AERODINAMICĂ

Aerodinamică, concepte de bază, teoreme de bază

Această secțiune este importantă pentru a înțelege de ce unele planoare pot aluneca până la 30-60 km de la o altitudine de 1000 de metri și ce afectează diferitele forțe.

Presiunea aerului a fost descoperită de Toricelli. Dar, din fericire, a existat presiune a aerului înainte. Presiunea aerului nu este altceva decât presiunea aerului deasupra celei din straturile inferioare (aceasta se numește presiune statică). Deci, cu cât mergem mai sus, cu atât mai „diluăm” aerul (în același volum cântărește mai puțin), astfel încât presiunea acestuia scade. Gândește-te, vrei să fii în partea de jos sau în vârful unei grămezi de oameni (aceștia nu sunt pui acum:)? Cel mai jos om este împins de cei mai mulți, vârful de nimeni ...
Valoarea convențională este că presiunea aerului la nivelul mării este de 1013,25 mbar. Aceasta este, desigur, doar o valoare generală, în funcție de vreme poate fi mai mult sau mai puțin. Mulți oameni sunt sensibili la modificările presiunii aerului, sunt numiți sensibili la față.

Nu vreau să precizez că aerul este 99% oxigen și azot și este gazos, ceea ce înseamnă că moleculele zboară înapoi împreună, se ciocnesc între ele și ce li se împiedică și că va exista presiune a aerului, toată lumea știe deja .

Presiunea statică a aerului în laboratoare se realizează cu un manometru de aer în tub U, care este o versiune îmbunătățită a instrumentului Toricelli. Jumătatea superioară a tubului de măsurare a presiunii este închisă, iar jumătatea inferioară este deschisă. Odată cu presiunea aerului, greutatea lichidului este în echilibru și, din moment ce nu poate pătrunde aer în capătul închis al tubului, nici lichidul nu poate ieși din tub. Așa funcționează hrănitorul de păsări în cușcă.

Măsurarea presiunii aerului în zbor se face de obicei cu manometre de cutie, dar despre aceasta am vorbit mai detaliat în secțiunea de instrumente.

Stratul de aer al pământului a primit nume diferite pentru diferite înălțimi:
0-10 km altitudine Troposfera (Procesele meteo și alunecarea au loc aici)
Până la 10-40 km altitudine Statosferă (Nu vom zbura aici, cu max. Pasageri la 11-12000 metri)
Peste 40 km Ionosfera (aici merg doar astronauții)

Concepte de presiune barometrică, legi:
Presiunea clapetei (presiunea dinamică): rezistența aerului, care depinde de densitatea aerului, de viteza aerului și de suprafața corpului. Acest lucru asigură o mare parte din rezistența la aer a aeronavei. Din această presiune ne putem recalcula viteza. Este ca și cum am deduce din cât de departe mergem cu motorul, cât de greu trebuie să ne agățăm din cauza vântului frontal. De asemenea, trebuie să depășim presiunea de congestie de acolo.

Legea continuității:
Dacă luăm un tub, privim secțiunea transversală a acestuia și măsurăm viteza aerului (dar posibil lichid) care curge în el și apoi repetăm acest lucru pentru diferite secțiuni transversale (dar pentru același tub), constatăm că produsul secțiunea transversală și viteza sunt întotdeauna egale. Acest produs oferă cât de mult material curge prin conductă pe unitate de timp. Evident, aceeași cantitate de material curge prin fiecare secțiune transversală în 1 secundă pe măsură ce intră în tub într-o secundă, atât cât trebuie să iasă la celălalt capăt. Adică, dacă capturați capătul furtunului (reduceți secțiunea transversală), viteza mediului care curge în el va crește (veți uda mai departe).

Legea lui Bernouli.
Legea este că, pe măsură ce viteza crește, presiunea scade, astfel încât produsul lor este întotdeauna egal. Un tip vechi de suflantă de parfum funcționează și pe acest principiu și chiar și un pulverizator de vopsea cu compresor. Dacă suflați deasupra unui rezervor la viteză mare, acesta va aspira materialul din interior. Sub micile tuburi roșii se află manometrele tubului U cunoscute anterior. Al doilea arată că lichidul este aspirat de flux. Observați că această lege este foarte asemănătoare cu cea anterioară. Presiunea totală (dinamică + statică) este aceeași în toate secțiunile transversale și este constantă, astfel încât legea continuității poate fi îndeplinită. Dacă presiunea dinamică crește oarecum într-o secțiune transversală dată, statica scade cu aceeași cantitate.

