Подемна сила
Подемната сила се създава, когато флуид обтича повърхността на дадено тяло. Подемната сила е перпендикулярна на напорния поток обтичащ аеродинамичната форма[1], за разлика от съпротивлението, което е успоредно на потока. Ако флуидът е въздух, подемната сила е аеродинамична; ако флуидът е течност, подемната сила е хидродинамична.
Подемната сила най-често се свързва със самолетното крило, но се създава при въртенето на въздушни винтове, като обезпечава тягата на летателния апарат; хвърчила; хеликоптери; управляващи повърхности, платна и килове на платноходи; водни крила или компенсатори; кораби на подводни крила; скоростни моторни лодки; автомобилни спойлери; вятърни турбини и други тела. При обтичане дори тяло като човешката длан поставена под определен ъгъл създава подемна сила. Използваните т. нар. аеродинамични профили са с обтекаема аеродинамична форма, предназначена да произведе значително повече подемна сила, отколкото съпротивление.[2]
Обяснения на подемната сила
[редактиране | редактиране на кода]Подемната сила най-често е разглеждана като противодействаща на гравитационното притегляне, но посоката ѝ зависи от тази на обтичащия поток. [3] При набиране на височина, снижаване или вираж, подемната сила е под наклон спрямо равнината.[4] При въздушна акробатика и висш пилотаж със самолети, както и при автомобилите, подемна сила може да е отрицателна. При автомобилите обтекаемата форма е такава, че да създава подемна сила увеличаваща гравитационното притегляне т.е. трябва да увеличава сцеплението със земната повърхност и устойчивостта на автомобила. При платноходите създаваната сила е водоравна, т.е. на нея, както при въздушния винт се разчита да движи съда в управляваната посока.
Подемната сила е най-широко ползвана в практиката – например в авиацията – но не подлежи на лесно и еднозначно обяснение. Традиционните обяснения за подемната сила днес са научно дискредитирани, а между поддръжниците на различни обяснения цари ожесточен спор.[5][6][7][8][9] По-скорошните обяснения почиват пряко върху Законите на Нютон и разглеждат аеродинамичния профил като своеобразна помпа. По-ранните почиват по-скоро върху принципа на Бернули, съответно промените в наляганията около аеродинамичния профил. И двата вида обясняват подемната сила, като наблягат върху различни негови аспекти.[10]
Отклоняване на обтичащия поток, изявяващо се като подем
[редактиране | редактиране на кода]Предпочитаното днес обяснение на подема е, че аеродинамичният профил упражнява усилие спрямо обтичащия го поток и променя посоката му, а потокът на свой ред упражнява еднакво усилие спрямо профила, в противоположна посока. Така самолетното крило упражнява низходящо усилие спрямо въздуха, а въздухът упражнява възходящо усилие спрямо крилото.[12][14][15][16][17][18]
Обяснението почива на Втория и Трети закони на Нютън, като Вторият е изразен по следния начин: „Чистата сила, въздействаща върху тяло е равна на степента на изменение във времето на неговия импулс“.[19] (Всъщност, това е първоначалното изразяване на Закона, дадено му от самия Нютън и често цитирано до днес – „Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur“; възприетото на български конвенционално изразяване е „сила, действаща на системата отвън, води до ускоряване на системата“.) Третият закон е изразен конвенционално: „Всяко действие има равно по големина и противоположно по посока противодействие“.[20]
Друго обяснение за отклоняването е, че аеродинамичният профил придава изкривена траектория на въздушния поток, като това отклоняване (изкривяване) произвежда подема.[21]
Разлики в наляганията, изявяващи се като подем
[редактиране | редактиране на кода]Подемът може да се обясни и посредством флуидното налягане. Налягането е сила върху единица площ. При упражняване на сила възниква разлика в налягането, та отклоняването на потока и промяната в посоката му сочат за присъствието на сила и съответно на разлика в наляганията. Тук средното налягане над горната повърхност на аеродинамичния профил е по-ниско от това под долната му повърхност.[22][23][24]
Обтичане на двете страни на аеродинамичния профил, изявяващо се като подем
[редактиране | редактиране на кода]От илюстрацията личи, че аеродинамичният профил „обръща“ въздуха и от двете си страни, от което следва, че и двете страни на профила участват в произвеждането на подем. При дозвукова скорост горната повърхност „обръща“ повече въздух от долната, а градиентът на налягане върху нея е значително по-голям, отколкото под долната. Просто обяснение обуславя подема като резултат от удрянето на въздушни молекули о долната повърхност, но това пренебрегва горната. Ала при хиперзвукова скорост обяснението не води до грешки.[25][26][27]
Ограничения на обясненията с „обръщане“ на въздуха
[редактиране | редактиране на кода]Хипотезата правилно гласи, че отклоняването на потока упражнява усилие спрямо крилото, но не обяснява защо потокът се отклонява. Докато може да се твърди, че потокът просто следва кривата на профила,[28] това е недостатъчно строго и точно.
