Аеродинаміка, основні поняття, основні теореми
Цей розділ важливий, щоб зрозуміти, чому деякі планери можуть ковзати на висоті до 30-60 км з висоти 1000 метрів і що впливає на різні сили.
Тиск повітря виявив Торічеллі. Але на щастя, раніше був тиск повітря. Тиск повітря - це не що інше, як тиск повітря вище, ніж тиск у тих, що знаходяться в нижніх шарах (це називається статичним тиском). Отже, чим вище ми піднімаємося, тим більше «розбавляємо» повітря (в тому ж обсязі він важить менше), тому його тиск зменшується. Подумайте, чи хочете ви бути внизу чи вгорі купи людей (це зараз не пташенята:)? Найнижчу людину штовхає більшість, верхню - ніхто ...
Загальноприйнятим значенням є те, що тиск повітря на рівні моря становить 1013,25 мбар. Це, звичайно, лише загальне значення, залежно від погоди воно може бути більш-менш. Багато людей чутливі до змін тиску повітря, їх називають передньочутливими.
Я не хочу детально розказувати, що повітря на 99 відсотків складається з кисню та азоту і є газоподібним, що означає, і що молекули летять назад, стикаючись між собою, і з тим, що заважає їм, і що буде повітряний тиск, це вже всі знають.
Статичний тиск повітря в лабораторіях виконується за допомогою U-трубчастого манометра, який є вдосконаленою версією приладу Торічеллі. Верхня половина трубки для вимірювання тиску закрита, а нижня половина відкрита. З тиском повітря вага рідини знаходиться в рівновазі, і оскільки ніяке повітря не може потрапити в закритий кінець трубки, рідина також не може витікати з трубки. Так працюють годівниці для птахів у клітці.
Вимірювання тиску повітря в польоті зазвичай проводиться за допомогою манометрів, але ми детальніше про це говорили в розділі приладів.
Повітряний шар Землі отримав різні назви для різної висоти:
Висота 0-10 км Тропосфера (тут відбуваються погодні процеси та планеризм)
До 10-40 км висоти Статосфери (Ми не будемо летіти сюди, макс. Пасажирський транспорт на 11-12000 метрів)
Іоносфера понад 40 км (тут ходять лише космонавти)
Поняття, закони барометричного тиску:
Тиск дросельної заслінки (динамічний тиск): опір повітря, який залежить від щільності повітря, швидкості повітря та поверхні тіла. Це забезпечує значний опір повітряного судна. З цього тиску ми можемо перерахувати свою швидкість. Це все одно, що вирахувати, наскільки далеко ми рухаємось з двигуном, наскільки сильно нам потрібно чіплятися через побічний вітер. Ми також повинні подолати тиск там, де виникають затори.
Закон безперервності:
Якщо взяти трубку, подивитися на її поперечний переріз і виміряти швидкість потоку в ній повітря (але, можливо, рідини), а потім повторити це для різних перерізів (але для однієї і тієї ж трубки), ми виявимо, що добуток переріз і швидкість завжди рівні. Цей продукт дає, скільки матеріалу протікає по трубі за одиницю часу. Очевидно, що через кожне переріз за 1 секунду протікає така сама кількість матеріалу, яка за одну секунду потрапляє в трубку, стільки ж, скільки має вийти на іншому кінці. Тобто, якщо ви захопите кінець шланга (зменшите перетин), швидкість потоку середовища, що тече в ньому, збільшиться (ви будете поливати далі).
Закон Бернулі.
Закон полягає в тому, що зі збільшенням швидкості тиск зменшується, завдяки чому їх продукт завжди дорівнює. За цим принципом працює також старий тип парфумерних надувачів, і навіть компресорний розпилювач фарби. Якщо продути верхню частину бака на високій швидкості, це висмокче матеріал зсередини. Під невеликими червоними трубками розташовані раніше відомі манометри U-трубки. У другому, здається, що рідина висмоктується потоком. Зверніть увагу, що цей закон дуже схожий на попередній. Загальний тиск (динамічний + статичний) однаковий у всіх перерізах і є постійним, тому закон безперервності може бути виконаний. Якщо динамічний тиск дещо зростає в даному перерізі, статичний зменшується на таку ж величину.