Flux de aer:

Calea descrisă de particulele de aer se numește linie aeriană. (linii marcate cu albastru)
Flux laminar. Particulele media se mișcă în ordine una lângă cealaltă fără ca straturile adiacente să se amestece.
Într-un flux turbulent (b) particulele mediului se deplasează într-o manieră dezordonată și straturile adiacente sunt amestecate.
Într-un flux turbionar (c), particulele fluxului se deplasează într-un mod dezordonat și se îndreaptă spre flux. Apoi, rezistența aerului crește exponențial.

Rezistență la aer: Se pare că toată lumea a constatat că nu putem accelera la fel de mult în timp ce mergem cu bicicleta, deoarece „vântul din față” se ține înapoi. Această forță de reținere este rezistența la aer. Extinderea sa depinde cel mai bine de viteză (la pătrat: de 4 ori rezistența aerului de 2 ori viteza, de 9 ori viteza de 3 ori .), depinde și de densitatea dimensiunii medii a suprafeței (de aceea ne strângem împreună pe panta pentru accelerație) și depinde de forma corpului. Fiecare formă este notată printr-un număr de raționalizare numit factor de rezistență la aer. Cw este semnul și depinde doar de forma corpului. Să vedem ce formă are ce factor de rezistență la aer:

Putem vedea că formele profilului aripii sunt cele mai raționalizate și, prin urmare, au cea mai mică rezistență la aer. Factorul de rezistență la aer al unei mașini medii este în jur de 0,3-0,4. Rezistența aerului este determinată de vârtejurile de aer din jurul corpului, energia este absorbită de aerul învârtit, fricțional. Următoarele imagini arată fluxul în jurul corpului.

În spatele corpului, vârtejurile se trezesc întotdeauna în perechi și în direcții opuse. Acest lucru a fost observat pentru prima dată de Tódor Kármán, așa că au fost numiți după el. Mai multe perechi de vârtej se formează una după alta. După fiecare corp în mișcare, se poate observa seria vortexului Kármán.
O altă formă de rezistență care apare în aeronave este rezistența indusă. Presiunea aerului deasupra aripii este mai mică decât dedesubt, voi descrie de ce în curând (de aceea avionul poate zbura oricum). Aerul de la vârfurile aripilor poate scăpa de jos în sus, acest lucru declanșează un vortex longitudinal în spatele aripii, care creează, de asemenea, o forță de retracție ca toate vârtejurile (pierderea de energie prin frecare).

Fotografiat în timpul unui decolare 747. Fumul menționat mai sus este bine vizibil pe fum.
Poate fi apărat împotriva acestuia prin blocarea căii de aer la vârfurile aripilor. De aceea, vedem plăci verticale la vârfurile aripilor unor plane. Deci, acestea nu sunt doar elemente de design, ci și foarte utile.

Rezistența la aer este, de asemenea, afectată de rezistența la interferențe. Acesta este un fenomen ciudat, de fapt, înseamnă că fluxurile altfel laminare sunt perturbate de o anumită perturbare externă (două suprafețe plane din apropiere, o smocuri proeminente), apoi vor deveni turbulente și vor crește rezistența aerului. Astfel, în cazul unui stâlp de rigidizare, trebuie calculată nu numai rezistența la aer a rigidizării în sine, ci și efectele deranjante pentru întreaga aeronavă.

Există, de asemenea, „alți” factori de confuzie (de exemplu, mișcarea direcției), dar efectele lor sunt neglijabile în comparație cu cei menționați aici.

Stratul limită:
Dacă te uiți la un râu, un pârâu, s-ar putea să observi că debitul este foarte rapid la mijloc, dar apa curge mult mai lent la cele două margini. Acest lucru încetinește din cauza fricțiunii apei și a țărmului. Acest lucru este valabil și pentru aer, dacă aerul curge în jurul unui corp solid, în imediata vecinătate a corpului (câțiva centimetri) viteza aerului este mai mică decât viteza fluxului. Acest strat subțire se numește stratul limită și înconjoară, de asemenea, aripa avionului. Grosimea stratului limită este indicată de săgeți roșii.

Următoarea imagine arată însuși stratul de graniță:

Dezvoltarea flotabilității în zbor static și dinamic

Zbor static:
Suma vectorială a presiunii unui alt mediu care curge în jurul unui corp este mai mare decât greutatea corpului, atunci corpul tinde să depășească mediul (legea lui Arhimede). De exemplu, încălzind aerul din balonul cu aer cald, acesta se extinde, va fi mai ușor, deci dacă greutatea aerului „deplasat” este mai mare decât greutatea totală a balonului cu aer cald, balonul cu aer cald va crește . Același lucru este valabil și pentru baloane, doar că acolo sunt pricepuți la tipul de gaz, nu la temperatura acestuia.). Structuri de zbor statice: balon cu aer cald, dirijabil.

