Interessante Frage. Rein empirisch ist es das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, das Sie suchen. Wenn Sie diesen Wert als für ein bestimmtes Flugzeug angegeben annehmen, haben Sie eine direkte Antwort darauf, wie viel effektiver Flügel sind. Dies ist das Verhältnis des Auftriebs zum Gesamtwiderstand. Der Motor muss nur den Luftwiderstand überwinden.

Wenn L / D gleich Eins ist, benötigen Sie den gleichen Schub wie für den vertikalen Start. Aber selbst ziemlich "schlechte" Starrflügelflugzeuge hätten ein L / D von ungefähr 5. Segelflugzeuge oder ähnliche Flugzeuge, die mit einem starken Fokus auf Aerodynamik gebaut wurden, können ein L / D von 50 oder mehr haben (zumindest in einem engen Bereich von Fluggeschwindigkeiten) / p>

Ja, Flügel sind effizienter. Etwa eine Größenordnung als Faustregel für gewöhnliche Flugzeuge und optimale Fluggeschwindigkeit.

Warum Ihre Argumentation mit heruntergedrückter Luft falsch ist, ist schwieriger zu erklären. Ich gehe davon aus, dass die Luft beim Passieren eines Strömungsprofils relativ zum Strömungsprofil unverändert bleibt und sich nur die Richtung ändert. (Ich weiß, dass sich die Luft zumindest aufgrund von Reibung usw. verlangsamt, aber dies sind zumindest theoretisch vermeidbare Dinge, die nicht direkt mit der Erzeugung des Aufzugs zusammenhängen , dann wird mich hier hoffentlich jemand korrigieren.)

Siehe Bild. Luftmasse, die sich anfänglich mit der Geschwindigkeit $ \ vec {v_0} $ in Richtung des Tragflügels bewegt, wird um den Winkel $ \ alpha $ nach unten abgelenkt. Daher ist die Änderung der Geschwindigkeit $ \ vec {\ Delta v} $. Diese Änderung kann in horizontale und vertikale Komponenten unterteilt werden. Um das Flugzeug in der Luft zu halten, muss die vertikale Komponente dem Gewicht des Flugzeugs geteilt durch den Massenstrom über dem Flügel entsprechen. Die vertikale Komponente ist durch $$ \ Delta v _ {\ rm horiz} = \ Delta v _ {\ rm vert} \ cdot \ tan {\ alpha \ over 2} mit der horizontalen verbunden. $$

Aus dieser vereinfachenden Sicht wäre der Luftwiderstand also das $ \ tan \ alpha / 2 $ -fache des Auftriebs. Ein höherer Massenstrom über dem Flügel (längere Flügel, höhere Fluggeschwindigkeit) ermöglicht es, den gleichen Auftrieb mit geringerer Durchbiegung ($ \ alpha $) beizubehalten, wodurch der Luftwiderstand aufgrund des erzeugten Auftriebs geringer wird.

Zusätzlicher Kommentar: Wie hängt es mit Leistung und Energie zusammen?

Die obige Antwort konzentriert sich darauf, wie Flügel den erforderlichen Motorschub verringern. Die ursprüngliche Frage könnte jedoch in Bezug auf die Energieeffizienz interpretiert werden zu. Ich werde versuchen, einige Kommentare zu diesem Teil hinzuzufügen.

• einfaches Beispiel - Raketentriebwerk: nicht allzu typisch für Flugzeuge, aber einfach. Rakete verbraucht die gleiche Menge Kraftstoff pro Sekunde, um eine Einheit von Thurst zu erzeugen, unabhängig von ihrer Größe und unabhängig davon, ob sie nach oben zeigt (und in Bezug auf Luft statisch ist) oder vorwärts (und sich durch die Luft bewegt). Sie müssen proportional mehr Kraftstoff pro Sekunde verbrennen, um einen höheren Schub zu erzeugen. Für den Raketenantrieb sparen Sie Kraftstoff im gleichen Verhältnis, wenn der erforderliche Schub abnimmt.

• Propeller- oder Düsentriebwerke sind komplizierter, da ihr Schub und ihr Kraftstoffverbrauch davon abhängen Motorbewegung auch durch die Luft. Wie David K ​​in seiner Antwort betonte, können wir den Impuls und die kinetische Energie der beschleunigten Luft verwenden, um die für die Schubeinheit erforderliche Leistung zu erhalten.