Повітряний потік:
Шлях, описаний частинками повітря, називається струменем. (рядки позначені синім кольором)
Ламінарний потік. Частинки середовища рухаються в порядку поруч один з одним без змішування сусідніх шарів.
У турбулентному потоці (b) частинки середовища невпорядковано переміщуються і прилеглі шари перемішуються.
У закрученому потоці (с) частинки потоку невпорядковано рухаються і стикаються з потоком. Тоді опір повітря збільшується в геометричній прогресії.
Повітряний опір: мабуть, кожен відчув, що ми не можемо стільки прискорюватись, їдучи на велосипеді, тому що "побічний вітер" стримує. Ця стримуюча сила - опір повітря. Його ступінь найкраще залежить від швидкості (у квадраті: 4 рази опору повітря при 2 рази швидкості, 9 разів швидкості в 3 рази .), він також залежить від щільності середнього розміру поверхні (отже, ми збираємось разом на нахилу для прискорення) і залежить від форми тіла. Кожна фігура позначається обтічним числом, яке називається коефіцієнтом опору повітря. Cw є знаком і залежить лише від форми тіла. Давайте подивимося, яка форма має який коефіцієнт опору повітря:
Ми бачимо, що форми профілю крила є найбільш обтічними і, отже, мають найменший опір повітря. Коефіцієнт опору повітря середнього автомобіля становить близько 0,3-0,4. Повітряний опір визначається повітряними вихорами навколо тіла, енергія поглинається закрученим, фрикційним повітрям. Наступні зображення показують потік навколо тіла.
За тілом вихори завжди прокидаються попарно і в протилежних напрямках. Вперше це помітив Тодор Карман, тому їх назвали на його честь. Кілька вихрових пар утворюються одна за одною. Після кожного рухомого тіла можна спостерігати вихрові ряди Кармана.
Іншою формою опору, яка виникає в літаках, є індукований опір. Тиск повітря над крилом нижчий, ніж нижче, я опишу, чому скоро (саме тому літак все одно може літати). Повітря на кінчиках крил може виходити знизу вгору, це спрацьовує поздовжній вихор за крилом, це також створює силу втягування, як усі вихори (втрати енергії тертя).
На фотографії під час зльоту 747. Згаданий вище дим добре видно на димі.
Його можна захистити від нього, перекривши повітряний шлях на кінчиках крил. Ось чому ми бачимо вертикальні пластини на кінцях крил деяких літаків. Тож це не просто елементи дизайну, а дуже корисні.
На опір повітря також впливає стійкість до перешкод. Це своєрідне явище, насправді воно означає, що в іншому випадку ламінарні потоки порушуються якимись зовнішніми збуреннями (дві сусідні плоскі поверхні, виступаючий поршень), тоді вони турбулентні і збільшують опір повітря. Таким чином, у разі полюса жорсткості необхідно розрахувати не тільки опір повітря самому закріпленню, але й тривожний вплив на весь літак.
Існують також "інші" незрозумілі фактори (наприклад, рульове управління), але їхні ефекти незначні порівняно із згаданими тут.
Прикордонний шар:
Якщо ви подивитеся на річку, потік, ви можете помітити, що потік в середині дуже швидкий, але вода тече набагато повільніше з двох країв. Це сповільнюється через тертя води та берега. Це справедливо і для повітря, якщо повітря обтікає тверде тіло, в безпосередній близькості від тіла (кілька сантиметрів) швидкість повітря нижча за швидкість потоку. Цей тонкий шар називається прикордонним шаром, а також оточує крило площини. Товщина прикордонного шару позначається червоними стрілками.
