Подемна сила

Схема на силите действащи по време на полет върху аеродинамичен профил в разрез: 1. тяга; 2. челно съпротивление; 3. подемна сила; 4. тегло (маса)
Порше с автомобилно „крило“ за създаване на отрицателна подемна сила за подобряване сцеплението със земната повърхност

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

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

Поток около аеродинамичен профил в аеродинамичен тунел. Забележете изкривяването на потока над и под профила и общото му отклоняване надолу

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

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

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

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

Поток около аеродинамичен профил – точките указват движението. Скоростите над горната повърхност са значително по-високи от тези под долната. Черните точки указват времето. Вижда се, че горната и долна части от потока не се срещат зад профила.

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

  1. ↑ What is Lift? // NASA Glenn Research Center. Архивиран от оригинала на 2009-03-09. Посетен на 4 март 2009.
  2. ↑ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 5.2
  3. ↑ 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
  4. ↑ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 14.6
  5. ↑ „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
  6. ↑ 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.“
  7. ↑ 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.“
  8. ↑ „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]“
  9. ↑ „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
  10. ↑ 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.
  11. ↑ а б Anderson, John D. Introduction to Flight. 5th. McGraw-Hill, 2004. ISBN 0-07-282569-3. с. 352 – 361, §5.19.
  12. ↑ „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]
  13. ↑ Weltner, Klaus, Ingelman-Sundberg, Martin. Physics of Flight – reviewed. Архив на оригинала от 2011-07-19 в Wayback Machine.
  14. ↑ „Причината за аеродинамичната подемна сила се корени в низходящото ускоряване на въздуха от крилото...“[13]
  15. ↑ „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.
  16. ↑ „... 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.
  17. ↑ „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
  18. ↑ „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.
  19. ↑ Tennekes, Henk. The Simple Science of Flight. Cambridge, Mass., The MIT Press, 2009. ISBN 978 0 262 51313 5.
  20. ↑ 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.
  21. ↑ Lift from Flow Turning // NASA Glenn Research Center. Архивиран от оригинала на 2011-07-05. Посетен на 7 юли 2009.
  22. ↑ 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.
  23. ↑ The Bernoulli Conundrum. Февруари 2007. Архив на оригинала от 2012-02-25 в Wayback Machine.
  24. ↑ „... щом даден поток е изкривен, по кривата на изкривяването му съществува градиент на налягането...“Babinsky, Holger. How do wings work?. Physics Education. Ноември 2003.
  25. ↑ NASA, Glenn Research Center. Aerodynamic Forces // Архивиран от оригинала на 2013-01-12. Посетен на 2012-03-01.
  26. ↑ „... 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
  27. ↑ www.grc.nasa.gov // Архивиран от оригинала на 2005-12-20. Посетен на 2012-03-01.
  28. ↑ „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.
  29. ↑ „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.
  30. ↑ NASA Glenn Research Center. Bernoulli and Newton. NASA. Архив на оригинала от 2006-02-07 в Wayback Machine.
  31. ↑ а б Batchelor, G.K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, 1967. ISBN 0521663962. с. 141 – 151.
  32. ↑ 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.​