Um dem auf den Grund zu gehen, kann es hilfreich sein, den Auftrieb auf molekularer Ebene zu betrachten:

Jedes Luftmolekül befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen Trägheits-, Druck- und viskosen Effekten:

• Trägheit bedeutet, dass sich die Masse des Partikels wie zuvor fortbewegen möchte und Kraft benötigt, um davon überzeugt zu werden.
• Druck bedeutet, dass Luftpartikel ständig schwingen und in andere Luftpartikel springen . Je stärker sie springen, desto mehr Kraft üben sie auf ihre Umgebung aus.
• Viskosität bedeutet, dass Luftmoleküle aufgrund dieser Schwingung dazu neigen, die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Nachbarn anzunehmen.

Fluss über die Oberseite des Flügels

Nun zum Luftstrom: Wenn sich ein Flügel mit Unterschallgeschwindigkeit nähert, saugt der Niederdruckbereich über seiner Oberseite Luft vor sich an. Sehen Sie es so: Über und stromabwärts eines Luftpakets prallen weniger Moleküle ab (= weniger Druck), und jetzt drückt das unverminderte Aufprallen der Luft unter und stromaufwärts dieses Pakets seine Luftmoleküle nach oben und in Richtung dieses Flügels. Das Luftpaket steigt auf und beschleunigt in Richtung Flügel und wird in diesen Niederdruckbereich gesaugt. Aufgrund der Beschleunigung wird das Paket in Längsrichtung gedehnt und sein Druck fällt synchron mit seiner Aufnahmegeschwindigkeit ab. Die Ausbreitung erfolgt in Flussrichtung - das Paket ist verzerrt und in Längsrichtung gedehnt, zieht sich jedoch in der Richtung orthogonal zum Fluss zusammen. Diese Kontraktion wird benötigt, um Platz für diesen Flügel zu schaffen. im Überschallfluss wird es zum gleichen Zweck abgebremst. Dort wird es "sehen", dass sich der Flügel darunter von seinem Fahrweg weg krümmt, und wenn dieser Weg unverändert bleiben würde, würde sich ein Vakuum zwischen dem Flügel und unserem Luftpaket bilden. Widerwillig ändert das Paket seinen Kurs und folgt der Kontur des Flügels. Dies erfordert einen noch geringeren Druck, damit die Moleküle ihre Richtung ändern. Diese schnell strömende Niederdruckluft saugt ihrerseits neue Luft vor und unter ihr an, bremst weiter ab und gewinnt ihren alten Druck über die hintere Flügelhälfte zurück und strömt mit ihrer neuen Strömungsrichtung ab.

Beachten Sie, dass ein Anheben nur möglich ist, wenn die obere Kontur des Flügels nach unten und vom ursprünglichen Luftweg, der um die Vorderkante des Flügels strömt, abfällt. Dies kann entweder Sturz oder Anstellwinkel sein - beide haben den gleichen Effekt. Da der Sturz eine allmähliche Änderung der Kontur ermöglicht, ist er effizienter als der Anstellwinkel.

Strömung über die Unterseite des Flügels

Ein Luftpaket, das unter dem Flügel landet, erfährt weniger Auftrieb und Beschleunigung, und im konvexen Teil stark gewölbter Tragflächen tritt eine Kompression auf. Es muss auch seinen Strömungsweg ändern, da der gewölbte und / oder geneigte Flügel die Luft darunter nach unten drückt, wodurch mehr Druck und mehr Sprungkraft von oben für unser Paket unter dem Flügel erzeugt wird. Wenn beide Pakete an der Hinterkante ankommen, haben sie eine gewisse Abwärtsgeschwindigkeit erreicht.

Hinter dem Flügel setzen beide Pakete eine Weile ihren Abwärtspfad fort aufgrund der Trägheit und drücken Sie andere Luft unter ihnen nach unten und zur Seite. Über ihnen wird diese Luft, die zuvor seitwärts gedrückt wurde, nun den Raum über unseren beiden Paketen füllen. Makroskopisch sieht dies aus wie zwei große Wirbel. Die Luft in diesen Wirbeln kann jedoch nicht mehr auf den Flügel einwirken, sodass der Luftwiderstand oder das Anheben nicht beeinträchtigt werden. Weitere Informationen zu diesem Effekt finden Sie unter hier, einschließlich hübscher Bilder.

Das Anheben kann auf verschiedene äquivalente Arten erklärt werden.

Folgen Sie dem Bild eines Druckfelds oben ist der Auftrieb die Druckdifferenz zwischen der oberen und unteren Oberfläche des Flügels. Die Moleküle prallen mehr an der Unterseite als an der Oberseite gegen die Flügelhaut, und der Unterschied ist der Auftrieb.

Oder Sie sehen sich das makroskopische Bild an: Eine bestimmte Luftmasse wurde um nach unten beschleunigt der Flügel, und dies erforderte eine Kraft, um auf diese Luft zu wirken. Diese Kraft hält das Flugzeug in der Luft: Heben.

Wenn Sie den Flügel als Black Box betrachten und nur auf den Impuls der ein- und ausströmenden Luft achten, ändert der Flügel die Impuls durch Hinzufügen einer Abwärtskomponente. Die Reaktionskraft dieser Impulsänderung ist der Auftrieb.

In beiden Fällen erhalten Sie das gleiche Ergebnis. Übrigens: Der größte Teil der Richtungsänderung findet im vorderen Teil des Tragflügels statt, nicht an der Hinterkante!

