Περιεχόμενο
- Αντίσταση δύναμης ανύψωσης
- Απόκλιση εξισώσεων ανύψωσης
- Άλλες χρήσεις συντελεστή ανύψωσης
- Αριθμομηχανή εξισώσεων και συντελεστή ανύψωσης
Είτε μελετάτε την πτήση των πτηνών που κτύπησαν τα φτερά τους να ανεβαίνουν στον ουρανό ή την άνοδο αερίου από μια καμινάδα στην ατμόσφαιρα, μπορείτε να μελετήσετε πώς αντικείμενα ανυψώνονται ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας για να μάθουν καλύτερα για αυτές τις μεθόδους "πτήσης". "
Για τον εξοπλισμό των αεροσκαφών και τα αεροσκάφη που ανεβαίνουν στον αέρα, η πτήση εξαρτάται από την υπέρβαση της βαρύτητας καθώς και από τη μέτρηση της δύναμης του αέρα σε αυτά τα αντικείμενα από τότε που οι αδελφοί Ράιτ εφευρέθηκαν το αεροπλάνο. Ο υπολογισμός της ανυψωτικής δύναμης μπορεί να σας πει πόση δύναμη χρειάζεστε για αυτά τα αντικείμενα εναέριμα.
Αντίσταση δύναμης ανύψωσης
Τα αντικείμενα που πετούν στον αέρα πρέπει να αντιμετωπίζουν τη δύναμη του αέρα που ασκείται εναντίον τους. Όταν το αντικείμενο κινείται προς τα εμπρός μέσω του αέρα, η δύναμη οπισθέλκουσας είναι το μέρος της δύναμης που δρα παράλληλα με τη ροή της κίνησης. Ανυψώστε, αντίθετα, είναι το τμήμα της δύναμης που είναι κάθετη στη ροή του αέρα ή άλλου αερίου ή υγρού στο αντικείμενο.
Τα τεχνητά αεροσκάφη, όπως ρουκέτες ή αεροπλάνα, χρησιμοποιούν την εξίσωση δύναμης ανύψωσης L = (Cμεγάλο ρ v2 Α2 για δύναμη ανύψωσης μεγάλο, συντελεστής ανύψωσης ντομεγάλο, πυκνότητα του υλικού γύρω από το αντικείμενο ρ ("rho"), ταχύτητα v και την πτέρυγα ΕΝΑ. Ο συντελεστής ανύψωσης συνοψίζει τις επιδράσεις διαφόρων δυνάμεων στο αερομεταφερόμενο αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένου του ιξώδους και της συμπιεστότητας του αέρα και της γωνίας του σώματος σε σχέση με τη ροή, καθιστώντας την εξίσωση για τον υπολογισμό της ανύψωσης πολύ πιο απλή.
Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί συνήθως καθορίζουν ντομεγάλο πειραματικά μετρώντας τις τιμές της δύναμης ανύψωσης και συγκρίνοντάς τις με την ταχύτητα των αντικειμένων, την περιοχή του πτερυγίου και την πυκνότητα του υγρού ή του αερίου υλικού, το αντικείμενο βυθίζεται. Δημιούργησε ένα γράφημα ανύψωσης έναντι της ποσότητας (ρ v2 Α2 θα σας δώσει μια γραμμή ή σύνολο σημείων δεδομένων που μπορούν να πολλαπλασιαστούν με το ντομεγάλο για να προσδιοριστεί η δύναμη ανύψωσης στην εξίσωση της ανυψωτικής δύναμης.
Οι πιο προηγμένες υπολογιστικές μέθοδοι μπορούν να καθορίσουν πιο ακριβείς τιμές του συντελεστή ανύψωσης. Ωστόσο, υπάρχουν θεωρητικοί τρόποι προσδιορισμού του συντελεστή ανύψωσης. Για να κατανοήσετε αυτό το κομμάτι της εξίσωσης δύναμης ανύψωσης, μπορείτε να δείτε την παράδοση της φόρμουλας δύναμης ανύψωσης και πώς υπολογίζεται ο συντελεστής δύναμης ανύψωσης ως αποτέλεσμα αυτών των αερομεταφερόμενων δυνάμεων σε ένα αντικείμενο που βιώνει ανελκυστήρα.
