Soulever (force)

La force d'ascenseur de , la force de levage de ou simplement l'ascenseur est une force mécanique produite par les objets pleins car elles se déplacent par un fluide .

Tandis que beaucoup de types d'objets peuvent produire de l'ascenseur, l'objet le plus commun et le plus familier dans cette catégorie est l'aile , un objet relativement plat de dont l'aile commune d'avion est un exemple. Pour la simplicité, cet article discutera l'ascenseur principalement dans le cadre des ailes et des ailes.

Vue d'ensemble

Techniquement, l'ascenseur est la somme de toutes les forces dynamiques liquides du sur un perpendiculaire de corps à la direction de l'écoulement externe approchant ce corps. Les équations mathématiques décrivant l'ascenseur ont été bien établies depuis les frères de Wright de que a expérimentalement déterminé une valeur raisonnablement précise pour le " ; Coefficient" de Smeaton ; plus de 100 ans il y a, mais l'explication pratique de ce que le moyen de ces équations est encore controversé, avec l'information fausse persistante et le malentendu dominant.

Parfois la force ascensionnelle dynamique de limite ou la force de force ascensionnelle dynamique de est employée pour la force perpendiculaire résultant du mouvement du corps dans le fluide, comme dans un Aerodyne , contrairement à la force de levage statique du résultant de la flottabilité , comme dans un aérostat . L'ascenseur est généralement associé à l'aile d'un avion . Cependant il y a beaucoup d'autres exemples d'ascenseur tels que les propulseurs sur les avions et les rotors des bateaux sur les voiles des hélicoptères et les quilles sur des ailes des hydroptères des bateaux à voiles sur l'automobile de emballant des voitures de , et turbines de vent tandis que la signification commune du " de limite ; " de l'ascenseur ; suggère une action ascendante, la force d'ascenseur n'est pas nécessairement dirigé vers le haut en ce qui concerne la pesanteur .

Explication physique

L'ascenseur est produit quand un objet tourne un fluide à partir de sa direction du flux. Quand l'objet et le fluide se déplacent relativement à l'un l'autre, l'objet tourne le flux de fluide dans une perpendiculaire de direction à cet écoulement, et la force exigée pour faire ceci crée une force égale et opposée qui est ascenseur. L'objet peut se déplacer par un fluide stationnaire, ou le fluide peut couler après un object&mdash stationnaire ; ces deux sont effectivement identiques comme, en principe, c'est seulement l'armature de la référence de la visionneuse qui diffère.

Dans le cas d'une aile d'avions, les régions de pression tournent l'écoulement de dépassement d'air en bas vers la terre. Ces régions de pression exercent une force égale et opposée sur l'aile, appelée l'ascenseur, qui soutient les avions dans le ciel.

L'ascenseur produit par une aile dépend des facteurs tels que la vitesse du flux d'air, la densité d'air, la surface totale de l'aile, et l'angle d'attaque . l'angle d'attaque est l'angle auquel l'aile rencontre le flux d'air approchant (ou vice versa). Une aile symétrique doit avoir un angle d'attaque positif pour produire de l'ascenseur positif. À un angle d'attaque zéro, aucun ascenseur n'est produit. À un angle d'attaque négatif, l'ascenseur négatif est produit. Une aile donnée du carrossage peut produire l'ascenseur positif à zéro, ou même le petit angle d'attaque négatif.

Le concept de base de l'ascenseur est simple. Cependant, les détails de la façon dont le mouvement relatif d'air et l'aile interactive pour produire l'action de rotation qui produit de l'ascenseur sont complexes. Au-dessous de sont plusieurs explications d'ascenseur, qui sont différentes mais équivalentes descriptions du même phénomène de différents points de vue.

Réaction due au débattement

Soulever est créé comme le flux de fluide est guidé par une aile ou tout autre corps. La force créée par cette accélération du fluide crée une force égale et opposée selon loi de Newton de la troisième du mouvement . De l'air guidé en bas par une aile d'avions, ou le rotor d'hélicoptère, produisant de l'ascenseur est connu comme déflexion vers le bas .

Il est important de noter que l'accélération d'air circulant sur une aile d'avions n'implique pas simplement le " de molécules d'air ; rebondissement de l'off" ; l'intrados. Plutôt l'air suit les fonds supérieurs et et est guidé en bas au-dessus et au-dessous de l'aile. L'accélération d'air pendant la création de l'ascenseur peut également être décrite comme " ; turning" ; du flux d'air.