  Bei einigen Vereinfachungen ist der Schub der Massendurchsatz durch den Motor / die Stütze multipliziert durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht es. $ T = \ dot m \ cdot (v _ {\ rm out} - v _ {\ rm in}) = \ dot m \ Delta v $. Die dafür benötigte Leistung ist $ P = \ dot m \ cdot {1 \ over2} (v _ {\ rm out} ^ 2 - v _ {\ rm in} ^ 2) = \ dot m \ Delta v \ cdot (v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2}) $. Somit ist $$ {P \ über T} = v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ über 2} \ ,. $$

  Für stationäre Triebwerke, die gegen die Schwerkraft halten, ist ein höherer Schub im Vergleich zu fliegenden Starrflügelflugzeugen erforderlich, wie oben gezeigt. Wenn wir nicht durch Erhöhen des Massenstroms durch den Motor "schummeln" (z. B. durch Hubschrauberrotor oder Verwendung mehrerer Motoren), muss $ \ Delta v $ erhöht werden, um den erforderlichen Schub zu erzielen. Sie benötigen also nicht nur mehr Leistung aufgrund des erhöhten Schubes, sondern auch mehr Leistung aufgrund der erhöhten Wattleistung pro Schubeinheit. Beachten Sie, dass selbst "Hubschrauber-Cheat" nicht gut funktioniert. Um den Stromverbrauch des Motors zu erreichen, der dank des L / D des Flügels weniger Schub erzeugt, müssen Sie auch das P / T verbessern - indem Sie $ \ Delta v $ verringern und damit den Massenstrom erhöhen (Rotor- / Propellerradius sogar mehr als proportional zu erhöhtem Schub).

  Was ist mit der Abnahme des P / T aufgrund der Bewegung durch Luft? Nun, es hängt von einem bestimmten Motor und seinem $ \ Delta v $ ab. Es wird typischerweise in einer ähnlichen Größenordnung wie die Fluggeschwindigkeit (oder sogar weniger) sein, so dass wir $ v _ {\ rm in} $ in der obigen Watt-pro-Schub-Gleichung nicht vernachlässigen können. Es gibt eine Effizienzstrafe, wenn der Motor an sich bewegenden Flugzeugen arbeitet. Aber es sollte sich trotzdem lohnen, da der durch den Auftrieb erzielte Gewinn größer ist.

  Ein vereinfachtes Beispiel: Wir haben einen Motor, der genug Schub erzeugen kann, um Flugzeuge vertikal anzuheben. Es kann gedrosselt werden, indem $ \ Delta v $ ohne praktische Probleme oder Änderung der internen Effizienz geändert wird. Nehmen wir an, dass der Massendurchsatz durch ihn eine feste Fläche $ S $ ist, multipliziert mit der Luftdichte und multipliziert mit dem arithmetischen Durchschnitt der Geschwindigkeiten beim Ein- und Austreten von Luft. Für schwebende Flugzeuge und stationäre Triebwerke, die einen Schub erzeugen, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht, ist $ w $ $$ w = \ dot m \ Delta v _ {\ rm hover} = \ rho S \ Delta v _ {\ rm hover} ^ 2/2 \ ,; \ quad \ Delta v _ {\ rm hover} = \ sqrt {2 w \ over \ rho S} $$ und damit $$ P _ {\ rm hover} = w \ cdot \ Delta v _ {\ rm hover} / 2 = \ sqrt {w ^ 3 \ over 2 \ rho S} \ ,. $$

  Dasselbe Flugzeug, das auf seinen Flügeln fliegt, benötigt nur $ w \ über L / D $ Schub. Die Fluggeschwindigkeit beträgt $ v _ {\ rm air} $. Gleichung für den Schub: $ {w \ über L / D} = \ dot m \ Delta v _ {\ rm Flug} = \ rho S \ cdot (v _ {\ rm Luft} + {\ Delta v _ {\ rm Flug} \ über 2}) \ cdot \ Delta v _ {\ rm Flug} $. Also $$ \ Delta v _ {\ rm Flug} = \ sqrt {{2w \ over (L / D) \ rho S} + v _ {\ rm Luft} ^ 2} -v _ {\ rm Luft} $$ und $$ P _ {\ rm Flug} = {w \ über L / D} \ cdot (\ sqrt {{w \ über 2 (L / D) \ rho S} + {v _ {\ rm Luft} ^ 2 \ über 4}} + {v _ {\ rm air} \ over 2}) \ ,. $$

  Leider sehe ich keine Möglichkeit, $ P _ {\ rm hover} $ und $ P_ {zu vereinfachen und zu vergleichen. \ rm Flug} $ also einige konkrete Zahlen:

  • Leichtflugzeug, 1 Tonne, 100 Knoten, $ S = 5 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm Schwebeflug} = 290 \, \ rm kW $, $ P _ {\ rm Flug} = 35 \, \ rm kW $.