Das Anheben ist eine Frage der Definition

Auftrieb und induzierter Widerstand sind beide Teil des Drucks, der auf den Flügel wirkt. Wenn Sie alle auf einen Flügel einwirkenden Druckkräfte addieren, zeigt der resultierende Vektor leicht nach hinten. Die Komponente in Strömungsrichtung ist Widerstand, und die Komponente, die orthogonal zur Bewegungsrichtung ist, ist Auftrieb. Dies ist nur eine Definition, die der Einfachheit halber gemacht wurde.

Kurze Antwort: durch Ausüben einer nach unten gerichteten Kraft auf die Luft um sie herum.

Lange Antwort: Einige Mitarbeiter des Glenn Research Center der NASA haben eine sehr gute mehrseitige Erklärung verfasst, die sich individuell mit jeder einzelnen befasst Dies trägt dazu bei, und es wird diskutiert, warum Erklärungen, die Sie in der Schule gehört haben, nicht funktionieren. Da die Navigation dort etwas unkonventionell ist, werde ich jede Seite einzeln mit einer kurzen Zusammenfassung verknüpfen.

Aus dem Druckbereich heben

Wenn eine Flüssigkeit bewegt sich über ein Objekt (oder umgekehrt), ist der Druck an verschiedenen Stellen unterschiedlich. Aufgrund dieses Druckunterschieds gibt es eine Gesamtkraft. Sie können die Bernoulli-Gleichung verwenden, um diese Kraft zu berechnen, aber Sie müssen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit (an jedem Punkt des Flügels) kennen, um zu starten. Sie können es nicht einfach mit "dem Bernoulli-Effekt" erklären, da der Bernoulli-Effekt genauso auf alles zutrifft, was sich durch die Luft bewegt.

Heben aus dem Flow Turning

Beide Oberflächen des Flügels drehen den Luftstrom. Die Unterseite lenkt es ab (die Luft prallt vom Flügel ab), während die gekrümmte Oberseite es herum biegt (die Luft haftet am Flügel). Das Drehen des Flusses gibt Ihnen Auftrieb, anstatt nur zu ziehen. Sie können die Drehung als Quelle der Druckdifferenz im Bernoulli-Effekt betrachten oder sie einfach als gleiche und entgegengesetzte Kräfte betrachten.

Es gibt eine andere Möglichkeit, die Strömungsdrehung zu modellieren, die auf der NASA-Website nicht behandelt wird. Wenn Sie vom Kutta-Joukowski-Theorem gehört haben, bezieht sich dies darauf. Wenn sich die Luft um den Flügel (oder ein Objekt) biegt, gibt es zwei spezielle Punkte. An der Vorderseite des Flügels geht ein Teil der Luft über die Oberseite und ein Teil unter die Unterseite, aber es gibt einen Punkt zwischen den beiden. Die umgekehrte Situation tritt auf der Rückseite des Flügels auf, wo die Luft von der Oberseite auf die Luft trifft, die auf dem unteren Weg kam (aber nicht die "gleiche" Luft: siehe falsche Theorie Nr. 1 unten). Diese beiden Punkte werden als Stagnationspunkte bezeichnet. Bei einem normalen Objekt befinden sie sich vertikal auf gleicher Höhe, aber da die Rückseite eines Flügels scharf ist, bildet sich dahinter der hintere Stagnationspunkt, wenn sich der Flügel schnell genug bewegt. Das ist niedriger als der vordere Stagnationspunkt, was bedeutet, dass die Nettobewegung der Luft nach unten erfolgt. Hier kommt die Strömungsdrehung her, und mit dem Theorem können Sie berechnen, wie viel Auftrieb Sie erhalten.

Falsche Theorie Nr. 1: Gleiche Laufzeit

As Ich sagte, um den Bernoulli-Effekt hervorzurufen, muss man erklären, warum sich die Luft auf der Oberseite schneller bewegt. Lehrer behaupten oft, dass die Luft auf der Oberseite mit der Luft auf der Unterseite übereinstimmen muss. Das ist einfach falsch und es gibt einen netten Simulator, der dies demonstriert.

Falsche Theorie Nr. 2: Stein überspringen

Auf dieser Seite wird erläutert, wann Menschen die Luft erkennen. " prallt von der Unterseite des Flügels ab, vernachlässigt aber die Oberseite.

Falsche Theorie Nr. 3: Venturi

Einige Leute stellen sich die Oberseite von vor der Flügel als eine Hälfte einer Venturi-Düse (eine Düse, die den Flüssigkeitsfluss beschleunigt, indem sie ihn verengt). Dieser Geschwindigkeitsunterschied würde zu einem Druckunterschied führen (wieder Bernoulli-Effekt), aber es stellt sich heraus, dass der Flügel überhaupt nicht wie eine Düse funktioniert.

Bernoulli und Newton

Diese letzte Seite fasst nur zusammen, dass die falschen Theorien mit der bekannten Physik beginnen (Newtons Gesetze oder der Bernoulli-Effekt), aber dann versuchen, alles zu vereinfachen, um sie an die Situation anzupassen, sodass sie Erklärungen liefern, die falsch machen Vorhersagen.

WIE EIN FLUGZEUG HEBEN ERZEUGT

Es gibt normalerweise zwei populäre Denkfelder (mit Ausnahme der entlarvten Gleichzeittheorie), warum ein Flugzeug fliegt. Einige glauben, dass dies durch die Anwendung des 3. Newtonschen Gesetzes verursacht wird, andere glauben, dass dies durch einen Druckunterschied oben und unten am Flügel verursacht wird. Grundsätzlich sind sowohl die "Newtonsche" Erklärung als auch die "Hoch / Niederdruck" -Erklärung bis zu einem gewissen Grad richtig. Die NASA erkennt dies in ihrem Artikel an (siehe zweite Referenz unten), ihre endgültige Erklärung konzentriert sich jedoch viel mehr auf die mathematische Anwendung und weniger auf eine physikalische Erklärung.

