Spłukiwanie

Jeśli kiedykolwiek stałeś w pobliżu helikoptera, będziesz dokładnie wiedział, w jaki sposób pozostaje on na niebie: tworzy ogromny „podmuch” (ciąg w dół) powietrza, który równoważy jego ciężar. Wirniki helikopterów są bardzo podobne do płatów samolotów, ale wirują po okręgu, zamiast poruszać się do przodu w linii prostej, jak te w samolocie. Mimo to samoloty wytwarzają wodę w dół w dokładnie taki sam sposób, jak helikoptery – po prostu tego nie zauważamy. Płukanie nie jest takie oczywiste, ale jest tak samo ważne jak w przypadku helikoptera.

Ten drugi aspekt wykonywania podnoszenia jest o wiele łatwiejszy do zrozumienia niż różnice ciśnień, przynajmniej dla fizyka : zgodnie z trzecią zasadą ruchu Izaaka Newtona, jeśli powietrze wywiera siłę skierowaną w górę na płaszczyznę, samolot musi dać (równą i przeciwną) siłę skierowaną w dół do powietrza. Zatem samolot również wytwarza siłę nośną, używając skrzydeł do wypychania powietrza Dzieje się tak, ponieważ skrzydła nie są idealnie poziome, jak można by przypuszczać, ale są lekko odchylone do tyłu, więc uderzają w powietrze pod kątem natarcia. Skrzydła ustawione pod kątem spychają w dół zarówno przyspieszony przepływ powietrza (z góry nad nimi), jak i wolniej poruszający się przepływ powietrza (spod nich), co powoduje siłę nośną. Ponieważ zakrzywiona górna część płata odchyla (wypycha) więcej powietrza niż prostsze dno (innymi słowy, znacznie bardziej radykalnie zmienia ścieżkę napływającego powietrza), powoduje to znacznie większe uniesienie.

Jak skrzydła płata generują siłę nośną nr 2: Zakrzywiony kształt skrzydła tworzy nad nim obszar niskiego ciśnienia (czerwony), który generuje siłę nośną. Niskie ciśnienie sprawia, że powietrze przyspiesza nad skrzydłem, a zakrzywiony kształt skrzydła (i wyższe ciśnienie powietrza znacznie powyżej zmienionego strumienia powietrza) zmusza to powietrze do silnego podmycia, również wypychając samolot w górę. Ta animacja pokazuje, jak różne kąty natarcia (kąt między skrzydłem a wlotem powietrza) zmieniają obszar niskiego ciśnienia nad skrzydłem i siłę nośną. Kiedy skrzydło jest płaskie, jego zakrzywiona górna powierzchnia tworzy skromny obszar niskiego ciśnienia i niewielką siłę nośną (czerwony). Wraz ze wzrostem kąta natarcia, siła nośna również wzrasta dramatycznie – do pewnego momentu, kiedy zwiększenie oporu powoduje przeciągnięcie samolotu (patrz poniżej). Jeśli przechylimy skrzydło w dół, wytworzymy pod nim mniejsze ciśnienie, powodując upadek samolotu. Oparty na Aerodynamics, publicznym filmie szkoleniowym Departamentu Wojny z 1941 roku.

Możesz się zastanawiać, dlaczego powietrze w ogóle spływa za skrzydłem. Dlaczego, na przykład, nie uderza w przód skrzydła, nie zakrzywia się w górę, a następnie kontynuuje poziomo? Dlaczego zamiast zwykłego „płukania wstecznego” stosuje się płukanie w dół? Wróćmy do poprzedniej dyskusji na temat ciśnienia: skrzydło obniża ciśnienie powietrza bezpośrednio nad nim. Wyżej, znacznie nad płaszczyzną, powietrze nadal ma swoje normalne ciśnienie, które jest wyższe niż powietrze bezpośrednio nad skrzydłem. Tak więc powietrze o normalnym ciśnieniu znacznie nad skrzydłem wypycha w dół na powietrze o niższym ciśnieniu bezpośrednio nad nim, efektywnie „tryskające” powietrze w dół i za skrzydłem podczas płukania wstecznego. Innymi słowy, różnica ciśnień wytwarzana przez skrzydło i podmuch powietrza za nim nie są dwiema osobnymi rzeczami, ale wszystko Częścią tego samego efektu: ustawione pod kątem skrzydło płata powoduje różnicę ciśnień, która powoduje spłukiwanie, a to powoduje uniesienie.

Teraz widzimy, że skrzydła są urządzeniami zaprojektowanymi do wypychania powietrza w dół. łatwo zrozumieć, dlaczego samoloty z płaskimi lub symetrycznymi skrzydłami (lub wzniesieniami samoloty kaskaderskie w dół) mogą nadal bezpiecznie latać. Dopóki skrzydła wytwarzają przepływ powietrza w dół, samolot będzie doświadczał równej i przeciwnej siły – podnoszenia – która utrzyma go w powietrzu. Innymi słowy, odwrócony pilot tworzy określony kąt natarcia, który generuje wystarczająco niskie ciśnienie nad skrzydłem, aby utrzymać samolot w powietrzu.

Ile można unieść?