Beaucoup de formes, telles qu'un plat plat réglé sous un angle à l'écoulement, produiront l'ascenseur. Ceci peut être démontré simplement en tenant une feuille de papier sous un angle devant vous pendant que vous avancez, ou la possession votre distribuent de la fenêtre de voiture. Sans n'importe quelle aide de vous, la feuille de papier ou votre main se lèvera dans le ciel. Cependant, soulever la génération par la plupart des formes sera très inefficace et créera beaucoup de drague . Un des buts primaires de la conception d'aile est de concevoir une forme qui produit la plupart d'ascenseur tout en produisant la moindre drague de forme de .

Il est possible de mesurer l'ascenseur using le modèle de réaction. La force agissant sur l'aile est le négatif du temps-taux-de-changent de l'élan d'air. Dans une soufflerie, la vitesse et la direction d'air peuvent être mesurées (using, par exemple, une prise de pression totale ou laser Doppler velocimetry de ) et l'ascenseur être calculées. Alternativement, la force sur la soufflerie elle-même peut être mesurée comme forces égales et opposées à ceux qui agissent sur l'objet d'essai.

Le principe de Bernoulli

La force sur l'aile peut également être examinée en termes de différences de la pression au-dessus et au-dessous de l'aile, qui peut être liée aux changements de vitesse près Le principe de Bernoulli de .

Toute la force d'ascenseur est le intégral des forces verticales de pression au-dessus de la superficie mouillée entière de l'aile :

$L = \ oint p \ mathbf {n} \ cdot \ mathbf {} de k \ ; le DA$

là où :
le $L$ de

est l'ascenseur,
$A$ est la superficie d'aile
le $p$ est la valeur de la pression,
le $\ mathbf {n}$ est le vecteur d'unité normal se dirigeant dans l'aile
le $\ mathbf {k}$ est le vecteur d'unité verticale, normal à la direction de freestream

L'équation ci-dessus d'ascenseur néglige les forces du frottement superficiel , qui ont typiquement une contribution négligeable à l'ascenseur comparé aux forces de pression. En employant le $de vecteur de streamwise \ mathbf {I}$ parallèles au freestream au lieu du $\ du mathbf {k}$ dans l'intégrale, nous obtenons une expression pour le $D_p$ (qui de la drague de pression de inclut le a induit la drague dans une aile 3D). Si nous employons le $de vecteur \ mathbf dans le sens de l'envergure {j}$ , nous obtenons le $Y$ de Sideforce.

$D_p \ ! = \ oint p \ mathbf {n} \ cdot \ mathbf {} d'I \ ; le DA$

$Y \ ; = \ oint p \ mathbf {n} \ cdot \ mathbf {} de j \ ; le DA$

Une méthode pour calculer la pression est l'équation de Bernoulli de , qui est l'expression mathématique du principe de Bernoulli. Cette méthode ignore les effets de la viscosité , qui peuvent être importants dans la couche limite et prévoir la drague de frottement , qui est l'autre composant de toute la drague en plus du $D_p$ .

Le principe de Bernoulli déclare que le total de somme d'énergie dans un colis de fluide demeure constant tant que aucune énergie n'est ajoutée ou est enlevée. C'est un rapport du principe de la conservation de l'énergie appliquée aux fluides débordants. Une simplification substantielle de ceci propose que car d'autres formes de changements d'énergie sont sans importance pendant l'écoulement d'air autour d'une aile et que le transfert d'énergie dedans hors de l'air n'est pas significatif, puis la somme d'énergie de pression et d'énergie de vitesse pour n'importe quel colis particulier d'air doit être constante. En conséquence, une augmentation de vitesse doit être accompagnée d'une diminution de pression et vice-versa. Il convient noter que ce n'est pas un rapport de causational. En revanche, c'est un rapport coïncident, quelque causes une doive également causer à l'autre pendant que de l'énergie ne peut ni être créée ni détruite. Il est appelé pour le hollandais - le mathématicien suisse du et le Daniel Bernoulli du scientifique , bien qu'il ait été précédemment compris par le Leonhard Euler et d'autres.

