanie”). Jeśli spojrzeć na wykres wektorowy opisujący siły działające na skrzydło skrzydła w powietrzu, to widać, że to przekierowanie jest spowodowane siłą wiatru działającą na skrzydło, które skierowane jest w dół i mniej więcej prostopadle do linii cięciwy skrzydła (tzw. bezpośrednio między krawędzią przednią a tylną). Ze względu na trzecie prawo Newtona, powoduje to siłę wiatru na skrzydle w przeciwnym kierunku (do góry i mniej więcej prostopadle do linii cięciwy); ta siła aerodynamiczna w górę netto odpowiada za siłę nośną i opór indukowany (opór spowodowany procesami podnoszenia płata, którego nie należy mylić z oporem pasożytniczym, który jest spowodowany powierzchniami samolotu; spadochron opadający za samolotem przyczyniłby się do opór, a wszystkie płaty wytwarzają pewien opór indukowany, kiedy generują siłę nośną).

Na spodzie skrzydła można w prosty sposób wyjaśnić to przekierowanie powietrza. Względny wiatr uderza w dno i jest wypychany z płata przez jego normalną siłę.

W górnej części skrzydła powietrze jest przekierowywane przez zjawisko zwane efektem Coandy, powodujące przepływ laminarny (względny wiatr podąża za skrzydłem i jest przez nie kierowany w dół). Opiszę bardziej szczegółowo, dlaczego wiatr podąża za tym przepływem laminarnym, kiedy wyjaśnię drugie główne zjawisko generujące siłę nośną, które ma związek z ciśnieniem (ponieważ będziesz potrzebować informacji z tej sekcji, aby zrozumieć efekt Coandy).

Wysokie / niskie ciśnienie

Ciśnienie powietrza jest wyższe spód skrzydła względem Patm (ciśnienie atmosferyczne). Dzieje się tak, ponieważ strumienie powietrza są skoncentrowane, gdy ich ścieżki są zablokowane i przekierowane przez płat. Wyższe stężenie powietrza prowadzi do wyższego ciśnienia.

Podobnie w górnej części płata strumienie powietrza nie docierają bezpośrednio do górnej powierzchni skrzydła, tworząc pustkę, w której występuje mniejsze stężenie cząstek powietrza, a tym samym niższe ciśnienie. Ponieważ płyny w naturalny sposób przepływają od wysokiego do niskiego ciśnienia, powietrze w Patm znacznie powyżej skrzydła jest „zasysane” w dół i przylega do powierzchni skrzydła. Jednak nawet przy tym przepływie laminarnym (jak omówiliśmy powyżej) nadal istnieje strefa niskiego ciśnienia na górze skrzydła; powietrze z przepływu laminarnego nadal nie wystarcza, aby przywrócić ten region do Patm. Można to znaleźć, patrząc na mapę ciśnień profilu płata - zobaczysz, że na górze skrzydła znajduje się obszar niskiego ciśnienia, nawet jeśli istnieje przepływ laminarny. Ta sekcja powinna była również odpowiedzieć na pytanie, dlaczego istnieje przepływ laminarny (zobacz ostatnią część trzeciej części prawa Newtona powyżej).

Wreszcie, ponieważ masz wyższe ciśnienie (siłę na jednostkę powierzchni) na dnie skrzydła niż w górnej części skrzydła, siły działające na płat są niezrównoważone i skierowane w górę, w kierunku podobnym do siły aerodynamicznej netto spowodowanej przez trzecie prawo Newtona (szczegółowo opisane powyżej). To wpływa na siłę aerodynamiczną netto.

Ze względu na niższe ciśnienie na górze skrzydła w stosunku do dołu, przepływ powietrza na górze skrzydła porusza się szybciej niż na dole, zgodnie z równaniem Bernoulliego (w zasadzie w strumieniu powietrza spadek ciśnienia skutkuje wzrost prędkości i odwrotnie) - Zobacz schemat przepływu na górze tego postu. Być może dlatego teoria „równego czasu” (że przepływ powietrza na szczycie skrzydła ma większą odległość do przebycia, więc musi podróżować szybciej) jest tak szeroko akceptowana. Przepływ powietrza na górze porusza się szybciej, ale nie dlatego, że jest to większa odległość.