  • Schwer Flugzeuge, 100 Tonnen, 200 Knoten, $ S = 50 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm Schwebeflug} = 90 \, \ rm MW $, $ P _ {\ rm Flug} = 7 \, \ rm MW $.

  Basierend auf diesen Vereinfachungen sollte das Fliegen mit Flügeln mit einem ähnlichen Triebwerkstyp auch in Bezug auf die Energie erheblich effizienter sein. Außerdem bewegen Sie sich bereits mit der Kraft $ P _ {\ rm flight} $ vorwärts. Für vertikale Motoren wäre zusätzliche Leistung erforderlich, um den Luftwiderstand aufgrund der Bewegung zu überwinden.

In Bezug auf Energieverbrauch und Leistung ist für eine bestimmte Kraftmenge, die durch Beschleunigen einer Luftmasse erzeugt werden soll, mehr Leistung erforderlich, wenn Sie in jedem Zeitraum eine kleine Luftmasse beschleunigen, als wenn Sie eine große Luftmasse beschleunigen. Dies liegt daran, dass die Kraft proportional zur Änderung des Impulses der Luftmasse ist, während die Leistung proportional zur Änderung der kinetischen Energie ist, und während der Impuls $ mv ist, ist $ kinetische Energie $ \ frac12 mv ^ 2. $

Der typische Flugzeugmotor erfasst relativ kleine Luftpakete und treibt sie mit hoher Geschwindigkeit rückwärts. Ein großer Propeller oder ein Turbofan mit hohem Bypass und großem Einlass ist besser als ein kleiner Propeller oder ein Turbojet mit kleinem Einlass. Der Flügel eines typischen konventionellen Flugzeugs "greift" jedoch nach einem viel größeren Luftpaket während einer beliebigen Zeiteinheit als seine Triebwerke. Durch das Vorwärtsschieben des Flügels durch die Luft wandelt das Flugzeug die relativ ineffiziente Krafterzeugung durch seine Triebwerke um (indem kleine Luftpakete vor dem Flugzeug entnommen und schnell rückwärts beschleunigt werden) ) in die viel effizientere Krafterzeugung durch seine Flügel (große Luftpakete über dem Flugzeug aufnehmen und relativ langsam nach unten beschleunigen).

Einfach das typische Triebwerk (Jet oder Propeller) eines herkömmlichen Flugzeugs nach unten drehen Lassen Sie das Flugzeug nicht annähernd so viel Luft nach unten beschleunigen wie der Flügel, wenn sich das Flugzeug im Normalflug befindet.

In einem Hubschrauber (auch als "Drehflügelflugzeug" bekannt) dreht der Motor den Flügel (auch bekannt als) Rotor), wodurch es durchgeschoben wird Ein Hubschrauber kann daher mit einem relativ kleinen Triebwerk vertikal abheben, verglichen mit dem, was Sie mit einem herkömmlichen Starrflügelflugzeug vertikal abheben müssten, wenn sich der Rumpf durch die Luftmasse vorwärts bewegt oder nicht Wenn Sie sich einen Hubschrauberrotor als "nach unten zeigenden Lüfter" vorstellen, dann funktioniert es tatsächlich ziemlich gut.

In einem herkömmlichen Flugzeug wird der größte Teil der Leistung des Triebwerks verwendet, um das Flugzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit vorwärts zu bewegen. Sehr wenig von dieser Kraft wird tatsächlich benötigt, um Auftrieb zu erzeugen.

Betrachten Sie ein einfaches Papierflugzeug. Es fliegt lange Zeit ohne Motor, bis es durch das Ziehen langsamer wird und wenn es den Auftrieb verliert und auf den Boden abfällt.

In den Händen eines erfahrenen Piloten können Segelflugzeuge stundenlang ohne Motor in der Luft bleiben.

Ich werde nicht auf den Streit eingehen, ob Flügel funktionieren, indem sie Luft lenken nach unten oder nicht, weil es einfach irrelevant ist. Die grundlegende Wahrheit ist, wenn ein Flügel so ausgerichtet ist, dass er beim Vorwärtsfahren Auftrieb bietet, alles, was der Motor tun muss, ist, diesen Flügel und den Rest des Flugzeugs mit dieser Geschwindigkeit vorwärts zu fahren. stark>

Der Flügel und der Körper des Flugzeugs erzeugen einen effektiven Widerstand, wenn sie nach vorne gezogen oder geschoben werden, und der Motor muss nur diese Kraft erzeugen, um nicht zu verlangsamen. Diese Kraft ist VIEL geringer als Sie benötigen, um sie direkt anzuheben.