Am descris în legea lui Bernouli că, pe măsură ce viteza crește, presiunea scade, astfel încât se creează aspirația pe suprafața superioară a aripii, presiunea pe suprafața inferioară a aripii.
Pe scurt: partea superioară a cercevelei este mai cocoșată decât partea inferioară, deci dacă aerul scapă de sus, ar trebui să călătorească mai repede. Dacă vă mișcați mai repede, presiunea este mai mică, așa că sugeți aripa în sus. Și presiunea din partea de jos este mai mare decât în partea de sus, așa că împinge aripa în sus.
Contrar credinței populare, flotabilitatea generată în partea de sus a aripii este mai mare, astfel încât aeronava atârnă de un „vid”, mai degrabă decât „întins pe un strat de aer” în zbor. Acest lucru este ilustrat în figura următoare, unde forțele din presiune sunt reprezentate grafic.

Deoarece fluxul din jurul aripii nu este perfect în realitate, dar apare stratul de limită turbulent, există locuri în care fluxul se separă de aripă, se formează și vortexuri, arăt cum arată de fapt:

Dacă întregul plan este privit din față fără și cu fuselajul, flotabilitatea este următoarea:

În ceea ce privește flotabilitatea, trunchiul nu este, prin urmare, o pierdere mică. Cu toate acestea, are două avantaje majore: planul este mult mai stabil în direcția longitudinală și există ceva în care să stea.

O aripă este bună dacă poate dezvolta o flotabilitate într-un interval de viteză rezonabil, care poate rezista la întreaga mașină.

Tipuri de profiluri:
Caracteristicile de zbor ale unui avion sunt determinate în principal de profilul aripii. Designerii aleg întotdeauna profilul potrivit în acest scop. Acum există tabele uriașe pentru acestea, există o mulțime de calcule și date disponibile pentru fiecare profil, nici măcar nu planifică un avion cu un profil unic.
Pentru avioanele lente, se folosește un profil gros cu cocoașă, care produce suficientă flotabilitate pentru a zbura chiar și la viteze mici, pentru avioanele rapide se alege un profil subțire cu rezistență la aer scăzută.

Imaginea arată profilul lent din stânga și profilul rapid din dreapta:

Se disting următoarele 4 tipuri principale de profile de aripă:

Simetric: în poziția 0, nu există flotabilitate, deoarece ambele părți sunt la fel de curbate. Pentru ca acesta să aibă o forță de ridicare, trebuie să i se acorde un unghi drept față de debit, adică trebuie să fie rotit. Acesta este planul de ghidare verticală al avioanelor netede (cârma laterală) Aripa acrobaticii este aceeași, deoarece zboară atât pe spate, cât și pe picior.

Profil simplu: partea de jos este un profil aproape drept, asimetric. Folosit pe mașini de antrenament mai vechi.

Profil de fund curbat: aerodinamic mai bun decât fundul drept și oferă o flotabilitate mai mare chiar și la unghiuri inferioare.

Profil laminar: un profil comun în planorele construite astăzi. Cea mai groasă secțiune de aripă a fost plasată cât mai departe posibil, astfel încât fluxul este laminar în jurul aripii pentru cea mai lungă secțiune posibilă. În timp ce în profilurile vechi secțiunea cea mai groasă este la 15-30 la sută din lungimea șirului, în jur de 50. Profilele laminare ating performanța maximă numai dacă suprafața canatului este curată și netedă. Profiluri sensibile la gândac.

Acum, că știm de ce depind rezistența aerului și flotabilitatea, să vedem cum afectează avionul și cum se raportează între ele.

