Spălare descendentă

Dacă ați „stat vreodată lângă un elicopter, veți ști exact cum rămâne în cer: creează o imensă „spălare descendentă” (curent descendent) de aer care îi echilibrează greutatea. Rotoarele pentru elicoptere sunt foarte asemănătoare cu aripile de avion, dar se rotesc în cerc în loc să se deplaseze înainte în linie dreaptă, ca cele de pe un avion. Chiar și așa, avioanele creează spălare descendentă exact în același mod ca elicopterele – doar că nu observăm. Spălarea descendentă nu este atât de evidentă, dar este la fel de importantă ca și cu elicopterul.

Acest al doilea aspect al creșterii este mult mai ușor de înțeles decât diferențele de presiune, cel puțin pentru un fizician : conform celei de-a treia legi a mișcării lui Isaac Newton, dacă aerul dă o forță ascendentă unui avion, avionul trebuie să dea o forță descendentă (egală și opusă) aerului. Deci, un avion generează, de asemenea, ridicare folosind aripile sale pentru a împinge aerul Asta se întâmplă deoarece aripile nu sunt perfect orizontale, așa cum ați putea presupune, dar înclinate foarte ușor înapoi, astfel încât să lovească aerul într-un unghi de atac. Aripile înclinate împing în jos atât fluxul de aer accelerat (de sus deasupra lor), cât și fluxul de aer în mișcare mai lentă (de dedesubt), iar acest lucru produce ridicare. Deoarece vârful curbat al foliei aerului deviază (împinge în jos) mai mult aer decât fundul mai drept (cu alte cuvinte, modifică drumul aerului de intrare mult mai dramatic), produce o ridicare semnificativ mai mare.

Modul în care aripile profilului aerian generează ridicarea # 2: Forma curbată a aripii creează o zonă de presiune scăzută deasupra acesteia (roșu), care generează ridicarea. Presiunea scăzută face ca aerul să accelereze peste aripă, iar forma curbată a aripii (și presiunea mai mare a aerului cu mult deasupra fluxului de aer modificat) forțează aerul într-o puternică spălare descendentă, împingând și avionul în sus. Această animație arată cum diferitele unghiuri de atac (unghiul dintre aripă și aerul de intrare) modifică regiunea de presiune scăzută deasupra unei aripi și ridicarea pe care o face. Când o aripă este plană, suprafața sa superioară curbată creează o regiune modestă de presiune scăzută și o cantitate modestă de ridicare (roșu). Pe măsură ce unghiul de atac crește, ridicarea crește dramatic – până la un punct, atunci când creșterea tracțiunii face ca avionul să se oprească (vezi mai jos). Dacă înclinăm aripa în jos, vom produce o presiune mai mică sub ea, făcând avionul să cadă. Bazat pe Aerodinamică, un film de instruire al Departamentului de Război din domeniul public din 1941.

S-ar putea să vă întrebați de ce aerul curge în jos în spatele unei aripi. De ce, de exemplu, nu a lovit partea din față a aripii, curbează deasupra și apoi continuă pe orizontală? De ce există mai degrabă o spălare descendentă decât o simplă „spălare inversă” orizontală? Gândește-te la discuția noastră anterioară despre presiune: o aripă scade presiunea aerului imediat deasupra ei. Mai sus, cu mult deasupra planului, aerul este încă la presiunea normală, care este mai mare decât aerul imediat deasupra aripii. Deci, aerul cu presiune normală bine deasupra aripii împinge în jos pe aerul cu presiune inferioară imediat deasupra acestuia, efectiv „stropind” aer în jos și în spatele aripii într-o spălare inversă. Cu alte cuvinte, diferența de presiune pe care o aripă o creează și spălarea aerului în spatele ei nu sunt două lucruri separate, dar toate parte și parcelă a aceluiași efect: o aripă unghiulară unghiulară creează o diferență de presiune care face o spălare descendentă, ceea ce produce ridicare.

Acum putem vedea că aripile sunt dispozitive concepute pentru a împinge aerul în jos, este ușor de înțeles de ce avioanele cu aripi plate sau simetrice (sau în sus) avioane de cascadorie ide-jos) pot încă să zboare în siguranță. Atâta timp cât aripile creează un flux descendent de aer, avionul va experimenta o forță egală și opusă – ridicare – care îl va menține în aer. Cu alte cuvinte, pilotul cu capul în jos creează un anumit unghi de atac care generează suficientă presiune scăzută deasupra aripii pentru a menține avionul în aer.

Cât de ridicat poți face?