Newtons 3. Gesetz

Auf der Seite des 3. Newtonschen Gesetzes wird die aerodynamische Nettokraft durch eine Umlenkung des relativen Windes nach unten verursacht (bekannt) als "Downwash"). Wenn Sie sich das Vektordiagramm ansehen, das die Kräfte des Flügels in der Luft beschreibt, wird gezeigt, dass diese Umlenkung durch eine Kraft des Flügels auf den Wind verursacht wird, die nach unten und mehr oder weniger senkrecht zur Sehnenlinie des Flügels zeigt (die Linie direkt zwischen der Vorderkante und der Hinterkante). Aufgrund des 3. Newtonschen Gesetzes führt dies zu einer Kraft des Windes auf den Flügel in die entgegengesetzte Richtung (nach oben und mehr oder weniger senkrecht zur Sehnenlinie); Diese nach oben gerichtete aerodynamische Nettokraft erklärt den Auftrieb und den induzierten Luftwiderstand (Luftwiderstand, der durch die Hebevorgänge des Tragflügels verursacht wird, nicht zu verwechseln mit dem parasitären Luftwiderstand, der durch die Oberflächen des Flugzeugs verursacht wird; ein Fallschirm, der hinter dem Flugzeug nachläuft, würde zum parasitären Widerstand beitragen Luftwiderstand, und alle Tragflächen erzeugen einen gewissen induzierten Luftwiderstand, wenn sie Auftrieb erzeugen.

Auf der Unterseite des Flügels kann diese Umleitung der Luft einfach erklärt werden. Der relative Wind trifft auf den Boden und wird durch die Normalkraft des Schaufelblatts vom Schaufelblatt weggedrückt.

Auf der Oberseite des Flügels wird die Luft durch ein Phänomen umgeleitet, das als Coanda-Effekt bekannt ist und zu einer laminaren Strömung führt (der relative Wind folgt dem Flügel und wird von ihm nach unten gerichtet). Ich werde genauer beschreiben, warum der Wind dieser laminaren Strömung folgt, wenn ich das zweite große Phänomen der Auftriebserzeugung erkläre, das mit Drücken zu tun hat (da Sie die Informationen aus diesem Abschnitt benötigen, um den Coanda-Effekt zu verstehen)

Hoch- / Niederdruck

Es liegt ein höherer Luftdruck an die Unterseite des Flügels relativ zu Patm (atmosphärischer Druck). Dies liegt daran, dass Luftströme konzentriert sind, wenn ihre Wege durch das Schaufelblatt blockiert und umgeleitet werden. Eine höhere Luftkonzentration führt zu einem höheren Druck.

Ebenso wird verhindert, dass Luftströme auf der Oberseite des Tragflügels direkt die Oberseite des Flügels erreichen, wodurch ein Hohlraum entsteht, in dem eine geringere Konzentration von Luftpartikeln und damit vorhanden ist niedrigerer Druck. Da Flüssigkeiten auf natürliche Weise von hohem zu niedrigem Druck fließen, wird die Luft in Patm weit über dem Flügel nach unten "angesaugt" und schmiegt sich an die Oberfläche des Flügels. Selbst mit dieser laminaren Strömung (wie oben diskutiert) existiert jedoch immer noch eine Niederdruckzone auf der Oberseite des Flügels; Die Luft aus der laminaren Strömung reicht immer noch nicht aus, um diese Region in Patm wiederherzustellen. Dies lässt sich anhand einer Druckkarte eines Tragflügels feststellen. Sie werden feststellen, dass sich auf dem Flügel ein Niederdruckbereich befindet, auch wenn eine laminare Strömung vorliegt. Dieser Abschnitt sollte auch beantwortet haben, warum laminare Strömung existiert (siehe den letzten Teil des 3. Gesetzesteils des Newton oben).

Schließlich, weil Sie einen höheren Druck (Kraft pro Flächeneinheit) auf der Unterseite von haben Beim Flügel sind die Kräfte auf das Tragflächenprofil unausgeglichen und zeigen nach oben, in einer ähnlichen Richtung wie die aerodynamische Nettokraft, die durch das dritte Newtonsche Gesetz (siehe oben) verursacht wird. Dies trägt zur aerodynamischen Nettokraft bei

Aufgrund des im Vergleich zum Boden niedrigeren Drucks auf der Oberseite des Flügels bewegt sich der Luftstrom auf der Oberseite des Flügels gemäß der Bernoulli-Gleichung schneller als auf der Unterseite (im Grunde genommen führt ein Druckabfall in einem Luftstrom zu einem Druckabfall Geschwindigkeitssteigerung und umgekehrt) - Siehe das Flussdiagramm oben in diesem Beitrag. Dies mag der Grund sein, warum die Theorie der "Gleichzeitigkeit" (dass der Luftstrom auf der Oberseite des Flügels mehr Bewegungsentfernung hat, so dass er schneller reisen muss) so weit verbreitet ist. Der Luftstrom auf der Oberseite bewegt sich zwar schneller, aber nicht, weil es sich um eine größere Entfernung handelt.