Știm din ovi că un corp poate face o mișcare lină în linie dreaptă dacă forțele care acționează asupra lui sunt zero, deci se echilibrează reciproc. Ce forțe acționează asupra ei? Flotabilitate (Fa) și rezistență la aer (Fw). Am vorbit despre acestea până acum. Dar chiar și gravitația acționează ca orice alt corp de pe Pământ. Aceste 3 forțe se echilibrează reciproc într-o alunecare liniară. Gravitația indică în jos (Fg), rezistența la aer acționează în direcția opusă traseului de alunecare, iar forța de flotabilitate acționează perpendicular pe traseul de alunecare. Dacă descompunem forța gravitațională în 2 componente (Fv, Fgr), obținem Fgr, care este în echilibru cu flotabilitatea, și Fv, „forța de tracțiune” care depășește rezistența aerului.
Avioanele motorizate pot zbura, de asemenea, orizontal în aer calm, deoarece nu câștigă tracțiune din gravitație.
Dacă unghiul planorului este de 1,5 grade, ajungem de la 1000 de metri la 38,5 km, ceea ce înseamnă un număr de planor de 38,5. Pentru o aeronavă cu un planor de 20, ridicarea este de 20 de ori mai mare decât rezistența la aer.

Până acum am vorbit despre polaritatea profilului, dar din moment ce aripa nu este infinit de lungă și nu are același profil până la capăt, are propriul său polar. Având în vedere că avionul nu este doar o aripă, ci are și un fuselaj, avionul are și un polar. Deoarece toate acestea agravează rezistența la aer, aceste 2 curbe noi se deplasează spre dreapta, adică jumătate din rezistența la aer mai mare:

Flotabilitatea este, de asemenea, din ce în ce mai mică. Verde: polar de profil (aceasta este ceea ce se spune atunci când cineva menționează aripa de întindere infinită, nu include pierderea aripii și vârful aripii, iar lungimea șirului este, de asemenea, constantă pe tot parcursul, adică aripa nu se restrânge la jumătate capetele pentru că nu există capăt .), Burgundia: aripa polară, Roșu: întreaga mașină polară (aceasta include deja rezistența fuselajului)

Există un polar mai important și mai util, și anume viteza polară. Aici puteți vedea ce viteze de zbor sunt asociate cu ce viteză de zbor. O astfel de curbă se adaugă fiecărei aeronave.

Cu această mașină, 60 este viteza minimă pe parcursul căreia „trece”. Tirajul său minim este de aproximativ 0,7 m/s la o viteză de 110 km/h. Și aici punctul celui mai mare număr de alunecări este obținut prin retragerea tangentei la o viteză de 125 km/h. După 200 km/h, curba înclină abrupt, așa că nu merită să zbori peste ea decât dacă ne grăbim să scufundăm la 2,3 m/s la 200 km/h. La 230 este deja 4 m/s. Viteza sa maximă este de 240 km/h.

Interesant: această curbă se deplasează spre dreapta (și foarte ușor în jos) când măresc încărcătura de suprafață pe aripă, deci aceeași scufundare are o viteză mai mare atunci când umplu aripa mașinii. Acest lucru este bun pentru turneele în care jocul se desfășoară la timp, trebuie să vă grăbiți. Mașina crește puțin mai rău cu apă în termică, dar pot exista și diferențe de viteză de 10-20 km/h pe aceeași scufundare, ceea ce înseamnă mult.

Desenez formula pentru flotabilitate astfel încât toată lumea să o poată vedea (ceea ce este important de aici că crește pătrat cu viteza crescândă (cum ar fi rezistența la aer) și este direct proporțional cu suprafața aripii):

În acest sens, Fy este însăși flotabilitatea. După cum puteți vedea, depinde:
- din densitatea aerului (ρ - ro)
- din pătratul vitezei aerului (v2)
- din valoarea Cy, care este de fapt un catalog de date, se referă la profilul aripii. Schimb asta cu placa arcului. Practic este adevărat că profilul aripii groase are o viteză minimă scăzută (ușor de pornit/oprit cu el), dar o rezistență ridicată la aer (dacă trebuie să mergi, este moartă). Voi detalia acest lucru în foaia de curbă.
- iar de la suprafața aripii. Puteți calcula ce se va întâmpla dacă reduc viteza sau mă duc mai sus la Magasabb

Există multe modalități de a crește sau de a reduce flotabilitatea. Poate fi schimbând viteza mașinii, înclinând placa arcului (schimbând unghiul de atac), utilizând plăcuța de frână, canatul de frână. Voi vorbi despre toate acestea în detaliu mai târziu.

Într-un elicopter, forma palelor rotorului este ca o aripă lungă și subțire, iar flotabilitatea generată pe acesta ridică mașina. Cu toate acestea, mecanismul său de direcție este complet diferit, deoarece în timp ce în cazul unei aeronave tracțiunea și flotabilitatea sunt asigurate de alte părți, în cazul unui elicopter ambele sunt asigurate de rotor. (există deja dexterități pe care le câștigă și cu propulsorii care curg, dar nu voi intra în detalii despre acest lucru - și oricum vorbim despre avioane).