Die meisten Flugzeugtriebwerke haben einfach nicht die Schubkraft, um das Flugzeug selbst anzuheben. Während der frühen Flugzeugentwicklung wurden viele Versuche unternommen, dies zu tun, und scheiterten, weil Triebwerke mit ausreichender Stärke einfach nicht verfügbar waren.

Flügel waren gewesen Es dauerte lange, bis die Gebrüder Wright kamen, aber die Flucht war unvorhersehbar und unkontrolliert. Das erste echte Flugzeug wurde erfunden, weil die Brüder einen Mechanismus entdeckten und erfanden, mit dem sie die Flügel steuern konnten.

Kurz gesagt, es ist viel einfacher, Flügel mit Auftrieb zu versehen, als mit Schubvektor.

JEDOCH: An diesem Punkt kratzen Sie sich wahrscheinlich noch am Kopf Ich frage mich, wie man ein Flugzeug anheben kann, ohne tatsächlich so viel Leistung vom Motor zu bekommen. Lassen Sie mich also versuchen, es zu erklären.

Nehmen wir an, Sie haben ein Auto und ich sage Ihnen, Sie sollen es 6 Fuß hochheben ... Nun, wenn Sie nicht dieser Typ sind, wird es einfach nicht passieren ...

Aber was ist, wenn Sie Folgendes tun?

Nun, Sie könnten sich beschweren und außer Atem sein, aber Sie können sehen, wie Sie, wenn die Rampe lang genug wäre, unsere Muskeln nutzen könnten, um das Auto auf diese Höhe zu bringen.

Weil wir uns langsam bewegende Kreaturen sind Denken Sie an Luft als gar nichts. Luft wird jedoch etwas anderes, wenn Sie versuchen, sie sehr schnell aus dem Weg zu räumen. Es wird erheblich "schwer".

Ein Flugzeug im Flug kann daher daran gedacht werden, eine Luftrampe wie unten gezeigt zu besteigen.

Das Flugzeug und die Flügel schneiden ziemlich leicht durch die Luft, aber die Luft unter den Flügeln und dem Körper wirkt wie eine Rampe. Je größer die Flügel, desto härter und fester die Rampe. Dies sorgt für den Auftrieb. Halten Sie das Flugzeug aufrecht.

Natürlich ist die Rampe nicht fest und fällt effektiv ab, wenn wir das Flugzeug nach vorne schieben. Mit anderen Worten, das Flugzeug fällt und klettert gleichzeitig. Im Horizontalflug fällt die Rampe mit der gleichen Geschwindigkeit ab, mit der das Flugzeug aufsteigt.

Das bedeutet, dass die Flügel Ihnen den mechanischen Vorteil bieten, eine Rampe zum Reduzieren zu verwenden die Kraft, die benötigt wird, um Arbeit auszuführen. Wenn Sie den Luftwiderstand ignorieren, ist die erforderliche Arbeit dieselbe, als ob Sie sie vertikal angehoben hätten. Da Sie die Arbeit jedoch über eine lange Vorwärtsstrecke verteilen, ist der Kraftaufwand für den Motor erheblich aufgeteilt.

Effizienz:

Ist das jetzt effizienter? Nun, traditionell sind Rampen und andere mechanische Vorteilsvorrichtungen weniger effizient als ein gerader Aufzug, da Verluste durch zusätzliche Reibung in der Vorrichtung auftreten.

Auf vertikalen Antrieben basierende Aufzugssysteme selbst sind jedoch schrecklich ineffizient. P. >

Wie wir bereits besprochen haben, ist es schwieriger, Luft zu bewegen, je schneller Sie versuchen, sie zu bewegen. Dies bedeutet, dass eine Verdoppelung der Motorleistung NICHT zu einer Verdoppelung des Schubes führt, sondern eher eine Exponentialfunktion darstellt. Das heißt, Sie müssen mehr als doppelt so viel Benzin verbrennen, um den doppelten Schub zu erzielen.

Schlimmer noch, für jeden Motor Es gibt eine Grenze, wie viel Schub es erzeugen kann. Schließlich kavitiert die Luft davor. Wenn es sich schnell genug drehen kann, saugt es die gesamte Luft so schnell aus dem Einlass, dass sich ein Vakuum bildet. Zu diesem Zeitpunkt hat der Motor keinen Luft mehr und kann nicht schneller fahren, egal wie viel Kraftstoff Sie einpumpen. Um mehr Schub zu erhalten, benötigen Sie einen größeren Motor, was mehr Gewicht bedeutet, was bedeutet, dass Sie mehr Schub benötigen .... Sehen Sie, wohin ich damit gehe?

Und denken Sie daran, das ist nur, um Sie auf dem Laufenden zu halten. Sie müssen immer noch mehr Kraft aufwenden, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen.