Dies erklärt auch "Flügelspitzenwirbel" - jene wirbelnden Luftwirbel, die (unter bestimmten Bedingungen) hinter der Luft sichtbar sind Flügel eines Flugzeugs. Dies liegt daran, dass die Hochdruckluft von der Unterseite des Flügels über die Enden des Flügels wirbelt, um zu versuchen, den Niederdruckbereich oben zu neutralisieren (weil Flüssigkeiten dazu neigen, von Hochdruck zu Niederdruck zu wandern). Sie erhöhen den Druck auf der Oberseite des Flügels (und verringern infolgedessen den Druck auf der Unterseite) etwas, wodurch die Druckdifferenz verringert wird. Da sich das Flugzeug jedoch bewegt, erreicht nicht die gesamte Luft, die von unten nach oben fliegt, ihr Ziel als Tragflächenprofil bewegt sich aus dem Weg und lässt diese Luft in einem kreisförmigen Wirbel wirbeln. Dieser Hochdruckluftstrom verringert den Auftrieb (weil er die Druckdifferenz verringert). Aus diesem Grund wurden Winglets erfunden (die vertikalen Flügelverlängerungen am Ende der Flügel), um einen Teil dieses Flusses zu blockieren und den Auftrieb (und damit die Kraftstoffeffizienz) zu erhöhen. "Bodeneffekt" oder das Phänomen, das den Auftrieb erhöht, wenn sich ein Flugzeug in Bodennähe befindet, ist darauf zurückzuführen, dass der Boden der Luft im Weg steht und versucht, den niedrigen Druck auf der Oberseite des Flügels zu verwirbeln und zu neutralisieren.

Schlussbemerkungen

Ein weiteres aerodynamisches Phänomen, das ich auf diese Erklärung beziehen werde, ist ein "Stall". Wenn ein Tragflächenprofil blockiert, verliert es viel Auftrieb und kann der Schwerkraft nicht mehr entgegenwirken, wodurch das Flugzeug zu Boden fällt. Als Pilot habe ich viele Male Stände geübt und es gibt zwei bemerkenswerte Dinge, die zu einem Stand führen. Zum einen verliert das Flugzeug erheblich an Fluggeschwindigkeit, wenn Sie den Anstellwinkel vergrößern. In diesem Fall wird die Gesamtkraft auf den Flügel nach hinten abgewinkelt, so dass meistens eher Luftwiderstand als Auftrieb induziert wird (bis zu einem bestimmten Punkt erhöht eine Erhöhung des Anstellwinkels den Auftrieb, da er jedoch die Gesamtkraft auf das Tragflächenprofil erhöht Der Winkel nimmt zu. Der extreme Auftrieb nimmt ab und der Luftwiderstand nimmt weiter zu. Schließlich, wenn das Flugzeug stehen bleibt, spürt man einen plötzlichen Ruck nach unten durch das Flugzeug, als ob eine Schnur, die es hält, gerade durchtrennt wäre. In diesem Fall hat der Flügel seinen kritischen Anstellwinkel erreicht und die laminare Strömung auf der Oberseite des Flügels (wie oben beschrieben) hat sich getrennt (weil der niedrigere Druck auf der Oberseite des Flügels den Wind nicht mehr nach unten ziehen kann, um sich anzupassen Seine Oberfläche als notwendige Kraft, um den Geschwindigkeitsvektor des Windes um diesen großen Winkel zu ändern, kann durch diese Druckdifferenz nicht ausgeübt werden. Sobald das Flugzeug blockiert, müssen Sie die laminare Strömung wieder mit der Luftströmung verbinden, um sich von der Strömung zu "erholen" - in einer Ebene, die Sie Tun Sie dies, indem Sie sich mit dem Joch nach unten neigen.

In Zukunft würde ich diesen Beitrag gerne um weitere mathematische Erklärungen zur Berechnung des Auftriebs eines bestimmten Tragflügels sowie zur Erforschung anderer verwandter Aspekte wie Auftriebskoeffizient, Reynolds-Zahl, Berechnung des kritischen Anstellwinkels, erweitern. und verwandte Themen. Dieses Feld wird im Allgemeinen von empirischen Daten dominiert, und es ist schwierig, mit komplizierter Mathematik in einige davon einzudringen, aber es macht Spaß (ganz zu schweigen vom Weg der Zukunft, zumal Computer diese mathematischen Modelle jetzt für uns verarbeiten können und viel schneller sind Dabei können Experimente durchgeführt werden.

Nützliche Quellen:

1. allstar.fiu.edu/aero/airflylvl3.htm

grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/bernnew.html

2. grc.nasa.gov/www/k -12 / airplane / false1.html

3. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong2.html

4. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong3.html

5. www.youtube.com/watch?v=YyeX6ArxCYI

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Die einfachste Antwort, von der ich weiß, dass sie immer noch zutreffend ist, ist, dass für jedes Objekt, das sich durch die Luft bewegt, eine Kraft die vor ihm liegende Luft aus dem Weg schieben muss (Schwerkraft, Motoren, Impuls usw. nicht) Angelegenheit). Wenn mehr Luft nach unten als nach oben gedrückt wird (z. B. durch Flügel), wird die Differenz als Auftrieb bezeichnet.

Hier ist ein Link zu John S. Denkers Webbuch über Tragflächen. Dies ist wahrscheinlich die endgültige Erklärung dafür, wie Flügel funktionieren. John Denker hat eine Reihe von Websites, die einen Besuch wert sind.

http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

Fazit : Damit ein Flugzeug mit einem Gewicht von 150.000 Pfund in der Luft bleibt, muss es der Luft, durch die es fliegt, einen Impuls von 150.000 Pfund verleihen. Sie können über Luftdruckunterschiede (usw.) sprechen, aber das ist nur der Anfang der Erklärung. Wenn Sie der Meinung sind, dass die gleiche Laufzeit oder Flügelkrümmung die Flügel zum Funktionieren bringt, ist dies ein Muss.