Хипотезата е и недостатъчно подробна, за да разреши точни изчисления за практически цели.[29] Флуидните напрежения, включително налягането, изискват свързване с флуидното движение, евентуално изразено по математически път. Затова учените обясняват подема по по-сложни начини.
Обстойно физическо обяснение
[редактиране | редактиране на кода]Обстойното разглеждане на всички известни принципи, които влияят на подема, изисква задълбочени познания.[11][30]Подемът се произвежда по фундаментални принципи на физиката. Най-общо в него участват три принципа:
- Законите на Нютън и особено Вторият, който се отнася към силата, упражнена върху частица въздух и темпът на промяна на инерцията на същата частица;
- Принципът за запазването на масата, включително приемането, че повърхността на аеродинамичния профил е непромокаема за обтичащия го поток;
- Уравнения относно усилията върху флуидите (с компоненти налягане и срез) в потока.[31]
Последният принцип гласи, че налягането зависи от останалите свойства на потока като например масовата му гъстота и (термодинамичното) му състояние, докато срезовите усилия са свързани с проникване през гъстотата на въздуха.[31] Прилагането на срезовите усилия към Втория закон на Нютън ни дава уравненията на Навие-Стокс. В ред случаи и оценки, които пренебрегват крупни дялове от визкозността на потока, дават нелоши описания на свойствата на аеродинамичните профили. Подобен идеален поток може да се опише посредством Ойлерови уравнения, като описанието съвпада с резултата от уравненията Навие-Стокс при пренебрегване на вискозността.
Прилагането на Ойлерови уравнения към идеални потоци добива Принципа на Бернули. Конкретното добито изражение на Бернулевото уравнение зависи от изходните данни.[32] При ниски дозвукови скорости може да се пренебрегнат сгъстителните (компресибилни) ефекти, което би добило добър модел на несгъстен поток. При несгъстен идеален поток Бернулевото уравнение е интеграция на Втория закон на Нютън, която описва еволюцията на инерцията според Ойлерови уравнения.[32]
Външни препратки
[редактиране | редактиране на кода]- ↑ What is Lift? // NASA Glenn Research Center. Архивиран от оригинала на 2009-03-09. Посетен на 4 март 2009.
- ↑ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 5.2
- ↑ Повечето време подемната сила е леко повече или по-малко от гравитационното притегляне, в зависимост от тягата и вертикалната ориентация на оста на тягата. При наличие на странична тяга се появява и противодействащ ѝ странично-действаща подемна сила
- ↑ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 14.6
- ↑ „Удивително е, че днес, близо 100 години след първия полет на братя Райт, групи инженери, учени, летци и други се събират и водят усилени дебати относно това как самолетното крило произвежда подемна сила. Представят се разни обяснения, а дебатът се върти около това кое обяснение е най-фундаментално.“|John D. Anderson|Уредник на експозицията по аеродинамика към Националния въздушно-космически вузей в САЩ
- ↑ Vogel, Steven. Life in Moving Fluids. Second. Princeton University Press, 1996. ISBN 9780691026169. „Тази добронамерена измислица [авторът визира обяснението, което твърди, че потоците над и под крилото се срещали зад него, т.е. че го обтичали за еднакво време] продължава да се налага цял век след като разгадахме какво всъщност става.“
- ↑ Ison, David. Bernoulli Or Newton: Who's Right About Lift?. Посетен на 14 януари 2011. Архив на оригинала от 2015-09-24 в Wayback Machine. „Като попитах д-р Шийла Уиднал – професор по самолетостроене, космическо корабостроене и инженерни системи в Масачузетския технически институт – относно този спор, тя отговори: „Противоречията по въпроса плашат, тъй като в крайна сметка говорим за основата на цялата дозвукова авиация.“
- ↑ „Едно обяснение на това как крилото произвежда подемна сила бе, че вследствие формата му, въздухът се движел по-бързо върху него, отколкото под него, понеже горната повърхност била по-дълга. Ала при тънки аеродинамични повърхности, като например платната, разстоянието от една страна е еднакво на това от другата, та това обяснение се проваля." The Aerodynamics of Sail Interaction Архив на оригинала от 2011-07-07 в Wayback Machine. от Arvel Gentry в „Proceedings of the Third AIAA Symposium on the Aero/Hydronautics of Sailing 1971]“
- ↑ „Често давано обяснение е, че потокът над крилото изминавал по-дълго разстояние и следователно бил по-бърз. Това обяснение е грешно.“ A comparison of explanations of the aerodynamic lifting force Klaus Weltner Am. J. Phys. Vol. 55 1 януари 1987
- ↑ Ison, David. Bernoulli Or Newton: Who's Right About Lift?. Посетен на 14 януари 2011. Архив на оригинала от 2015-09-24 в Wayback Machine.