To również tłumaczy „wiry na końcach skrzydeł” - te wirujące wiry powietrza, które można zobaczyć (w pewnych warunkach) spływających za skrzydła samolotu. Dzieje się tak, ponieważ powietrze o wysokim ciśnieniu z dołu skrzydła wiruje nad końcami skrzydła, próbując zneutralizować obszar niskiego ciśnienia na górze (ponieważ płyny mają tendencję do przemieszczania się od wysokiego do niskiego ciśnienia). Zwiększają nieco ciśnienie na górze skrzydła (iw rezultacie zmniejszają ciśnienie na dole), zmniejszając różnicę ciśnień, jednak ponieważ samolot się porusza, nie całe powietrze przemieszczające się od dołu do góry dociera do celu jako płat usuwa się z drogi, pozostawiając to powietrze, aby wirowało w okrągłym wirze. Ten strumień powietrza o wysokim ciśnieniu zmniejsza siłę nośną (ponieważ zmniejsza różnicę ciśnień). Dlatego wynaleziono winglety (pionowe przedłużenia skrzydeł na końcach skrzydeł) - aby zablokować część tego przepływu i zwiększyć siłę nośną (a tym samym oszczędność paliwa). „Efekt ziemi” lub zjawisko, które zwiększa siłę nośną, gdy samolot jest blisko ziemi, jest spowodowane tym, że ziemia przeszkadza powietrzu próbując zawirować i zneutralizować niskie ciśnienie na górze skrzydła.

Uwagi końcowe

Jeszcze jedno zjawisko aerodynamiczne, które będę odnosić do tego wyjaśnienia, to „przeciągnięcie”. Kiedy płat zatrzymuje się, traci dużą siłę nośną i nie może już przeciwdziałać grawitacji, co powoduje, że samolot spada na ziemię. Jako pilot wielokrotnie ćwiczyłem przeciągnięcia i są dwie zauważalne rzeczy, które zdarzają się przed przeciągnięciem. Po pierwsze, samolot znacznie traci prędkość, gdy zaczynasz zwiększać kąt natarcia. W tym przypadku całkowita siła działająca na skrzydło jest odchylana do tyłu, więc jest to głównie wywoływane opór, a nie podnoszenie (do pewnego punktu zwiększenie kąta natarcia zwiększa siłę nośną, ponieważ zwiększa całkowitą siłę na profilu, jednak jako kąt zaczyna się zmniejszać, a opór nadal rośnie). Wreszcie, gdy samolot zatrzymuje się, czujesz nagłe szarpnięcie w dół przez samolot, jakby trzymający go sznur został właśnie przecięty. W tym przypadku skrzydło osiągnęło swój krytyczny kąt natarcia, a przepływ laminarny w górnej części skrzydła (jak opisano szczegółowo powyżej) został oddzielony (ponieważ niższe ciśnienie na górze skrzydła nie może już ściągać wiatru w dół, aby dostosować się jego powierzchnia jako siła niezbędna do zmiany wektora prędkości wiatru o tak duży kąt nie może być wywierana przez tę różnicę ciśnień. Po zatrzymaniu samolotu należy ponownie podłączyć przepływ laminarny do przepływu powietrza, aby „wyzdrowieć” z przeciągnięcia - w samolocie zrób to, opuszczając jarzmo.

W przyszłości chciałbym rozszerzyć ten post o bardziej matematyczne wyjaśnienia, jak obliczyć siłę nośną danego profilu, a także zbadać inne powiązane rzeczy, takie jak współczynnik siły nośnej, liczba Reynoldsa, jak obliczyć krytyczny kąt natarcia, i pokrewnych tematów. Ta dziedzina jest generalnie zdominowana przez dane empiryczne i włamanie się do niektórych z nich za pomocą skomplikowanej matematyki jest trudne, ale przyjemne do wykonania (nie wspominając o drodze na przyszłość, zwłaszcza że komputery mogą teraz przetwarzać dla nas te modele matematyczne i są znacznie szybsze przy robieniu tego niż eksperymenty).

Przydatne źródła:

1. allstar.fiu.edu/aero/airflylvl3.htm

2. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/bernnew.html

3. grc.nasa.gov/www/k -12 / airplane / evil1.html

4. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong2.html

5. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong3.html

6. www.youtube.com/watch?v=YyeX6ArxCYI

Najprostszą odpowiedzią, jaką znam, jest to, że nadal jest dokładna, że ​​aby jakikolwiek obiekt poruszał się w powietrzu, pewna siła musi wypchnąć powietrze przed nim z drogi (grawitacja, silniki, pęd itp. materia). Jeśli więcej powietrza jest wypychane w dół, a następnie w górę (na przykład przez skrzydła), różnica nazywana jest windą.

Oto link do książki internetowej Johna S. Denkera na temat profili lotniczych. To jest prawdopodobnie ostateczne wyjaśnienie działania skrzydeł. John Denker ma kilka witryn, które warto sprawdzić.

http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

Podsumowanie : aby samolot o wadze 150 000 funtów mógł utrzymać się w powietrzu, musi nadać pędu powietrzu, przez które przelatuje 150 000 funtów. Można mówić o różnicach ciśnień powietrza (itp.), Ale to dopiero początek wyjaśnienia. Jeśli uważasz, że równy czas przejścia lub krzywizna skrzydeł jest tym, co sprawia, że ​​skrzydła działają, to musisz przeczytać.

Skrzydła wytwarzają siłę nośną, która spycha powietrze w dół. Jako dziecko wyciągałem rękę z otwartego okna samochodu i odchylałem - jest siła do góry. Robi to płaska płyta.

Więc skrzydła samolotu mogą być płaskimi płytami, ale niestety płaskie płyty powodują duży opór, gdy tylko tworzą siłę nośną, ponieważ przepływ w górnym końcu natychmiast się odłącza (spirala kręcona na powyższym obrazku). Ten efekt można zmniejszyć, używając wypukłej płyty zamiast płaskiej, zmniejszając wir na górnej powierzchni:

Ale problem pozostaje, że gdy tylko wypukła płyta jest dalej przechylana, tworzy duży opór, w taki sam sposób jak prosta płaska płyta. Kształt kropli wody jest bardziej skuteczny niż płaska płyta, utrzymując przepływ. A czym jest przekrój skrzydła inny niż wypukła płyta z przekrojem kropli wody?

Robi się to trochę zagmatwane i wszystko kiedy patrzymy na przyspieszające powietrze na górze i niższe ciśnienie itp., zwłaszcza jeśli chcemy wyjaśnić powstanie siły nośnej na tej podstawie. Ostatecznie siła nośna jest tworzona przez przyspieszanie powietrza w dół, a ciągłość masy oznacza, że ​​powietrze w górnej części musi przyspieszyć. To raczej skutek niż przyczyna.

Prostym sposobem zrozumienia tego jest to, że skrzydło działa jak ostrze wachlarza. Poruszanie się w powietrzu pod odpowiednim kątem powoduje tworzenie się próżni na górze. Przednia końcówka musi być okrągła, aby powietrze mogło płynnie poruszać się i rozszerzać w celu wytworzenia próżni.

Płaskie figi i inne kształty po prostu maksymalizują ten efekt, ale nie są konieczne. Dlatego można latać do góry nogami, o ile skrzydło uderza w powietrze pod odpowiednim kątem. (Nie pod kątem prostym.)

Update: See Own Experiments on Flow turning at the bottom of this post

I'm an independent science journalist, I did a lot of research about myths and false explanations around lift and this explanation is the outcome:

The Problem.As we know, the principle of the generation of lift in general and the Magnus effect is wrongly understood and explained false in many sources. The high flow speed around an airfoil bulge (or a spinning sphere /cylinder in the case of the Magnus effect) and the related low pressure (Bernoulli effect) is not the cause of the lift as often stated but is just assisting lift generation because it is an acceleration of the air. However, it is still an important factor in the mechanism of lift because it is part of the lift force (Force = Mass x Acceleration). This extra acceleration due to increased flow speed can be added to the normal acceleration that is involved with the force that causes a flow to turn.

The Real Cause.Also generally accepted is that the real cause of the lift is the air that is turned downwards by the angle or shape of the airfoil and this force causes a force in the opposite direction, as explained by, among others, NASA. Yet, the mechanism is still unclear for many people. I try to give a little more insight with some very easy self-developed experiments and examples that are easy to understand. (see also this video demonstration). We know that in order to turn a flow, a force is required, so the bigger the deflection, the bigger the force. A turning is actually an acceleration. During the turning there must be an equal force in the opposite direction (Newton’s third law). This is the actual lift on the airfoil. It is clear that a certain radius of flow turning (action) results in an equal radius of the opposite force (reaction). It is important to understand that the reaction of the airfoil on the accelerated airflow is caused by the interaction of the airfoil surface with the boundary layer.

Center of Pressure.The key to create action=reaction on the airfoil is the viscosity of the air as without the air sticking less or more to the airfoil, the necessary interaction would not happen.These forces act everywhere on the airfoil but the center of pressure (CP) occurs there were the average deflection is the biggest, so there is also the biggest action=reaction point. This is the point were the lift force acts on the airfoil. We can check this easily with deployed flaps. The flaps cause a bigger deflection of the air at the trailing edge, thus the center of pressure moves more to the trailing edge then without flaps.

The Real Lift Force.As the air is deflected downwards, the air exerts a force in the opposite direction which means that it adds up to the pressure on the underside of the wing with the result a bigger vector in the upward direction. But on the upper side of the wing now we have a smaller vector as the pressure is lowered because here is a deduction of the pressure caused by the force in the upward direction. The result is a net force upwards. This vertical pressure lowering is the real lift force.

Summarizing: We have a relatively low tangential pressure reduction (acting in the flow direction) which is the Bernoulli part and is the accelerating part of the lift force. And we have a huge vertical pressure reduction which is the Newtonian part of the lift force which actually causes the airfoil to move up and which determines where on the airfoil the center of pressure is located and where the resulting lift force acts. Most of the pressure we see on an isobars figure of an airfoil is vertical and only little is tangential. This corresponds to earlier measurements by aerodynamicists that the pressure reduction in the flow direction (Bernoulli) does not correspond to the actual generated lift. To understand the relation between the pressure reduction in the flow direction and the pressure reduction in the vertical direction, realize that the deflection of a flow in order to create lift is always accompanied by a pressure gradient, so if the flow speeds up over the top of the airfoil and lowers in pressure (Bernoulli’s principle) and then is turned downwards to create an upforce, the flow is decelerated and the pressure increases. This increase of pressure on the upper side of the airfoil is negligible compared to the decrease in pressure on the upper side caused by the air that is accelerated downwards, hence the airfoil moves up and we have lift.

One more Example. Imagine a flat plate wing flying at zero angle of attack with at the trailing edge a flap that is pointed downwards. Imagine only the airflow on the upper side of this wing. There is no acceleration and related pressure lowering of the flow as the flow doesn't pass any obstacle. It just encounters an adverse pressure gradient when it moves over the flap down because there is a decrease in flow speed thus an increase in flow pressure (Bernoulli). But as the flow is deflected down, a force in opposite direction acts at the same time and therefore on the upper side there is a much, much more important pressure decrease (because the force in the upward direction works against the ambient pressure coming from above). This decrease in pressure caused by the 'vertical' action is the real lift force.

Update: Own Experiments on Flow Turning. On september 26, 2018, during personal flow turning test experiments with self developed cardboard flying wing devices, I strongly found evidence for a theory that I had long suspected. This involves the importance of the distance of flow turning in relation to the steepness of the turning. Explained briefly: The distance of turning seems more important then the angle of turning. When throwing the wing, and when estimating the location of the center of pressure, the side with the longest turning always won it from the side with the steepest turning, no matter what the orientation of the wing was.

The test results:

--Short steep curve pointing downwards in the front, long less steep curve in the back pointing upwards.> Result: positive momentum, nose moves up.This is the effect of the curve in the back as a predominant down pointing curve in the front would generate a nose-down moment as this would be a negative angle of attack.

--Long less steep curve pointing upwards in the front, short steep curve in the back pointing downwards.> Result: positive momentum, nose moves up. This is the effect of the long less steep curve in the front as this is a positive angle of attack.

The results of my findings correspond to the fact that the flow turning at the leading edge of an airfoil is acually the biggest while it is not creating the biggest momentum. The turning to the trailing edge after the point of maximum camber however is longer, it wins, so it creates the CP momentum. It seems logical however that in a battle between two curves of the same length, the curve with the steepest angle wins.

One of my self-developed devices to do experiments with lift, flow turning and center of pressure: The FWSCLm Demonstrator (Flying Wing Stability & CL movement). The pen in the front can be moved in and out in order to regulate the center of gravity. The flaps in the back are used to increase or decrease the curvature of the wing profile in order to regulate the center of lift. side-view

W jaki sposób mała kulka wytwarza siłę dośrodkową, gdy porusza się po zakrzywionej powierzchni? Powodem jest grawitacja. Kiedy mała kulka ma prędkość wzdłuż czerwonej strzałki, mała kulka ma tendencję do opuszczania jej wzdłuż normalnego kierunku powierzchni, więc siła małej kulki na zakrzywionej powierzchni zostanie zmniejszona, a zatem siła dośrodkowa małego kula poruszająca się po powierzchni zostanie uzyskana.