Flügel erzeugen einen Auftrieb, der die Luft nach unten drückt. Als Kind streckte ich meine Hand aus dem offenen Autofenster und kippte sie - es gibt eine Aufwärtskraft. Eine flache Platte macht das.

Flugzeugflügel könnten also flache Platten sein, aber leider verursachen flache Platten sofort viel Luftwiderstand Sie erzeugen Auftrieb, da sich die Strömung am oberen Ende sofort löst (lockige Spirale im Bild oben). Dieser Effekt könnte verringert werden, indem anstelle einer flachen Platte eine gewölbte Platte verwendet wird, wodurch der Wirbel auf der Oberseite verringert wird:

Aber das Problem bleibt, dass sobald die gewölbte Platte weiter gekippt wird, es viel Widerstand erzeugt, genau wie die gerade flache Platte. Eine Wassertropfenform ist widerstandsfähiger als eine flache Platte, da die Strömung angebracht bleibt. Und was ist ein anderer Flügelquerschnitt als eine gewölbte Platte mit einem Wassertropfenquerschnitt?

Es wird ein bisschen verwirrend und alles wenn wir uns die Beschleunigung der Luft am oberen und unteren Druck usw. ansehen, insbesondere wenn wir die Entstehung des Auftriebs daraus erklären wollen. Letztendlich wird der Auftrieb durch Beschleunigen der Luft nach unten erzeugt, und die Kontinuität der Masse impliziert, dass die Luft auf der Oberseite beschleunigen muss. Es ist eher eine Wirkung als eine Ursache.

Ein einfacher Weg, dies zu verstehen, besteht darin, dass der Flügel als Klinge in einem Lüfter fungiert. Wenn Sie sich im richtigen Winkel durch die Luft bewegen, bildet sich oben ein Vakuum. Die vordere Spitze muss rund sein, damit sich die Luft gleichmäßig bewegen und ausdehnen kann, um das Vakuum zu erzeugen.

Flache Böden und andere Formen maximieren diesen Effekt lediglich, sind jedoch nicht erforderlich. Deshalb ist es möglich, kopfüber zu fliegen, solange der Flügel im richtigen Winkel auf die Luft trifft. (Nicht im rechten Winkel.)

Update : Siehe eigene Experimente zum Thema Flow am Ende dieses Beitrags.

Ich bin ein unabhängiger Wissenschaftsjournalist und habe viel getan der Forschung über Mythen und falsche Erklärungen rund um den Auftrieb und diese Erklärung ist das Ergebnis:

Das Problem. Wie wir wissen, das Prinzip der Erzeugung des Auftriebs im Allgemeinen und der Magnus-Effekt wird in vielen Quellen falsch verstanden und falsch erklärt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit um eine Tragflächenausbeulung (oder eine sich drehende Kugel / ein sich drehender Zylinder im Fall des Magnus-Effekts) und der damit verbundene niedrige Druck (Bernoulli-Effekt) sind nicht die Ursache für den Auftrieb, wie oft angegeben, sondern unterstützen lediglich die Auftriebserzeugung, weil sie ist eine Beschleunigung der Luft. Es ist jedoch immer noch ein wichtiger Faktor für den Auftriebsmechanismus, da er Teil der Auftriebskraft ist (Kraft = Masse x Beschleunigung ). Diese zusätzliche Beschleunigung aufgrund einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit kann zu der normalen Beschleunigung hinzugefügt werden, die mit der Kraft verbunden ist, die eine Strömung verursacht.

Die wahre Ursache. Auch allgemein akzeptiert ist dass die eigentliche Ursache des Auftriebs die Luft ist, die durch den Winkel oder die Form des Tragflügels nach unten gedreht wird, und diese Kraft eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung verursacht, wie unter anderem von der NASA erklärt. Dennoch ist der Mechanismus für viele Menschen noch unklar. Ich versuche, mit einigen sehr einfachen selbst entwickelten Experimenten und leicht verständlichen Beispielen ein wenig mehr Einblick zu geben. (Siehe auch diese Videodemonstration ). Wir wissen, dass zum Drehen eines Flusses eine Kraft erforderlich ist. Je größer die Auslenkung, desto größer die Kraft. Ein Abbiegen ist eigentlich eine Beschleunigung. Während des Abbiegens muss eine gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung vorhanden sein (Newtons drittes Gesetz). Dies ist der tatsächliche Auftrieb am Tragflügel. Es ist klar, dass ein bestimmter Radius der Strömungsdrehung (Aktion) zu einem gleichen Radius der entgegengesetzten Kraft (Reaktion) führt. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Reaktion des Schaufelblatts auf den beschleunigten Luftstrom durch die Wechselwirkung der Schaufelblattoberfläche mit der Grenzschicht verursacht wird.

Druckmittelpunkt. Der Schlüssel zu Aktion erzeugen = Reaktion auf das Schaufelblatt ist die Viskosität der Luft, da ohne die Luft, die weniger oder mehr am Schaufelblatt haftet, die notwendige Wechselwirkung nicht auftreten würde. Diese Kräfte wirken überall auf das Schaufelblatt, aber das Druckzentrum (CP) tritt dort auf Die durchschnittliche Durchbiegung ist die größte, daher gibt es auch die größte Aktion = Reaktionspunkt. Dies ist der Punkt, an dem die Auftriebskraft auf das Schaufelblatt wirkt. Wir können dies leicht mit eingesetzten Klappen überprüfen. Die Klappen verursachen eine größere Ablenkung der Luft an der Hinterkante, sodass sich der Druckmittelpunkt mehr zur Hinterkante bewegt als ohne Klappen.