Απόκλιση εξισώσεων ανύψωσης
Για να υπολογίσετε τις μυριάδες δυνάμεων που επηρεάζουν ένα αντικείμενο που πετάει στον αέρα, μπορείτε να ορίσετε το συντελεστή ανύψωσης ντομεγάλο όπως και ντομεγάλο = L / (qS) για δύναμη ανύψωσης μεγάλο, επιφάνεια μικρό και δυναμική πίεση ρευστού q, συνήθως μετριέται σε pascals. Μπορείτε να μετατρέψετε τη δυναμική πίεση ρευστού στη φόρμουλα της q = ρu2/ 2 για να πάρετε ντομεγάλο = 2L / ρυ2μικρό στο οποίο ρ είναι η πυκνότητα ρευστού και u είναι η ταχύτητα ροής. Από αυτή την εξίσωση, μπορείτε να την αναδιοργανώσετε για να εξάγετε την εξίσωση της δύναμης ανύψωσης L = Cμεγάλο ρu2S / 2.
Αυτή η δυναμική πίεση ρευστού και επιφάνεια σε επαφή με τον αέρα ή το υγρό εξαρτώνται επίσης πολύ από τη γεωμετρία του αερομεταφερόμενου αντικειμένου.Για ένα αντικείμενο που μπορεί να προσεγγιστεί ως ένας κύλινδρος όπως ένα αεροπλάνο, η δύναμη πρέπει να εκτείνεται προς τα έξω από το σώμα του αντικειμένου. Η περιοχή επιφάνειας, τότε, θα ήταν η περιφέρεια του κυλινδρικού σώματος φορές το ύψος ή το μήκος του αντικειμένου, δίνοντάς σας S = C xh.
Μπορείτε επίσης να ερμηνεύσετε την επιφάνεια σαν προϊόν πάχους, μια ποσότητα επιφάνειας διαιρούμενη κατά μήκος, t , έτσι ώστε, όταν πολλαπλασιάζετε το πάχος φορές το ύψος ή το μήκος του αντικειμένου, παίρνετε επιφάνεια. Σε αυτήν την περίπτωση S = t x h.
Ο λόγος μεταξύ αυτών των μεταβλητών επιφάνειας σας επιτρέπει να γράψετε ή πειραματικά να μετρήσετε πώς διαφέρουν για να μελετήσετε το αποτέλεσμα είτε της δύναμης γύρω από την περιφέρεια του κυλίνδρου είτε της δύναμης που εξαρτάται από το πάχος του υλικού. Άλλες μέθοδοι μέτρησης και μελέτης των αερομεταφερόμενων αντικειμένων με χρήση του συντελεστή ανύψωσης υπάρχουν.
Άλλες χρήσεις συντελεστή ανύψωσης
Υπάρχουν πολλοί άλλοι τρόποι προσέγγισης του συντελεστή καμπύλης ανύψωσης. Επειδή ο συντελεστής ανύψωσης πρέπει να περιλαμβάνει πολλούς διαφορετικούς παράγοντες που επηρεάζουν την πτήση αεροσκαφών, μπορείτε επίσης να το χρησιμοποιήσετε για να μετρήσετε τη γωνία που μπορεί να πάρει ένα αεροπλάνο σε σχέση με τη γη. Αυτή η γωνία είναι γνωστή ως γωνία προσβολής (AOA), που εκπροσωπείται από α ("άλφα") και μπορείτε να ξαναγράψετε τον συντελεστή ανύψωσης ντομεγάλο = CL0 + Cμεγάλοαα.