На наступному зображенні показано сам прикордонний шар:
Розвиток плавучості при статичному та динамічному польоті
Статичний рейс:
Сума векторного тиску іншого середовища, що обтікає тіло, перевищує вагу тіла, тоді тіло має тенденцію піднятися вище середовища (закон Архімеда). Наприклад, нагріваючи повітря в повітряній кулі, він розширюється, він буде легшим, тому, якщо вага «переміщеного» повітря більше загальної ваги повітряної кулі, повітряна куля піде вгору . Те саме стосується аеростатів, тільки там вони вправні в газі, а не в його температурі.). Статичні літаючі конструкції: повітряна куля, дирижабль.
Ми описали в законі Бернулі, що зі збільшенням швидкості тиск зменшується, отже відбувається всмоктування на верхній поверхні крила, тиск на нижній поверхні крила.
Коротше кажучи: верхня частина стулки горбкіша, ніж нижня, тому якщо повітря виходить зверху, він повинен рухатися швидше. Якщо ви рухаєтеся швидше, тиск нижчий, тому всмоктуйте крило вгору. А тиск знизу вище, ніж зверху, тому він штовхає крило вгору.
Всупереч поширеній думці, плавучість, що генерується у верхній частині крила, більша, тому літак висить на «вакуумі», а не «лежить на повітряному шарі» в польоті. Це проілюстровано на наступному малюнку, де наведені графіки сил від тиску.
Оскільки потік навколо крила насправді не ідеальний, але з'являється турбулентний прикордонний шар, є місця, де потік відокремлюється від крила, також утворюються вихори, я показую, як це насправді виглядає:
Якщо всю площину дивитись спереду без фюзеляжу та з ним, плавучість така:
З точки зору плавучості, багажник, таким чином, не є невеликою втратою. Однак він має дві основні переваги: літак набагато стабільніший у поздовжньому напрямку, і є в чому сісти.
Крило добре, якщо воно може розвивати плавучість в розумних межах швидкості, що витримує всю машину.
Типи профілів:
Льотні характеристики літака в основному визначаються профілем крила. Дизайнери завжди вибирають відповідний профіль для цієї мети. Зараз для них є величезні таблиці, для кожного профілю доступно багато розрахунків та даних, вони навіть не планують літак з унікальним профілем.
Для повільних літаків використовується горбистий товстий профіль, який забезпечує достатню плавучість для польоту навіть на низьких швидкостях, для швидких літаків вибирається тонкий профіль з низьким опором повітря.
На малюнку зображено повільний профіль зліва та швидкий профіль праворуч:
Розрізняють наступні 4 основні типи профілів крил:
Симетрично: у положенні 0 плавучості немає, оскільки обидві сторони однаково вигнуті. Щоб він мав на собі підйомну силу, йому потрібно надати прямий кут до потоку, тобто його потрібно повернути. Така вертикальна направляюча площина гладких літаків (бічний кермо). Крило пілотажу таке саме, оскільки воно летить як на спині, так і на стопі.
Простий профіль: Дно - це майже прямий, асиметричний профіль. Використовується на старих тренажерах.
Вигнутий нижній профіль: аеродинамічно кращий за прямі днища та забезпечує вищу плавучість навіть при менших кутах.
Ламінарний профіль: загальний профіль у планерах, побудованих сьогодні. Найтовстіша секція крила була розміщена якомога далі назад, тому потік є ламінарним навколо крила для максимально тривалої ділянки. У той час як у старих профілях найтовстіша ділянка становить 15-30 відсотків довжини струни, приблизно 50. Ламінарні профілі досягають своїх максимальних показників, лише якщо поверхня стулок чиста і гладка. Чутливі профілі жуків.
Тепер, коли ми знаємо, від чого залежать опір і плавучість повітря, давайте подивимося, як вони впливають на літак і як вони співвідносяться між собою.
З яйцеклітини ми знаємо, що тіло може здійснювати плавний рух по прямій, якщо сили, що діють на нього, дорівнюють нулю, тому вони врівноважують одне одного. Які сили на це діють? Плавучість (Fa) та опір повітря (Fw). Ми вже говорили про це досі. Але навіть гравітація діє як будь-яке інше тіло на Землі. Ці 3 сили врівноважують одна одну прямолінійним ковзанням. Гравітація спрямована вниз (Fg), Повітряний опір діє у напрямку, протилежному до шляху ковзання, а сила плавучості діє перпендикулярно шляху ковзання. Якщо розбити силу тяжіння на 2 компоненти (Fv, Fgr), ми отримаємо Fgr, який знаходиться в рівновазі з плавучістю, і Fv, «тягову силу», яка долає опір повітря.