Die reale Auftriebskraft. Als die Luft wird nach unten abgelenkt, die Luft übt eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung aus, was bedeutet, dass sie den Druck auf die Unterseite des Flügels addiert, was zu einem größeren Vektor in der Aufwärtsrichtung führt. Aber auf der Oberseite des Flügels haben wir jetzt einen kleineren Vektor, wenn der Druck gesenkt wird, da hier ein Abzug des Drucks erfolgt, der durch die Kraft nach oben verursacht wird. Das Ergebnis ist eine Nettokraft nach oben. Diese vertikale Drucksenkung ist die tatsächliche Auftriebskraft.

Zusammenfassen: Wir haben eine relativ geringe tangentiale Druckreduzierung (in Strömungsrichtung), die der Bernoulli-Teil und der beschleunigende Teil der Auftriebskraft ist. Und wir haben eine enorme vertikale Druckreduzierung, die der Newtonsche Teil der Auftriebskraft ist, der tatsächlich bewirkt, dass sich das Schaufelblatt nach oben bewegt, und der bestimmt, wo sich auf dem Schaufelblatt der Druckmittelpunkt befindet und wo die resultierende Auftriebskraft wirkt. Der größte Druck, den wir auf eine Isobarenfigur eines Tragflügels sehen, ist vertikal und nur wenig tangential. Dies entspricht früheren Messungen von Aerodynamikern, dass die Druckreduzierung in Strömungsrichtung (Bernoulli) nicht dem tatsächlich erzeugten Auftrieb entspricht. Um die Beziehung zwischen der Druckreduzierung in Strömungsrichtung und der Druckreduzierung in vertikaler Richtung zu verstehen, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass die Ablenkung einer Strömung zur Erzeugung eines Auftriebs immer von einem Druckgradienten begleitet wird. Die Strömung beschleunigt sich über die Oberseite des Schaufelblatts und senkt den Druck (Bernoulli-Prinzip). Anschließend wird sie nach unten gedreht, um eine Aufwärtskraft zu erzeugen. Die Strömung wird abgebremst und der Druck steigt an. Dieser Druckanstieg auf der Oberseite des Schaufelblatts ist vernachlässigbar im Vergleich zu dem Druckabfall auf der Oberseite, der durch die nach unten beschleunigte Luft verursacht wird. Daher bewegt sich das Schaufelblatt nach oben und wir haben Auftrieb.

Noch ein Beispiel. Stellen Sie sich einen flachen Plattenflügel vor, der im Anstellwinkel Null mit einer nach unten gerichteten Klappe an der Hinterkante fliegt. Stellen Sie sich nur den Luftstrom auf der Oberseite dieses Flügels vor. Es gibt keine Beschleunigung und damit verbundene Drucksenkung der Strömung, da die Strömung kein Hindernis passiert. Es stößt nur dann auf einen nachteiligen Druckgradienten, wenn es sich über die Klappe nach unten bewegt, da die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt und somit der Strömungsdruck zunimmt (Bernoulli). Wenn die Strömung jedoch nach unten abgelenkt wird, wirkt gleichzeitig eine Kraft in entgegengesetzter Richtung, und daher gibt es auf der Oberseite einen viel, viel wichtigeren Druckabfall (weil die Kraft in Aufwärtsrichtung wirkt gegen den von oben kommenden Umgebungsdruck). Dieser durch die 'vertikale' Aktion verursachte Druckabfall ist die reale Auftriebskraft.

Update : Eigene Experimente zum Fließdrehen. Am 26. September 2018 fand ich während persönlicher Fließdrehversuche mit selbst entwickelten Flugflügelgeräten aus Pappe starke Beweise für eine Theorie, die ich lange vermutet hatte. Dies beinhaltet die Bedeutung des Abstands der Strömungsdrehung in Bezug auf die Steilheit der Drehung. Kurz erklärt: Der Drehabstand scheint wichtiger zu sein als der Drehwinkel. Beim Werfen des Flügels und beim Schätzen der Position des Druckzentrums gewann die Seite mit der längsten Drehung immer von der Seite mit der steilsten Drehung, unabhängig von der Ausrichtung des Flügels.

Die Testergebnisse:

- Kurze steile Kurve, die vorne nach unten zeigt, lange, weniger steile Kurve, die nach oben zeigt.> Ergebnis: positiver Impuls, Nase bewegt sich Dies ist der Effekt der Kurve auf der Rückseite, da eine vorherrschende Abwärtskurve auf der Vorderseite ein Moment mit der Nase nach unten erzeugen würde, da dies ein negativer Anstellwinkel wäre.

- Lange, weniger steile Kurve, die vorne nach oben zeigt, kurze, steile Kurve, die nach unten zeigt.> Ergebnis: positiver Impuls, Nase bewegt sich nach oben. Dies ist der Effekt der langen, weniger steilen Kurve vorne, da dies ein positiver Anstellwinkel ist.

Die Ergebnisse meiner Ergebnisse entsprechen der Tatsache, dass sich die Strömung an der Vorderkante dreht eines Strömungsprofils ist tatsächlich das größte, während es nicht den größten Schwung erzeugt. Das Drehen zur Hinterkante nach dem Punkt des maximalen Sturzes ist jedoch länger, es gewinnt, so dass es den CP-Impuls erzeugt. Es scheint jedoch logisch, dass in einem Kampf zwischen zwei Kurven gleicher Länge die Kurve mit dem steilsten Winkel gewinnt.