În general, aerul care curge peste partea superioară și inferioară a unei aripi urmează foarte atent curba suprafețelor aripii – așa cum ați putea să o urmați dacă i-ați urmări conturul cu un stilou. Dar pe măsură ce unghiul de atac crește, fluxul de aer neted din spatele aripii începe să se descompună și să devină mai turbulent și asta reduce ridicarea. La un anumit unghi (în general rotund de aproximativ 15 °, deși variază), aerul nu mai curge lin în jurul aripii. Există o mare creștere a tracțiunii, o reducere mare a ridicării și se spune că avionul s-a blocat. Acesta este un termen ușor confuz, deoarece motoarele continuă să funcționeze și avionul continuă să zboare; stand înseamnă pur și simplu o pierdere a ridicării.

Foto: Cum se oprește un avion: aici este o aripă aripă în vânt tunel orientat spre aerul care se apropie la un unghi abrupt de atac. Puteți vedea linii de aer plin de fum care se apropie din dreapta și deviază în jurul aripii în timp ce se deplasează spre stânga.În mod normal, liniile fluxului de aer ar urma foarte atent forma (profilul) aripii. Aici, din cauza unghiului abrupt de atac, fluxul de aer s-a separat în spatele aripii și turbulența și rezistența au crescut semnificativ. Un avion care zboară astfel ar experimenta o pierdere bruscă a ridicării, pe care noi o numim „stand”. Fotografie oferită de NASA Langley Research Center.

Avioanele pot zbura fără aripi în formă de aripă; veți ști că dacă ați făcut vreodată un avion de hârtie – și a fost dovedit la 17 decembrie 1903 de frații Wright. În brevetul lor original „Flying Machine” (brevetul SUA nr. 821393), este clar că aripile ușor înclinate (pe care le-au denumit „avioane”) sunt părțile cheie ale invenției lor. „Avioanele” lor erau pur și simplu bucăți de pânză întinse peste o structură de lemn, nu aveau profilul profilului aerodinamic. Wright și-a dat seama că unghiul de atac este crucial: „În mașinile zburătoare cu caracterul la care se referă această invenție aparatul este susținut în aer datorită contactului dintre aer și suprafața inferioară a unuia sau mai multor avioane, contactul -suprafața fiind prezentată la un unghi mic de incidență față de aer. ” . Deși Wright erau oameni de știință experimentali geniali, este important să ne amintim că le lipseau cunoștințele noastre moderne de aerodinamică și o înțelegere deplină a modului exact în care funcționează aripile.

Nu este surprinzător, cu cât aripile sunt mai mari, cu atât sunt mai mari ele creează: dublarea zonei unei aripi (care este „suprafața plană pe care o vedeți privind de sus) dublează atât ridicarea, cât și tragerea pe care o face. Acesta este motivul pentru care avioanele gigantice (cum ar fi C-17 Globemaster din fotografia noastră de sus) au aripi gigantice. Dar aripile mici pot produce, de asemenea, o mulțime de ridicare dacă se mișcă suficient de repede. Aripile se pot extinde pentru a împinge mai mult aer în jos. Ridicați și trageți variază în funcție de pătratul vitezei dvs., așa că, dacă un avion merge de două ori mai repede, față de aerul care se apropie, aripile sale produc de patru ori mai multă ridicare (și tracțiune). Elicoptere produc o cantitate uriașă de ridicare prin rotirea palelor rotorului (în esență aripi subțiri care se rotesc într-un cerc) foarte repede. într-un mod complet curat. (Vă puteți imagina, de exemplu, că cineva împinge o cutie mare de aer pe ușa din spate a unui transportor militar, astfel încât să cadă direct în jos. Dar nu funcționează așa!) Fiecare aripă trimite de fapt aer în jos, făcând un vârtej rotitor (un fel de mini tornadă) imediat în spatele ei. Este „cam ca atunci când stai pe o platformă la o gară și un tren de mare viteză trece fără să se oprească, lăsând ceea ce se simte ca un imens aspirator Cu un avion, vârtejul are o formă destul de complexă și cea mai mare parte se deplasează în jos – dar nu pe toate. Există „o imensă curgere de aer care se mișcă în centru, dar un anumit aer se învârte în sus de ambele părți ale vârfurilor aripilor , reducerea ridicării.

Foto: Legile lui Newton fac ca avioanele să zboare: Un avion generează o forță ascendentă (ridicare) prin împingerea aerului în jos spre sol. După cum arată aceste fotografii, aerul se mișcă în jos nu într-un curent îngrijit și ordonat, ci într-un vortex. Printre alte lucruri, vortexul afectează cât de aproape un avion poate zbura în spatele altuia și este deosebit de important în apropierea aeroporturilor în care există o mulțime de avioane care se mișcă tot timpul, făcând modele complexe de turbulență în aer. Stânga: Fumul colorat arată vârtejurile aripilor produse de un avion real. Fumul din centru se mișcă în jos, dar se deplasează în sus dincolo de vârfurile aripilor. Dreapta: Cum apare vortexul de jos. Fumul alb prezintă același efect la o scară mai mică într-un test de tunel de vânt. Ambele fotografii sunt oferite de NASA Langley Research Centru.