Le principe de Bernoulli fournit une explication de différence de pression en l'absence de la variation de densité et de température d'air (une approximation commune pour les avions à vitesse réduite). Si la densité et la température d'air sont la même au-dessus et au-dessous d'une aile, une application naïve de la loi de gaz parfaits exige que la pression soit également identique. Le principe de Bernoulli, en incluant la vitesse d'air, explique cette différence de pression. Le principe, cependant, ne spécifie pas la vitesse d'air. Ceci doit venir d'une autre source, par exemple, données expérimentales. Des prétentions incorrectes au sujet de la vitesse, par exemple, que deux colis d'air séparés à l'avant de l'aile doivent rencontrer vers le haut encore au fond de l'aile, sont généralement trouvées.

Afin de résoudre pour la vitesse de l'écoulement non visqueux autour d'une aile, l'état de Kutta de doit être appliqué pour simuler les effets de l'inertie et de la viscosité. L'état de Kutta tient compte du choix correct parmi un nombre infini de solutions d'écoulement qui se conforment autrement aux lois de la conservation de de la masse et de la conservation de de l'élan .

Circulation

Une troisième manière de calculer l'ascenseur est de déterminer la quantité mathématique appelée la circulation ; (ce concept est parfois appliqué approximativement aux ailes du grand allongement comme " ; soulever-ligne theory" ;). Encore, c'est mathématiquement équivalent aux deux explications ci-dessus. Il est employé souvent en pratiquant des aerodynamicists comme quantité commode dans les calculs, voient la théorie de Mince-aile de par exemple.

La circulation est la ligne l'intégrale de la vitesse d'air, dans une boucle bloquée autour de la frontière d'une aile. Il peut comprendre comme montant total de " ; spinning" ; (ou vorticité ) d'air autour de l'aile. Quand la circulation est connue, l'ascenseur de section/le $L'$ d'envergure peuvent être calculés using l'équation suivante : = de $L de \ rho V \ gamma$

là où le $\ rho$ est la densité d'air, le $V$ est la vitesse anémométrique de libre-jet, et le $\ gamma$ est la circulation. Ceci est parfois connu comme théorème de Kutta-Joukowski de de .

Une équation semblable s'applique à la force latérale produite autour d'un objet de rotation, l'effet de Magnus , bien qu'ici la circulation nécessaire soit induite par la rotation mécanique agissant sur la couche limite, la faisant séparer à différents points entre le dessus et le bas. La séparation asymétrique produit alors une circulation dans l'écoulement non visqueux externe.

Le théorème de Helmholtz de déclare que la circulation est conservée ; mise simplement ceci est la conservation du moment angulaire de l'air. Quand un avion est au repos, il n'y a aucune circulation. À mesure que la vitesse d'écoulement augmente (c'est-à-dire, l'avion accélère dans l'armature air-corps-fixe), un vortex, a appelé le commençant le vortex , formes au rebord arrière de l'aile, dû aux effets visqueux en couche limite . Par la suite le vortex détache de l'aile et obtient balayé à partir de lui vers l'arrière. La circulation dans le vortex commençant est égale dans la grandeur et l'opposé dans la direction à la circulation autour de l'aile. Théoriquement, les restes commençants de vortex se sont reliés au vortex liés dans l'aile, par les vortexes de saumon de , formant un circuit fermé. En réalité, le vortex commençant est absorbé par un certain nombre d'effets, de même que les vortexes de saumon loin derrière les avions. Cependant, la circulation nette dans le " ; le world" ; est encore zéro car la circulation des vortexes est transférée aux environnements pendant qu'ils absorbent. (Note qui en dépit d'être une idéalisation du monde réel, le « système de vortex » installé autour d'une aile est vrai et observable, et est l'une des raisons qu'un avion léger ne peut pas enlever juste après un Jumbo.)

Idées fausses communes

Passage-temps égal

Une idée fausse produite dans un certain nombre d'explications d'ascenseur est le " ; time" égal de passage ; erreur. Cette erreur déclare que les colis d'air qui sont divisés par une aile doivent rejoindre encore ; en raison de la courbure plus grande (et par conséquent plus longtemps du chemin) de l'extrados d'une aile, l'air allant au-dessus du dessus doit aller plus rapidement " ; rattrapent le " ; avec de l'air coulant autour du fond.

Bien qu'il soit vrai que l'air se déplaçant au-dessus du dessus de l'aile se déplace plus rapidement (quand l'angle d'attaque efficace est positif) il n'y a aucune condition pour le temps de passage égal. En fait si l'air au-dessus et au-dessous d'une aile a le temps de passage égal, il n'y a aucune circulation, et donc aucun ascenseur. Seulement si l'air coulant en haut a plus peu de temps de passage du que l'air coulant ci-dessous, est l'ascenseur ascendant produit, avec le débattement de haut en bas d'air derrière l'aile et un vortex à chaque saumon. Les images de ligne profilée de fumée de soufflerie indiquent ces dispositifs d'écoulement.