Zamieniamy małe kulki na powierzchni w powietrze. Gdy powietrze się nie porusza, załóżmy, że siła powietrza na zakrzywionej powierzchni wynosi F, a gdy powietrze ma prędkość wzdłuż kierunku czerwonej strzałki, siła powietrza na zakrzywionej powierzchni wynosi f, ponieważ powietrze ma prędkość tendencja do wychodzenia wzdłuż normalnego kierunku zakrzywionej powierzchni, więc F> f. Powietrze ma więc siłę dośrodkową poruszającą się po zakrzywionej powierzchni, co powoduje, że porusza się po zakrzywionej powierzchni.

Siła wywierana przez powietrze na zakrzywioną powierzchnię to ciśnienie powietrza. Spadek ciśnienia powietrza to spadek siły wywieranej przez powietrze na zakrzywioną powierzchnię.

Zakrzywiona powierzchnia jest tutaj podobna do skrzydła.

Podnoszenie to siła wytwarzana na skrzydle z powodu różnicy ciśnień . Tak więc, w zasadzie, jeśli jesteś w stanie osiągnąć różne ciśnienie nad i pod skrzydłem, musisz mieć siłę nośną. Teraz, z podstawowego prawa Newtona, siła ta byłaby skierowana z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia (ponieważ obszar wysokiego ciśnienia będzie naciskał na powierzchnię, wywierając na nią większą siłę w porównaniu z obszarem niskiego ciśnienie, które popychałoby powierzchnię ze stosunkowo mniejszą siłą).

Teraz ważne jest, aby wytworzyć tę różnicę ciśnień. Osiąga się to poprzez wykorzystanie interesującej właściwości płynu: szybko płynący płyn ma niższe ciśnienie w porównaniu do wolno poruszającego się płynu. Właściwość tę można udowodnić różnymi środkami matematycznymi i jest ona pięknie włączona do zasady Bernoulliego . Stąd Zasada Bernoulliego jest matematycznym wyrażeniem nieodłącznej właściwości płynu.

Teraz, aby uzyskać siłę nośną, można wytworzyć wymaganą różnicę ciśnień poprzez przepływ wokół płata w w taki sposób, że prędkości płynu poniżej i powyżej płata są różne. Osiąga się to poprzez zmianę kształtu skrzydła (Camber) w taki sposób, że staje się ono asymetryczne. Asymetria powoduje różne prędkości w górnej i dolnej części płata z następującego powodu:

Kiedy płyn osiąga krawędź wiodącą płata, część płynu jest przemieszczana w górę, a część w dół. Ze względu na asymetrię płata płyn, który przesunął się do góry, ma mniejszą powierzchnię przekroju poprzecznego do przejścia w porównaniu z płynem, który przeszedł pod płatem. Ta różnica w obszarze dostępnym dla płynu do ruchu tworzy różnicę w prędkościach płynu w różnych obszarach. Tę właściwość płynu do szybszego poruszania się w obszarach o mniejszym przekroju i powolnego poruszania się w obszarach o większym przekroju można wyprowadzić w formie matematycznej przez zastosowanie zachowania masy i nazywa się ją zasadą ciągłości .

W związku z tym zmienione prędkości płynu tworzą gradient ciśnienia, który z kolei wywołuje siłę na skrzydle, zwaną siłą nośną. Teraz ta winda może być skierowana w dowolnym kierunku (co można zobaczyć integrując bardzo małe siły na bardzo małych obszarach na powierzchni skrzydła). Składowa tej siły prostopadłej do kierunku prędkości statku powietrznego nazywana jest siłą nośną , gdzie jako druga składowa równoległa do prędkości samolotu jest następnie uwzględniana w sile oporu .

EDYCJA

W celu bardzo dokładnego przedstawienia równań rządzących zachowaniem płynu można argumentować, że zasada Bernoulliego jest błędna. W tym przypadku równanie Naviera Stoke'a jest poprawne, ale dla celów zrozumienia można uznać, że każdy niezmienny w czasie (stały), ściśliwy, nielepki przepływ jest zgodny z równaniem Bernoulliego.

Ponadto w przypadku rzeczywistego płynu nie byłby on przez większość czasu zgodny z równaniem Bernoulliego, ale nadal obserwuje się ogólne zachowanie spadku ciśnienia wraz ze wzrostem prędkości przepływu, chociaż dokładnego spadku ciśnienia nie można obliczyć za pomocą równania Bernoulliego. W takich przypadkach równanie Naviera Stoke'a jest używane do prawidłowego obliczenia spadku ciśnienia powstałego w wyniku zwiększonej prędkości przepływu.