Selbst mit den Luftwiderstandsverlusten verbraucht der geflügelte Flug für jede gegebene Reisedistanz viel weniger Benzin.

Wenn wir die Verluste ignorieren, erfordert das Halten des Flugzeugs in einer bestimmten Höhe keinen Strom , da keine Arbeiten daran durchgeführt werden. Es erfordert jedoch eine Kraft, und Sie scheinen Kraft und Macht zu verwechseln. Der Begriff Effizienz hat keine Bedeutung (zumindest keine genau definierte Bedeutung), wenn es um Kräfte geht.

Zum Beispiel kann ich ein Gewicht von 20 kg in der Hand halten und Ich könnte 200 kg mit einem 1:10 Hebel halten. Natürlich kann man sagen, dass der Hebel zehnmal effizienter ist, und in diesem Sinne sind die Flügel effizienter als vertikale Startmotoren: Sie können mit einem Motor starten, der zehnmal weniger Schub hat. Die Konsequenz ist, dass Sie 10x mehr Zeit benötigen, um eine bestimmte Höhe zu erreichen, genau wie ich ein 200 kg-Gewicht mit einem Hebel 10-mal langsamer heben würde als ein 20 kg-Gewicht mit meinen Händen.

Motoren (sagen wir Kolbenmotoren) bieten keinen Auftrieb. Motoren treiben Flügel an. Jedes Blatt eines Propellers ist ein Flügel. Jeder Flügel (bei gleicher Größe, Tragfläche, Anstellwinkel, Relativgeschwindigkeit, Höhe) bietet den gleichen Auftrieb.

Beide Geräte unten bieten den gleichen Auftrieb, einer fliegt geradeaus, der andere fliegt im Kreis. Einer ist ein Flugzeug, der andere ist ein Propeller. Den Schub eines Motors nach unten richten = die Flugrichtung der Blätter horizontal ausrichten. Hoffe das hilft.

Ich möchte nur etwas hinzufügen, von dem ich glaube, dass es hier allgemein übersehen wurde. Mit zunehmender spezifischer Fluggeschwindigkeit über dem Flügel / Propeller steigt der Luftwiderstand mehr als nur linear, sondern exponentiell. Mit anderen Worten, da der Luftstrom (in Masse) über einem Flügel viel höher ist, kann er bei niedriger Fluggeschwindigkeit x Auftrieb erzeugen, während er bei einem Motor einen geringeren Luftstrom (wieder in Masse) hat, der sich bewegen muss die Luft schneller über die Propeller im Motor, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Da der Luftwiderstand nicht linear ist, benötigt er erheblich mehr Leistung, um den Luftwiderstand des Motors zu überwinden, was die Ineffizienzen verursacht.

Beim Durchblättern der Antworten fehlt mir ein sehr einfacher Ansatz, um den Unterschied zu erklären:
Auflisten der Ineffizienzen für beide Konstruktionslösungen

Starrflügel

• Luftwiderstand, der keinen Auftrieb erzeugt - Ein Teil des Luftwiderstands hängt nicht mit der Erzeugung von Auftrieb zusammen, z Luftreibung auf der Flügeloberfläche.
• Wirbel an der Flügelspitze - Die Druckdifferenz zwischen über und unter dem Flügel versucht durch einen Luftstrom von unten nach oben auszugleichen. Dies kann durch Winglets und / oder ein hohes Seitenverhältnis des Flügels gemildert werden.
• irgendetwas - Dies ist ein Platzhalter für alles, was ich möglicherweise übersehen habe. Siehe unten für das Gegenstück.