Une autre paille dans cette explication est qu'elle exige d'une aile d'avoir une courbure afin de créer l'ascenseur. En fait, un plat mince et plat incliné à un écoulement de fluide produit également de l'ascenseur.

Il est peu clair pourquoi cette explication a gagné une telle devise, excepté par la répétition par des auteurs (plutôt que rigoureusement scientifique) des livres populistes et peut-être du fait qu'il est la plus facile saisir l'explication intuitivement sans mathématiques. Au moins un livre commun d'entraînement au pilotage dépeint l'erreur égale de passage, s'ajoutant à la confusion.

Le Albert Einstein , en essayant de concevoir un avion pratique basé sur ce principe, a fourni une section de profil d'aile qui a comporté une grande bosse sur son extrados, sur la base qu'un chemin encore plus long doit faciliter l'ascenseur si le principe est vrai. Son exécution était terrible.

voient également : Liste de de travaux avec le

égal de l'erreur de passage-temps

voient également :

l'état de Kutta de

Effet de Coanda

Il y a deux techniques pour augmenter l'ascenseur sur une aile . On est de diminuer la pression du côté de la normale d'aile à la direction de l'ascenseur désiré et l'autre est d'augmenter la pression de l'autre côté. (L'ancien est la cause primaire de l'ascenseur même pour un avion de papier .) Afin de produire de l'ascenseur un doit créer une différence de pression entre le dessus et le bas de l'aile.

L'effet de Coandă est le nom donné à la tendance d'un flux d'air, dans certaines conditions, de guider vers une surface cette courbe à partir du sens d'écoulement. Cet effet est provoqué par la pression diminuée sur la surface incurvée où il courbe à partir de l'écoulement.

Le Jef Raskin et quelques autres ont observé que l'effet de Coandă explique une partie de l'ascenseur produit par une aile. La diminution de la pression au-dessus de l'aile est provoquée par l'interaction de l'écoulement, au niveau microscopique, avec la surface incurvée. L'effet est provoqué par une diminution de la pression sur le dessus de l'aile pendant que des particules d'air sont soufflées à partir de la surface (peu de particules, moins de pression dues au mouvement moléculaire thermique). Ceci contribue au champ de pression sous l'intégral signent dedans l'équation d'ascenseur.

Pour le grand angle d'attaque et/ou les débits élevés l'effet de Coandă a comme conséquence les vortexes qui peuvent empiéter normalement sur la surface augmentant de ce fait la pression là. Dans ces circonstances l'aile perdra l'ascenseur et calera finalement. Cet aspect de l'effet de Coandă a été employé avec succès dans la conception des ailes dans des voitures de course du Formule 1 pour pressuriser le dos de la voiture et pour compenser partiellement la drague.

Soulever le coefficient

Le coefficient d'ascenseur de est un nombre sans dimensions . Quand le coefficient d'ascenseur est connu, par exemple des tables des données d'aile, soulever peut être calculé using l'équation d'ascenseur de : = de $C_L de \ frac {F_L} {\ frac {1} {2} \ rho v^2 A}$

là où :
Le $C_L$ est le coefficient d'ascenseur de
le $\ rho$ est la densité d'air (³ de 1.225 kg/m au niveau de la mer) *
le v est la vitesse de freestream, celle est la vitesse de la surface portante relativement à l'atmosphère assez loin loin à être inchangée par la surface
Le A est (forme en plan ) la superficie projetée de la surface portante
Le $F_L$ est la force d'ascenseur produite

Cette équation peut être employée dans n'importe quel à système conformé. Par exemple, si la densité est mesurée en kilogrammes par mètre cube , la vitesse est mesurée en mètres par seconde, et le secteur est mesuré en mètres carrés, l'ascenseur sera calculé en newton . Ou, si la densité est en lingots par pied cubique , la vitesse est en pieds par seconde, et le secteur est en pieds carrés, l'ascenseur en résultant sera dans la force de livres de .

Note de * qui aux altitudes autres que le niveau de la mer, la densité peut être trouvée using la formule barométrique

Rivaliser avec : Équation de drague de .

Voir également

Force de résistance à l'avancement
drague Soulever-induite par
le Soulever-à-traînent le rapport
Aile de commande de circulation de
État de Kutta de

Random links: