Откуда берется подъемная сила крыла?

Ср, 08/07/2013 - 22:18

Рис. 11. Выпучивание части листа

Рис. 12. Лист на краю экрана

Рис. 13. Схема сложения векторов горизонтальной и вертикальной скоростей потока

Рис. 14. Графическое представление плоскопараллельного потока

Рис. 15. Графическое представление вихревого потока

Математический метод решения задачи аэродинамики предложил Н.Е. Жуковский. Один из его учеников — Л.С. Лейбензон, впоследствии академик, сохранил удивительное по точности время возникновения идеи:
«Лето и осень 1904 года Николай Егорович продолжал усиленно думать о причинах возникновения подъемной силы. Приехав однажды в Кучинскую аэродинамическую лабораторию в праздничный день 1 октября и гуляя в поле, он пришел к гениальной по простоте идее о присоединенных вихрях, объясняющей причину возникновения подъемной силы крыла самолета. Однако идея была так оригинальна, что не сразу великий автор смог развить ее. Только через год, 15 ноября 1905 года, он прочел в Математическом обществе свой доклад «О присоединенных вихрях», а опубликовал эту работу только в 1906 году».

Гениальность идеи заключалась в том, что Жуковский предложил рассматривать вместо непонятного обтекания реального крыла картину сложения плоскопараллельного потока с вихрем, интенсивность которого (циркуляция скорости) соответствовала бы как форме тела, так и положению в пространстве.
Графически «пощупать» эту идею может каждый желающий. Для этого надо в произвольном масштабе начертить векторы, отображающие плоскопараллельный поток (рис. 14).

Соблюдая масштаб — начертить графическую аналогию вихревого потока, это хоть и сложнее, но вполне возможно (рис. 15).
Затем, набравшись терпения, последовательно выполнить графическое сложение соответствующих векторов (рис. 16).

Сразу же становится видимым, что над вихревым шнуром суммарные скорости станут больше, чем под ним, а в результирующем потоке возникает скос вниз, что свидетельствует о возникновении силы, направленной вверх! В соответствии с изменением скоростей понизится давление вверху и повысится — внизу. Так сработает уравнение Бернулли.
Разделение потоков позволило сформулировать теорему Жуковского: «Величина подъемной силы крыла на метр размаха равняется произведению плотности воздуха на циркуляцию скорости и на скорость полета аэроплана». Однако остались трудности по определению потребной циркуляции. Отыскать связь между данным профилем, его положением в потоке и соответствующей циркуляцией удалось лишь благодаря напряженной работе Николая Егоровича вместе с его учеником Сергеем Алексеевичем Чаплыгиным. Они доказали, что только те профили крыла имеют смысл, для которых скорость частичек на конце тонкой задней кромки имеет конечную величину, не стремится к бесконечности. Отсюда вытекало требование, чтобы струйки на конце профиля имели равные скорости, и частицы воздуха счастливо встречались (рис. 17). Это требование стало известным как постулат Жуковского-Чаплыгина, он позволял легко находить численное значение циркуляции.

При недостаточной циркуляции скорости поток отрывается от профиля, возникают паразитирующие вихри (рис. 18).
При избыточной циркуляции образующие вихри, теоретически, могут даже выйти на нижнюю поверхность профиля, что приведет к непредсказуемому обтеканию (рис. 19).
Конечно, математическое отображение этих процессов неизмеримо сложнее простейшего их графического воплощения. Строгое математическое изучение сил воздействия потока на крыло приводит к исследованию некоторых классов аналитических функций комплексного переменного.
К сожалению, глубокое, грубое непонимание процесса возникновения подъемной силы не сводится только к ошибочному объяснению сложнейших процессов. Периодически возникают нелепые проекты, основывающиеся только на малограмотности их инициаторов.

Самым простым примером безграмотности является идея расположения несущего крыла в трубе (рис. 20). Такой проект в «провоцирующем» варианте может служить для проверки понимания элементарной аэродинамики.

Другие материалы рубрики


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.