Drehflügel

• nicht hebeerzeugender Luftwiderstand - Entspricht dem obigen äquivalenten Punkt. mit Ausnahme unterschiedlicher Flügelprofile, Tragflächen und unterschiedlicher Fluggeschwindigkeiten. Weitere Informationen zu unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten finden Sie weiter unten.
• Wirbel an der Flügelspitze - Entspricht dem obigen Äquivalentpunkt, außer dass die Flügellänge und damit das Seitenverhältnis bei der Auswahl des Designs eingeschränkter sind. Winglets würden viele strukturelle Probleme verursachen und den Luftwiderstand überproportional erhöhen, da sie sich per Definition an der (sich schnell bewegenden) Spitze befinden.
• alles - Grundsätzlich alles, was für feste Flügel gilt gilt auch für Drehflügel. Außerdem ermöglicht der ungleichmäßige Luftstrom (siehe unten) häufig keine Optimierungen des Flügelprofils, des Tragflügels usw.
• ungleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeiten über das Blatt - Die Spitzen eines Rotors bewegen sich schneller durch die Luft als seine Basis. Daher ist es schwierig, überall auf dem Rotorblatt gleichzeitig eine optimale Fluggeschwindigkeit zu erreichen.
• unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten für vorhergehende und zurückgehende Blätter - Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs wird zur Luftgeschwindigkeit über addiert die vorhergehende Klinge aber vom Rückzug abgezogen. Dieser Unterschied trägt zum Problem der Erzielung eines optimalen Luftstroms bei.
• Bedarf an Gegendrehmoment - Der Heckrotor im klassischen Hubschrauberdesign benötigt Leistung vom Hauptmotor, ohne den Auftrieb oder den Vorwärtsschub zu erhöhen. Es ist im Grunde eine "nutzlose Notwendigkeit". Doppelrotorkonstruktionen können unter einem zunehmend "gestörten Luftstrom" leiden (siehe unten).
• Kreisbewegung - Die Kreisbewegung beschleunigt sich im Wesentlichen zur Mitte hin. "Geradeaus fliegen" wäre effizienter, z. Auf dem Rotor befinden sich Lager, die den Drehimpuls verlieren. Im Vergleich dazu verliert ein Starrflügel neben den anderen Ineffizienzen nicht seinen Schwung. Dies stellt auch strukturelle Anforderungen an die Rotorblätter, die andere Konstruktionsoptimierungen einschränken können.
• gestörter Luftstrom - Das zuvor zurücktretende Blatt bewegt sich in der nächsten Umdrehung nach dem zuvor vorhergehenden. Die gestörte Luft erzeugt keinen so sauberen Luftstrom wie ungestört. Dies reduziert das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand.
• nicht optimiertes Tragflächenprofil - Mehrere oben genannte Punkte erwähnen dies bereits, indem sie es entweder erforderlich machen (strukturelle Anforderungen in Kreisbewegung) oder indem sie eine Optimierung verhindern (nicht gleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeiten über das Blatt).

Um auf die ursprüngliche Frage zurückzukommen:
Als Faustregel können wir annehmen, dass die Je länger die Liste der Ineffizienzen ist, desto weniger effizient ist das Design. Besonders wenn alles (und alles ) auf der einen Liste auch auf der anderen erscheint. Es müsste in jedem Punkt große qualitative Unterschiede geben, damit die Faustregel verletzt wird.

Ein großer Vorteil eines Flügels gegenüber einem Motor besteht darin, dass er im typischen Gebrauch ständig auf relativ ungestörte Luft trifft. Ein nach unten gerichtetes Triebwerk würde einen Bereich mit niedrigem Druck darüber erzeugen, und die darin strömende Luft bewegt sich nach unten, noch bevor das Flugzeug etwas damit anfangen kann. Die einzige Möglichkeit, wie das Flugzeug Schub erzeugen kann, besteht darin, die sich bereits bewegende Luft auf eine noch höhere Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Energiemenge, die erforderlich ist, um einen Kubikmeter Luft von 9 m / s auf 10 m / s zu beschleunigen, ist fast doppelt so groß wie die Menge, die erforderlich ist, um 10 Kubikmeter Luft von 0 m / s auf 1 m / s zu beschleunigen, aber die Menge an Auftrieb von letzterem generiert wird zehnmal so groß sein.

Die Art und Weise, wie mir der "einfache" Flug immer erklärt wurde, ist, dass aufgrund der Form des Flügels die Luft über der Oberseite weiter gehen muss, wodurch die Luft unter dem Flügel "gedehnt" wird und weniger Flugstrecke hat. Die Luft unter dem Flügel hat also mehr "Druck" als über dem Flügel. Zu keinem Zeitpunkt "drücken Sie tatsächlich Luft nach unten". Zumindest nicht genau. Das Gewicht des Fahrzeugs bewirkt, dass die Luft unter dem Flügel wie ein Boot "glättet" (oder sich verdrängt), während keine Kraft (außer dem Aufzug) auf den Flügel "nach oben" drückt.

Dies ist alles eine sehr einfache Erklärung. Aber der Kernteil, der sehr sehr wichtige Teil, ist, dass in keinem Flugzeug ein Starrflügel (Flugzeug) oder ein Drehflügel (Hubschrauber) JEDER Auftrieb ist, der durch Herunterdrücken von Luft erzeugt wird. Der Auftrieb wird dadurch erzeugt, dass "oben" auf dem Flügel weniger Luftdruck herrscht als unter dem Flügel, wenn er mit der nach unten gerichteten Schwerkraft kombiniert wird. Es ist der Zug nach unten, der Flugzeuge tatsächlich nach oben bringt, so seltsam das auch klingt.