Моторизовані літаки також можуть літати горизонтально в спокійному повітрі, оскільки вони не отримують зчеплення з гравітацією.
Якщо кут планера 1,5 градуса, ми отримуємо від 1000 метрів до 38,5 км, що означає число планера 38,5. Для літака з планерним числом 20 підйомник у 20 разів перевищує опір повітря.
Поки що я говорив про полярність профілю, але оскільки крило не безмежно довге і не має однакового профілю до кінця, воно має свій власний поляр. Оскільки літак є не тільки крилом, але також має фюзеляж, літак також має полярний. Оскільки це все лише погіршує опір повітря, ці 2 нові криві зміщуються вправо, тобто половину вищого опору повітря:
Плавучість також стає меншою. Зелений: профіль полярний (це те, що говорять, коли хтось згадує крило нескінченного простору, воно не включає втрату крила і кінчика крила, а довжина струни також постійна на всьому протязі, тобто крило не звужується до половини закінчується, бо кінця немає .), Бургундія: крило полярне, червоне: ціле полярне верстат (сюди вже входить опір фюзеляжу)
Існує більш важливий і корисний полярний, а саме полярний швидкості. Тут ви можете побачити, скільки занурень належать до якої швидкості польоту. Така крива додається до кожного літака.
У цій машині 60 - це мінімальна швидкість під час “проходження”. Його мінімальна тяга становить близько 0,7 м/с при швидкості 110 км/год. Тут також точка найбільшої кількості ковзань отримується шляхом втягування дотичної зі швидкістю 125 км/год. Через 200 км/год крива круто схиляється, тому летіти над нею не варто, якщо ми не поспішаємо пірнати зі швидкістю 2,3 м/с зі швидкістю 200 км/год. При 230 це вже 4 м/с. Його максимальна швидкість - 240 км/год.
Цікаво: ця крива зміщується вправо (і дуже трохи вниз), коли я збільшую поверхневе навантаження на крило, тому той самий занурення має вищу швидкість, коли я заповнюю крило машини. Це добре для турнірів, де гра йде вчасно, потрібно поспішати. Машина піднімається трохи гірше з водою в термальній зоні, але також можуть бути різниці швидкості в 10-20 км/год при тому самому зануренні, що означає багато.
Я малюю формулу плавучості, щоб її бачили всі (що тут важливо, щоб вона збільшувалась із збільшенням швидкості (як опір повітря) і була прямо пропорційна поверхні крила):
У цьому Fy - сама плавучість. Як бачите, це залежить:
- від щільності повітря (ρ - ro)
- від квадрата швидкості руху повітря (v2)
- значення Cy, яке насправді є каталоговими даними, відноситься до профілю крила. Я змінюю це за допомогою дугової пластини. В основному це правда, що товстий профіль крила має низьку мінімальну швидкість (легко входити/вимикатись з ним), але високий опір повітря (якщо вам потрібно їхати, він гине). Я детально розкажу це на аркуші кривих.
- і від поверхні крила. Ви можете підрахувати, що станеться, якщо я зменшу швидкість або піду вище magasabb
Існує багато способів збільшити або зменшити плавучість. Це може бути шляхом зміни швидкості обертання машини, нахилу дугової пластини (зміна кута атаки), за допомогою гальмівної накладки, гальмівної стулки. Про все це я детально розповім пізніше.
У вертольоті форма лопатей ротора така, ніби це довге, тонке крило, і плавучість, що створюється на ньому, піднімає машину. Однак його рульовий механізм абсолютно інший, оскільки, якщо у випадку літака тяга та плавучість забезпечуються іншими частинами, то у випадку вертольота обидва забезпечуються ротором. (Є вже хитрощі, щоб отримати тягу з відпливними паливами, але я не буду зараз вдаватися до деталей - ми все одно говоримо про літаки).