Με αυτό το μέτρο ντομεγάλο που έχει μια επιπλέον εξάρτηση λόγω AOA α, μπορείτε να ξαναγράψετε την εξίσωση ως α = (Cμεγάλο + CL0) / Cμεγάλοα και μετά από πειραματικό προσδιορισμό της δύναμης ανύψωσης για ένα μόνο συγκεκριμένο AOA, μπορείτε να υπολογίσετε τον γενικό συντελεστή ανύψωσης Cμεγάλο. Στη συνέχεια, μπορείτε να δοκιμάσετε τη μέτρηση διαφορετικών AOAs για να καθορίσετε ποιες τιμές του ντοL0 και CLα θα ταιριάζει καλύτερα στην τοποθέτηση. Αυτή η εξίσωση υποθέτει ότι ο συντελεστής ανύψωσης αλλάζει γραμμικά με το AOA, ώστε να υπάρχουν κάποιες περιστάσεις στις οποίες μια πιο ακριβής εξίσωση συντελεστών μπορεί να ταιριάζει καλύτερα.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα το AOA σχετικά με τη δύναμη ανύψωσης και τον συντελεστή ανύψωσης, οι μηχανικοί έχουν μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο ο AOA αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο πετάει ένα αεροπλάνο. Εάν έχετε συντελεστές ανύψωσης γραφημάτων ενάντια σε AOA, μπορείτε να υπολογίσετε τη θετική τιμή της κλίσης, η οποία είναι γνωστή ως η δισδιάστατη κλίση ανύψωσης-καμπύλης. Έρευνες έχουν δείξει, ωστόσο, ότι μετά από κάποια αξία της AOA, η ντομεγάλο μειώνεται η τιμή.
Αυτός ο μέγιστος AOA είναι γνωστός ως σημείο αναμονής, με αντίστοιχη ταχύτητα παύσης και μέγιστη ταχύτητα ντομεγάλο αξία. Η έρευνα για το πάχος και την καμπυλότητα του υλικού αεροσκάφους έχει δείξει τρόπους υπολογισμού αυτών των τιμών όταν γνωρίζετε τη γεωμετρία και το υλικό του αερομεταφερόμενου αντικειμένου.
Αριθμομηχανή εξισώσεων και συντελεστή ανύψωσης
Η NASA διαθέτει μια ηλεκτρονική μικροεφαρμογή για να δείξει πώς η εξίσωση του ανελκυστήρα επηρεάζει την πτήση των αεροσκαφών. Αυτό βασίζεται σε έναν υπολογισμό συντεταγμένων ανελκυστήρα και μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να ρυθμίσετε διαφορετικές τιμές ταχύτητας, γωνίας που λαμβάνει το αερομεταφερόμενο αντικείμενο σε σχέση με το έδαφος και την επιφάνεια που έχουν τα αντικείμενα έναντι του υλικού που περιβάλλει το αεροσκάφος. Η μικροεφαρμογή σας επιτρέπει ακόμη και να χρησιμοποιήσετε τα ιστορικά αεροσκάφη για να δείξετε πόσο εξειδικευμένα σχέδια έχουν εξελιχθεί από τη δεκαετία του 1900.
Η προσομοίωση δεν λαμβάνει υπόψη την αλλαγή του βάρους του αερομεταφερόμενου αντικειμένου λόγω αλλαγών στην περιοχή του πτερυγίου. Για να προσδιορίσετε το αποτέλεσμα που θα μπορούσε να έχει, μπορείτε να λάβετε μετρήσεις των διαφορετικών τιμών των επιφανειών που θα είχαν στην δύναμη ανύψωσης και να υπολογίσετε μια μεταβολή της δύναμης ανύψωσης που θα προκαλούσαν αυτές οι επιφάνειες. Μπορείτε επίσης να υπολογίσετε τη βαρυτική δύναμη που θα χρησιμοποιούσαν διαφορετικές μάζες W = mg για το βάρος λόγω της βαρύτητας W, της μάζας m και της σταθεράς βαρυτικής επιτάχυνσης g (9,8 m / s2).
Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν "αισθητήρα" που μπορείτε να κατευθύνετε γύρω από τα αερομεταφερόμενα αντικείμενα για να δείξετε την ταχύτητα σε διάφορα σημεία κατά μήκος της προσομοίωσης. Η προσομοίωση είναι επίσης περιορισμένη ώστε το αεροσκάφος να προσεγγίζεται χρησιμοποιώντας μια επίπεδη πλάκα ως γρήγορο, βρώμικο υπολογισμό. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό για να προσεγγίσετε λύσεις στην εξίσωση της δύναμης ανύψωσης.