Nun möchten Sie in Ihrer Frage wissen, warum weniger Energie benötigt wird, um "Flugzeuge wie" als "Hubschrauber" zu fliegen. Denken Sie auch hier daran, dass das Herunterdrücken von Luft erst dann in die Hocke geht, wenn Sie in Raketentriebwerke geraten.

Um zu beantworten, werfen wir einen Blick darauf, was jeder Motor zu bewegen versucht. In einem kleinen Flugzeug muss der Motor einen Propeller bewegen. Sagen wir etwa 70 Pfund. Mit diesem Motor, der 70 Pfund Gewicht dreht, kann er (ähnlich wie der Flügel) ein kleines Flugzeug mit etwa 140 Knoten "ziehen". Das ist mehr als genug "Geschwindigkeit", um die Flügelteile des Flugzeugs Auftrieb erzeugen zu lassen. Denken Sie daran, dass "Auftrieb" nicht diese große Kraft sein muss, sondern nur ein kleines bisschen stärker als die Schwerkraft.

Im Gegensatz dazu die "Blätter" eines Hubschraubers (es gibt nur Flügel, die sich drehen um) Gewicht um 250 lbs. Es ist schwierig, die Drehzahl in Knoten umzurechnen, aber bei 650 Fuß / s sind das ungefähr 385 Knoten (die Mathematik ist sehr rau).

Es kostet also viel weniger Energie, ein Flugzeug mit 140 Knoten nach vorne zu ziehen . Dann dreht sich ein Satz Flügel mit 384 Knoten.

Halten Sie im Wind, dass die Flügel eines Flugzeugs VIEL größer sein können als die Flügel eines Hubschraubers. Diese zusätzliche Oberfläche sorgt für mehr Auftrieb bei langsameren Geschwindigkeiten.

Um es komplizierter zu machen, wird die gesamte Energie der "Flugzeuge" verwendet, um das Fahrzeug vorwärts zu bewegen. Das ist es. Ein Flugzeug geht nur in eine Richtung. Sie drehen sich nicht so stark, wie sie in eine vorgeschriebene Richtung "fallen" (indem sie auf der einen oder anderen Seite entlang der 3-Achsen weniger Auftrieb erzeugen). Der Hubschrauber hingegen muss einen Teil seiner Energie aufwenden, um sich "vorwärts" zu bewegen. Es ist "Vorwärts" -Bewegung vorgeschrieben, genau wie das Flugzeug zu fallen, aber dann muss Energie aufgewendet werden, um mehr Auftrieb zu erzeugen, während sich das Flugzeug gerade vorwärts bewegt.

TL; DR Ich bin nicht wirklich Äpfel für Äpfel, aber es braucht weniger Energie, um den gleichen Auftrieb durch Vorwärtsbewegen zu erzeugen, als Flügel im Kreis zu drehen und zu erzeugen Heben Sie auf diese Weise.

RIESIGER HINWEIS Ich habe die Geschwindigkeiten und Flugprofile vieler Flugzeuge verwendet. Das Flugzeug, das ich benutzte, war "eine Cessna", aber ich nahm Zahlen, wo ich sie finden konnte, so dass einige die geliebten 172 sind, andere die anderen Varianten. Die Hubschraubernummern sind noch vielfältiger. Ich habe versucht, es für leichtere Hubschrauber zu behalten, aber es ist mir möglicherweise nicht gelungen. Der wichtige Teil ist, dass die Theorie richtig ist, aber versuchen Sie nicht, sich auf die Mathematik zu verlassen.

Ein weiterer Hinweis Einige VTOL-Fahrzeuge drücken tatsächlich die Luft nach unten. Dies ist jedoch noch weniger effizient als das Drehen winziger Flügel. Kurz gesagt, das Herunterdrücken zum Aufsteigen ist wie eine Rakete, die weniger Druck auf die Oberseite erzeugt und das "Aufschwimmen" ist ein Flugzeug.

Der Artikel enthält eine irreführende Verallgemeinerung, da er eines der ersten Dinge war, die ich während des Flugtrainings gelernt habe. Flugzeuge fliegen nicht, indem sie "Luft nach unten werfen", sondern indem sie einen reduzierten Luftdruck erzeugen, der das Flugzeug anhebt (daher "anheben") und vorwärts (Schub). Sowohl Flügel als auch Propeller (und Turbinen) sind Tragflächen, deren obere gekrümmte Oberfläche die Luft beschleunigt, wenn sich die Tragfläche durch sie bewegt, wodurch der Luftdruck verringert wird. Der relativ verringerte Luftdruck über den Tragflächen und der relativ erhöhte Luftdruck unter den Tragflächen und hinter dem Propeller schweben das Flugzeug auf und ab.