- ↑ а б Anderson, John D. Introduction to Flight. 5th. McGraw-Hill, 2004. ISBN 0-07-282569-3. с. 352 – 361, §5.19.
- ↑ „Крилото насочва въздушния поток така, че векторът зад крилото е насочен леко надолу (…) Следва, че крилото придава низходящ инерционен момент на въздуха; сиреч, крилото упражнява усилие спрямо въздуха, притискайки потока надолу. От Третия закон на Нютън следва, че равната и противопосочна реакция се изявява като подем.“ [11]
- ↑ Weltner, Klaus, Ingelman-Sundberg, Martin. Physics of Flight – reviewed. Архив на оригинала от 2011-07-19 в Wayback Machine.
- ↑ „Причината за аеродинамичната подемна сила се корени в низходящото ускоряване на въздуха от крилото...“[13]
- ↑ „Основната истина за всички летателни апарати, по-тежки от въздуха е: „крилото ги държи във въздуха като изтласква последния надолу“ В: Langewiesche, Wolfgang. Stick and Rudder: An Explanation of the Art of Flying. McGraw-Hill, 1990. ISBN 0070362408. с. 6 – 10.
- ↑ „... крилото придава на въздушния поток низходяща скоростна компонента. Реактивната сила на отклонената въздушна маса на свой ред придава на крилото еднаква по стойност и обратна по посока компонента.“ В: Halliday, David, Resnick, Robert. Fundamentals of Physics 3rd Edition. John Wiley & Sons. с. 378.
- ↑ „Подемът, произвеждан от даден самолет е – по силата на принципа на действието и противодействието – неизменно свързан с низходящия импулс с всичките му производни.“ Ludwig Prandtl, цитиран от John D. Anderson в Introduction to Flight pg 332
- ↑ „Птиците и самолетите летят като постоянно притискат въздуха надолу: L = dp/dt Където L е подемът и dp/dt е темпът, с който низходящата инерция се придава спрямо въздушния поток.“ Flight without Bernoulli Chris Waltham The Physics Teacher Vol. 36, Nov. 1998.
- ↑ Tennekes, Henk. The Simple Science of Flight. Cambridge, Mass., The MIT Press, 2009. ISBN 978 0 262 51313 5.
- ↑ Feynman, RichardP., Leighton, Robert B., Sands, Matthew. The Feynman Lectures on Physics. Reading, Mass., Addison-Wesley, 1963. ISBN 0-201-02116-1., Vol. 1, §10 – 1 and §10 – 2.
- ↑ Lift from Flow Turning // NASA Glenn Research Center. Архивиран от оригинала на 2011-07-05. Посетен на 7 юли 2009.
- ↑ При еднакви налягания около дадено тяло, то не би произвело нетна сила. Виж плавателност). Следователно, за упражняване на сила спрямо тяло, потопено във флуид, са нужни разлики в налягането около него. За пример, виж: Batchelor, G.K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 1967. ISBN 0521663962. с. 14 – 15.
- ↑ The Bernoulli Conundrum. Февруари 2007. Архив на оригинала от 2012-02-25 в Wayback Machine.
- ↑ „... щом даден поток е изкривен, по кривата на изкривяването му съществува градиент на налягането...“Babinsky, Holger. How do wings work?. Physics Education. Ноември 2003.
- ↑ NASA, Glenn Research Center. Aerodynamic Forces // Архивиран от оригинала на 2013-01-12. Посетен на 2012-03-01.
- ↑ „... нютоновата теория често се прилага за приблизително изчисляване на градиента на налягания около тяло, движещо се с хиперзвукова скорост.“ Fundamentals of Aerodynamics 3rd ed. от John D. Anderson, Jr. McGraw-Hill 2001 ISBN 0-07-237335-0 page 686
- ↑ www.grc.nasa.gov // Архивиран от оригинала на 2005-12-20. Посетен на 2012-03-01.
- ↑ „Повечето студенти се задоволяват с вида на потока, обтичащ дадено крило, просто защото... той им изглежда интуитивно правилен.“Babinsky, Holger. How do wings work?. Physics Education. Ноември 2003.
- ↑ „Ползвахме много проста физична парадигма, почиваща само върху Втория закон на Нютън, за да възпроизведем всички основни черти на една строга хидродинамична трактовка на летенето... Парадигмата прояви ограниченията си; с помощта ѝ не можахме да изчислим реални динамични характеристики.“ Waltham, Chris. Flight Without Bernoulli. The Physics Teacher. Ноември 1998.
- ↑ NASA Glenn Research Center. Bernoulli and Newton. NASA. Архив на оригинала от 2006-02-07 в Wayback Machine.
- ↑ а б Batchelor, G.K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 1967. ISBN 0521663962. с. 141 – 151.
- ↑ а б Batchelor, G.K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 1967. ISBN 0521663962.
Уикипедия разполага с Портал:Авиация |
Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата Lift (force) в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите.
ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни. |