Eines meiner selbst entwickelten Geräte, um Experimente mit Auftrieb, Fließdrehung und Druckmittelpunkt: Der FWSCLm-Demonstrator (Flugflügelstabilität & CL-Bewegung) . Der Stift vorne kann ein- und ausgefahren werden, um den Schwerpunkt zu regulieren. Die Klappen im Rücken werden verwendet, um die Krümmung des Flügelprofils zu erhöhen oder zu verringern, um die Auftriebsmitte zu regulieren. Seitenansicht

Wie erzeugt eine kleine Kugel eine Zentripetalkraft, wenn sie sich auf einer gekrümmten Oberfläche bewegt? Der Grund ist die Schwerkraft. Wenn die kleine Kugel eine Geschwindigkeit entlang des roten Pfeils hat, neigt die kleine Kugel dazu, entlang der normalen Richtung der Oberfläche zu gehen, so dass die Kraft der kleinen Kugel auf die gekrümmte Oberfläche verringert wird, wodurch die Zentripetalkraft der kleinen Kugel verringert wird Es wird eine Kugel erhalten, die sich entlang der Oberfläche bewegt.

Wir verwandeln die kleinen Kugeln auf der Oberfläche in Luft. Wenn sich die Luft nicht bewegt, nehmen Sie an, dass die Luftkraft auf der gekrümmten Oberfläche F ist, und wenn die Luft eine Geschwindigkeit entlang der Richtung des roten Pfeils hat, ist die Luftkraft auf der gekrümmten Oberfläche f, weil die Luft hat eine Tendenz, entlang der normalen Richtung der gekrümmten Oberfläche zu gehen, so dass F> f. Luft hat also eine Zentripetalkraft, die sich entlang einer gekrümmten Oberfläche bewegt, wodurch sich Luft entlang einer gekrümmten Oberfläche bewegt.

Die Kraft, die Luft auf die gekrümmte Oberfläche ausübt, ist Luftdruck. Eine Abnahme des Luftdrucks ist eine Abnahme der Kraft, die Luft auf eine gekrümmte Oberfläche ausübt.

Die gekrümmte Oberfläche ist hier dem Flügel ähnlich.

Auftrieb ist eine Kraft, die aufgrund eines Druckunterschieds über einen Flügel erzeugt wird. Wenn Sie also in der Lage sind, über und unter einem Flügel einen unterschiedlichen Druck zu erzielen, müssen Sie heben. Nach dem Newtonschen Grundgesetz würde diese Kraft vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich geleitet (weil der Hochdruckbereich die Oberfläche drückt, indem er im Vergleich zum Niedrigdruckbereich mehr Kraft auf sie ausübt Druck, der die Oberfläche mit einer relativ geringen Kraft drücken würde).

Nun ist es wichtig, diese Druckdifferenz zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem eine interessante Eigenschaft der Flüssigkeit ausgenutzt wird: Eine schnell fließende Flüssigkeit hat im Vergleich zu einer sich langsam bewegenden Flüssigkeit einen niedrigeren Druck. Diese Eigenschaft kann mit verschiedenen mathematischen Mitteln bewiesen und ist wunderbar in das Bernoulli-Prinzip integriert. Daher ist das Bernoulli-Prinzip ein mathematischer Ausdruck einer inhärenten Eigenschaft eines Fluids.

Um nun Auftrieb zu erhalten, kann die erforderliche Druckdifferenz erzeugt werden, indem das Strömungsprofil umströmt wird so dass die Geschwindigkeiten der Flüssigkeit unter und über dem Schaufelblatt unterschiedlich sind. Dies wird erreicht, indem die Form des Flügels (Sturz) so geändert wird, dass er asymmetrisch wird. Die Asymmetrie verursacht aus folgendem Grund unterschiedliche Geschwindigkeiten am oberen und unteren Teil des Schaufelblatts:

Wenn eine Flüssigkeit die Vorderkante des Schaufelblatts erreicht, wird ein Teil der Flüssigkeit nach oben und ein Teil nach unten verschoben. Aufgrund der Asymmetrie des Schaufelblatts hat die Flüssigkeit, die sich nach oben bewegt hat, im Vergleich zu der Flüssigkeit, die sich unter dem Schaufelblatt befand, weniger Querschnittsfläche, durch die sie sich bewegen kann. Dieser Flächenunterschied, der dem Fluid zur Bewegung zur Verfügung steht, erzeugt den Unterschied in den Geschwindigkeiten des Fluids in verschiedenen Regionen. Diese Eigenschaft der Flüssigkeit, sich in Bereichen mit geringerem Querschnitt schneller und in Bereichen mit größerem Querschnitt langsam zu bewegen, kann durch Anwendung der Massenerhaltung in mathematischer Form abgeleitet werden und wird als Prinzip der Kontinuität bezeichnet.

Daher erzeugen geänderte Fluidgeschwindigkeiten einen Druckgradienten, der wiederum eine Kraft auf den Flügel verursacht, die als Auftrieb bezeichnet wird. Dieser Auftrieb kann nun in jede Richtung erfolgen (was durch die Integration sehr kleiner Kräfte auf sehr kleine Bereiche der Flügeloberfläche herausgefunden werden kann). Die Komponente dieser Kraft senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit des Flugzeugs wird als Auftriebskraft bezeichnet, wobei die andere Komponente parallel zur Geschwindigkeit ist des Flugzeugs wird dann in die Luftwiderstandskraft einbezogen.