Ein Minimum an Wahrheit ist, dass die über den Flügel strömende Luft nach unten abgelenkt wird. und etwas Luft wird unter dem Flügel komprimiert, wenn sich das Flugzeug bewegt, ist jedoch eine viel kleinere Komponente dessen, was das Flugzeug am Fliegen hält.

Ein niedrigerer Luftdruck hinter dem Flügel erzeugt Luftwiderstand und ist ein Nebenprodukt des Auftriebs. Die Oberflächenreibung der Hubflächen und des Flugzeugkörpers sind ebenfalls Bestandteile des Luftwiderstands. Ein Wirbel, der an der Flügelspitze erzeugt wird, wenn die Luftströme mit höherem und niedrigerem Druck zusammenlaufen und sich spiralförmig umeinander drehen, kann ebenfalls eine starke Komponente des Luftwiderstands sein und Turbulenzen verursachen, die andere Flugzeuge beeinflussen können.

Adressieren Ein weiterer Teil Ihrer Frage, die Erzeugung von Auftrieb und Schub, folgt denselben Prinzipien unter Verwendung herkömmlicher Kolben- und Strahltriebwerke (Raketentriebwerke erzeugen Schub durch Ausdehnung von Gasen). Vielleicht eines der besten sichtbaren Beispiele ist das Osprey-Kipprotorflugzeug mit großen Propellern, die je nach Triebwerkswinkel Auftrieb, Schub und jede Kombination dazwischen erzeugen können.

@ ymb1s Analogie zum Schieben Eine Box war eine ausgezeichnete Wahl. Die Bewegung senkrecht zur Schwerkraft (d. H. Das Vorwärtsbewegen des Flügels) erfordert weniger Kraft als das einfache Gegenüberstellen (d. H. Das Abwärtsschieben). Flügel sind daher sowohl aus struktureller als auch aus komplexer Sicht eine effizientere Wahl.

Lassen Sie uns in die Vergangenheit reisen und die Pioniere fragen, die versuchen, mit Menschen zu fliegen. Das Flügeldesign bot Effizienz gegenüber Designs, die auf vertikalem Schub beruhten. Diese Effizienz förderte weitere Forschungen.

Die von einem Flügel bei angemessener Fluggeschwindigkeit entwickelte Auftriebskraft hängt vom Druck ab. Der Druck ist auch für die Auftriebskraft (Auftriebskraft) in Booten verantwortlich (Wasserdruck statt Luft). Sie können einen U-Boot-Konstrukteur fragen, ob er auf Vorschaltgeräte verzichten und nach unten gerichtete Propeller hinzufügen soll, um die Tiefe zu erhalten.

Obwohl es sich um einen anderen Mechanismus handelt, kann ein Heißluftballon nachweisen, dass unterschiedliche Energiemengen erforderlich sind, um denselben Aufzug nach einem anderen technischen Prinzip zu erzeugen. Ein kleines Strahltriebwerk kann tatsächlich verwendet werden, um genug heiße Luft zu erzeugen, um den Ballon mit dem Wagen anzuheben. Wenn Sie jedoch darauf hinweisen, dass ein kleiner Motor nach unten reicht, wird nicht genügend Schub für einen gleichwertigen Auftrieb bereitgestellt.

Ist das nicht ein bisschen wie ein Vergleich von Äpfeln und Orangen? Ohne äußere Kräfte tragen Flügel ohne Motor nur sehr wenig dazu bei, Sie in die Luft zu bringen.

Ein Motor kann einen Auftrieb erzeugen, indem er nach unten zeigt. Um vom Boden abzuheben, müsste der Motor Schub erzeugen, um seinem Gewicht entgegenzuwirken. Wenn Sie Flügel hinzufügen, können Sie mit weitaus weniger Schub in die Luft gelangen. Flügel ERHÖHEN also den Wirkungsgrad eines Motors, wenn es darum geht, wie viel Schub erforderlich ist, um in die Luft zu gelangen.

Hinzufügen zu @Dmitry Gregoriev ausgezeichnete Antwort: Es könnte sein, dass sich Ihre Frage auf Folgendes beschränkt: Warum ist ein fester Flügel effizienter als ein scheibenförmiger Flügel?

Aufgrund der Theorie der Hebelinien. Das Erstellen eines bestimmten Auftriebs über eine endliche Spanne ist umso effizienter, je größer die Spanne ist.

Flügel sind eine kostengünstige Möglichkeit, eine Luftmasse nach unten zu beschleunigen. Die Tatsache, dass die natürliche Selektion dieses System anderen Alternativen vorgezogen hat, bedeutet möglicherweise, dass Flügel die wirtschaftlichste Lösung sind ...