Generalnie powietrze przepływające nad górną i dolną częścią skrzydła bardzo dokładnie podąża za krzywizną powierzchni skrzydła – tak samo, jak można by podążać za nim, rysując długopisem jego kontur. Ale wraz ze wzrostem kąta natarcia płynny przepływ powietrza za skrzydłem zaczyna się załamywać i staje się bardziej burzliwy, co zmniejsza siłę nośną. Pod pewnym kątem (zwykle około 15 °, choć jest zmienny), powietrze nie opływa już gładko wokół skrzydła. Występuje duży wzrost oporu, duża redukcja siły nośnej i mówi się, że samolot zgasł. To trochę mylące określenie, ponieważ silniki pracują, a samolot leci; przeciągnięcie oznacza po prostu utratę siły nośnej.

Zdjęcie: Jak zatrzymuje się samolot: Oto skrzydło płata na wietrze tunel skierowany w stronę nadjeżdżającego powietrza pod stromym kątem natarcia. Widać linie wypełnionego dymem powietrza nadlatujące z prawej strony i odchylające się wokół skrzydła, gdy poruszają się w lewo.Zwykle linie przepływu powietrza byłyby bardzo ściśle dopasowane do kształtu (profilu) skrzydła. Tutaj, z powodu stromego kąta natarcia, strumień powietrza oddzielił się za skrzydłem, a turbulencje i opór znacznie wzrosły. Lecący w ten sposób samolot doświadczyłby nagłej utraty siły nośnej, którą nazywamy „przeciągnięciem”. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Langley Research Center.

Samoloty mogą latać bez skrzydeł w kształcie płata; będziesz wiedział, że jeśli kiedykolwiek zrobiłeś papierowy samolot – i zostało to udowodnione 17 grudnia 1903 roku przez braci Wright. W ich oryginalnym patencie „Latająca maszyna” (patent USA nr 821393) jest jasne, że lekko odchylone skrzydła (które nazywali „samolotami”) są kluczowymi częściami ich wynalazku. Ich „samoloty” były po prostu kawałkami materiału rozciągnięte na drewnianej ramie, nie miały profilu płata (płata). Wrights zdali sobie sprawę, że kąt natarcia jest kluczowy: „W maszynach latających o charakterze, do którego odnosi się ten wynalazek, urządzenie jest utrzymywane w powietrzu dzięki kontaktowi powietrza z powierzchnią spodnia jednego lub większej liczby samolotów. -powierzchnia jest prezentowana pod niewielkim kątem padania na powietrze ”. . Chociaż Wrightowie byli genialnymi naukowcami eksperymentalnymi, należy pamiętać, że brakowało im naszej nowoczesnej wiedzy na temat aerodynamiki i pełnego zrozumienia, jak dokładnie działają skrzydła.

Nic dziwnego, że im większe skrzydła, tym większa siła nośna. tworzą: podwojenie powierzchni skrzydła (to jest płaska powierzchnia, którą widzisz patrząc w dół z góry) podwaja zarówno siłę nośną, jak i opór. Dlatego też gigantyczne samoloty (takie jak C-17 Globemaster na naszym górnym zdjęciu) mają gigantyczne skrzydła. Ale małe skrzydła mogą również wytwarzać dużą siłę nośną, jeśli poruszają się wystarczająco szybko. Aby uzyskać dodatkową siłę nośną podczas startu, samoloty mają klapy na swoich skrzydła mogą się rozłożyć, aby wypchnąć więcej powietrza. Uniesienie i opór zmieniają się w zależności od kwadratu prędkości, więc jeśli samolot leci dwa razy szybciej w stosunku do nadlatującego powietrza, jego skrzydła wytwarzają cztery razy większą siłę nośną (i opór). Śmigłowce wytwarzają ogromną siłę nośną, obracając łopatami wirnika (zasadniczo cienkimi skrzydłami, które obracają się po okręgu).

Wiry skrzydeł

Teraz samolot nie wyrzuca powietrza za siebie to w całkowicie czysty sposób. (Można sobie na przykład wyobrazić, że ktoś wypycha wielką skrzynię z powietrzem z tylnych drzwi wojskowego transportera, tak że spada prosto w dół. Ale to nie działa całkiem w ten sposób!) Każde skrzydło faktycznie wysyła powietrze w dół, tworząc wirujący wir (rodzaj mini tornado) tuż za nim. To trochę tak, jakbyś stał na peronie na stacji kolejowej, a szybki pociąg pędził obok, nie zatrzymując się, pozostawiając coś, co wydaje się ogromną ssącą próżnią W przypadku samolotu, wir ma dość złożony kształt i większość z niego porusza się w dół – ale nie w całości. W środku w dół unosi się potężny ciąg powietrza, ale część powietrza w rzeczywistości wiruje w górę po obu stronach końcówek skrzydeł , zmniejszając siłę nośną.

Zdjęcie: Prawa Newtona sprawiają, że samoloty latają: samolot generuje siłę skierowaną w górę (windę), spychając powietrze w dół w kierunku ziemi. Jak pokazują te zdjęcia, powietrze przemieszcza się w dół nie w postaci czystego i uporządkowanego strumienia, ale w postaci wiru. wir wpływa na to, jak blisko jeden samolot może latać za drugim i jest to szczególnie ważne w pobliżu lotnisk, na których przez cały czas przemieszcza się wiele samolotów, tworząc złożone wzory turbulencji w powietrzu. Po lewej: Kolorowy dym przedstawia wiry skrzydeł wytwarzane przez prawdziwy samolot. Dym w środku przesuwa się w dół, ale przesuwa się w górę poza końcówki skrzydeł. Po prawej: Jak wir pojawia się od dołu. Biały dym pokazuje ten sam efekt w mniejszej skali w teście w tunelu aerodynamicznym. Obie fotosyntezę NASA Langley Research Centrum.