EDYCJA 2

W przypadku skrzydeł symetrycznych, skrzydło nie będzie generować żadnego unoszenia, jeśli przepływ widzi skrzydło symetrycznie, co z natury oznacza, że ​​symetryczne skrzydło z kątem natarcia 0 nie wytworzy żadnego unoszenia. Aby unieść się z symetrycznego skrzydła, jest on umieszczony pod pewnym kątem do przepływu, tak aby przepływ widział to „asymetrycznie”, a zatem powyższe wyjaśnienie może być użyte do wyjaśnienia życia wygenerowanego w tym przypadku.

EDYCJA 3

Wyjaśnienie samolotów lecących do góry nogami: aby normalny samolot mógł latać, potrzebny jest dodatni kąt natarcia. Daj temu samolotowi obrót w osi prędkości o 180 stopni, a otrzymasz samolot o kącie natarcia -ve, a zatem ujemną siłę nośną. Ale samolot nie jest w stanie utrzymać lotu z ujemną siłą nośną, więc to, co muszą zrobić odwrócone samoloty latające, to zwiększyć kąt natarcia -ve do dodatniego, poprzez podciągnięcie nosa do góry (to byłoby wypychanie go w górę w górę w dół płaszczyzny). To powoduje, że kąt natarcia zmienia się i staje się + ve. Kąt natarcia + ve oznacza, że ​​skrzydło będzie teraz doświadczać takiego życia, że ​​odwrócony samolot unosi się w górę (jest to równoważne normalnej płaszczyźnie o kącie natarcia - ve, a więc ujemnym nośności).

Samolot leci według kilku mechanizmów. Pierwszym z nich jest efekt Bernoulliego spowodowany wygięciem skrzydła, które generuje różnicę ciśnień, popychając skrzydło do góry, gdy porusza się do przodu w powietrzu. Zwróć uwagę, że ptaki mają wygięte skrzydła. Jednak możliwe jest posiadanie samolotu z całkowicie płaskimi skrzydłami i bez żadnego pochylenia, więc błędem jest myślenie, że jest to jedyne źródło siły nośnej (jak to zrobiły niektóre z powyższych odpowiedzi).

Ważny jest również kąt u nasady skrzydła. Jeśli wyciągniesz rękę pod kątem przez okno samochodu, poczujesz, że jest ona wypychana do góry. Ten sam efekt uzyskuje się w samolocie, lekko odchylając skrzydła do góry w stosunku do płaszczyzny kadłuba.

Wreszcie, należy mieć świadomość, że powód, dla którego samolot pozostaje w górze, nie ma nic wspólnego z uniesieniem, ale z powierzchnią, którą przedstawia na ziemię. Główną siłą utrzymującą płaszczyznę w górze jest opór powietrza, który jest funkcją tej powierzchni. Siła tego oporu powietrza jest znacznie większa niż siła generowana przez poprzednie dwa efekty. Na przykład głównym kryterium projektowym samolotu jest to, czy ma on kwadratowy kadłub, czy też okrągły / owalny. Kwadratowy kadłub będzie miał większą powierzchnię nad ziemią, dzięki czemu będzie miał większą skuteczność w utrzymywaniu się w górze. Z tego powodu prawie wszystkie wczesne samoloty miały kwadratowe kadłuby. Jednak okrągły kadłub będzie bardziej efektywny w ruchu do przodu niż kwadratowy, więc w samolocie zbudowanym z myślą o szybkości, okrągły jest lepszy. Samolot z okrągłym kadłubem porusza się szybciej, ale zużywa mniej paliwa niż samolot z kwadratowym kadłubem.

Ten sam argument odnosi się do obszaru skrzydła. Im większe skrzydło, tym większy opór powietrza. Z tego powodu szybowce mają stosunkowo duże skrzydła w porównaniu do samolotów z napędem. Wada dużego skrzydła jest taka sama jak kwadratowego kadłuba: samolot leci wolniej.

Podsumowując, istnieją trzy czynniki, które utrzymują samolot w powietrzu: pionowy opór powietrza spowodowany powierzchnią skierowaną w dół, kąt nachylenia skrzydeł u nasady skrzydeł oraz efekt Bernoulliego związany z wygięciem skrzydeł.