BEARBEITEN

Für eine sehr genaue Darstellung der Gleichungen, die das Flüssigkeitsverhalten bestimmen kann argumentiert werden, dass Bernoullis Prinzip falsch ist. In diesem Fall ist die Navier Stoke-Gleichung gültig, aber zum Verständnis kann davon ausgegangen werden, dass jede zeitinvariante (stetige), in komprimierbarem, nichtviskosen Fluss der Bernoulli-Gleichung gehorcht.

Ferner würde eine echte Flüssigkeit die Bernoulli-Gleichung meistens nicht befolgen, aber das allgemeine Verhalten der Druckreduzierung mit Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird immer noch beobachtet, obwohl der genaue Druckabfall nicht durch die Bernoulli-Gleichung berechnet werden kann. In solchen Fällen wird die Navier Stoke-Gleichung verwendet, um den Druckabfall, der aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, korrekt zu berechnen.

BEARBEITEN 2

Für symmetrische Flügel Der Flügel erzeugt keinen Auftrieb, wenn die Strömung den Flügel symmetrisch sieht, was bedeutet, dass ein symmetrischer Flügel mit einem Anstellwinkel von 0 keinen Auftrieb erzeugen würde. Um Auftrieb von einem symmetrischen Flügel zu erhalten, wird er in einem Winkel zur Strömung platziert, so dass die Strömung ihn "asymmetrisch" sieht, und daher kann die obige Erklärung verwendet werden, um die in diesem Fall erzeugte Lebensdauer zu erklären.

BEARBEITEN 3

Erläuterung für Flugzeuge, die verkehrt herum fliegen: Damit ein normales Flugzeug fliegen kann, ist ein positiver Anstellwinkel erforderlich. Wenn Sie dieser Ebene eine Geschwindigkeitsachsenrolle von 180 Grad geben, erhalten Sie eine Ebene mit einem Anstellwinkel von -ve und damit einem negativen Auftrieb. Ein Flugzeug kann jedoch keinen Flug mit negativem Auftrieb aushalten. Daher müssen die auf dem Kopf stehenden Flugzeuge den Anstellwinkel von -ve auf positiv erhöhen, indem sie die Nase nach oben ziehen (dies würde die Nase nach oben in Richtung Himmel drücken Flugzeug). Dies bewirkt, dass sich der Anstellwinkel ändert und + ve wird. Der Anstellwinkel + ve bedeutet, dass der Flügel nun ein Leben so erlebt, dass eine umgedrehte Ebene nach oben angehoben wird (dies entspricht einer normalen Ebene mit einem Anstellwinkel von fünf und damit einem negativen Anheben).

Ein Flugzeug fliegt nach mehreren Mechanismen. Der erste ist der Bernoulli-Effekt, der durch den Flügelsturz verursacht wird und einen Druckunterschied erzeugt, der den Flügel nach oben drückt, wenn er sich vorwärts durch die Luft bewegt. Beachten Sie, dass Vögel gewölbte Flügel haben. Es ist jedoch möglich, ein Flugzeug mit vollständig flachen Flügeln und überhaupt keinem Sturz zu haben. Daher ist es ein Fehler zu glauben, dass dies die einzige Auftriebsquelle ist (wie einige der obigen Antworten).

Der Winkel an der Flügelwurzel ist ebenfalls wichtig. Wenn Sie Ihre Hand schräg aus dem Autofenster strecken, spüren Sie, wie sie nach oben gedrückt wird. Der gleiche Effekt wird in einem Flugzeug erzielt, indem die Flügel relativ zur Ebene des Rumpfes leicht nach oben geneigt werden.

Schließlich sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass der Grund, warum ein Flugzeug in der Luft bleibt, nichts mit dem Auftrieb zu tun hat mit der Oberfläche präsentiert es sich auf dem Boden. Die Hauptkraft, die eine Ebene hochhält, ist der Luftwiderstand, der eine Funktion dieser Oberfläche ist. Die Kraft dieses Luftwiderstands ist viel größer als die Kraft, die durch die beiden vorhergehenden Effekte erzeugt wird. Ein wichtiges Entwurfskriterium für ein Flugzeug ist beispielsweise, ob es einen quadratischen Rumpf oder einen runden / ovalen Rumpf hat. Ein quadratischer Rumpf bietet mehr Bodenfläche und bleibt somit effizienter in der Luft. Aus diesem Grund hatten fast alle frühen Flugzeuge quadratische Rümpfe. Ein runder Rumpf bewegt sich jedoch effizienter vorwärts als ein quadratischer. In einem Flugzeug, das auf Geschwindigkeit ausgelegt ist, ist eine runde Rumpel besser. Ein Flugzeug mit einem runden Rumpf geht schneller, ist aber weniger sparsam als ein Flugzeug mit einem quadratischen Rumpf.

Das gleiche Argument gilt für die Tragflächenfläche. Je größer der Flügel, desto größer der Luftwiderstand. Aus diesem Grund haben Segelflugzeuge im Vergleich zu Motorflugzeugen relativ große Flügel. Der Nachteil eines großen Flügels ist der gleiche wie der eines quadratischen Rumpfes: Das Flugzeug fährt langsamer.

Um es noch einmal zusammenzufassen: Es gibt drei Faktoren, die ein Flugzeug in der Luft halten: vertikaler Luftwiderstand aufgrund der nach unten gerichteten Oberfläche, der Winkel der Flügel an der Flügelwurzel und der Bernoulli-Effekt, der mit dem Sturz in den Flügeln verbunden ist.