Sådan beregnes løftekraft

Indhold

• Lift Force Equation
• Løftekvationsafledning
• Andre anvendelser af løftekoefficient
• Ligning og løftekoefficientberegner

Uanset om du studerer fuglenes flugt, der slår deres vinger for at stige op i himlen eller stigningen af ​​gas fra en skorsten ud i atmosfæren, kan du studere, hvordan objekter løfter sig mod tyngdekraften for bedre at lære om disse metoder til "flyvning". "

For flyudstyr og droner, der svæver gennem luften, afhænger flyvning af at overvinde tyngdekraften samt redegøre for luftens kraft mod disse genstande, lige siden brødrene Wright opfandt flyvemaskinen. Beregning af løftekraften kan fortælle dig, hvor meget kraft der er behov for disse luftbårne genstande.

Lift Force Equation

Objekter, der flyver gennem luften, skal håndtere den luftkraft, der udøves mod sig selv. Når objektet bevæger sig fremad gennem luften, er trækraften den del af kraften, der virker parallelt med bevægelsesstrømmen. Løft er derimod den del af den kraft, der er vinkelret på luftstrømmen eller en anden gas eller væske mod genstanden.

Menneskeskabte fly såsom raketter eller fly bruger løftekraftsligningen af L = (C_L ρ v² A) / 2 til løftekraft L, løft koefficient C_L, massefylde af materialet omkring objektet ρ ("rho"), hastighed v og vingeområdet EN. Løftekoefficienten opsummerer virkningerne af forskellige kræfter på det luftbårne objekt, herunder luftens viskositet og komprimerbarhed og kropsvinklen i forhold til strømmen, hvilket gør ligningen til beregning af løft meget mere enkel.

Forskere og ingeniører bestemmer typisk C_L eksperimentelt ved at måle værdier for løftekraften og sammenligne dem med genstandens hastighed, arealet af vingespænden og densiteten af ​​væsken eller gasmaterialet, som genstanden er nedsænket i. Oprettelse af en graf af løftet vs.ρ v² A) / 2 vil give dig en linje eller et sæt datapunkter, der kan ganges med C_L for at bestemme løftekraften i løftekraftsligningen.

Mere avancerede beregningsmetoder kan bestemme mere præcise værdier for løftekoefficienten. Der er dog teoretiske måder at bestemme løftekoefficienten på. For at forstå denne del af løftekraftsligningen kan du se på afledningen af ​​løftekraftsformlen, og hvordan løftekraftkoefficienten beregnes som et resultat af disse luftbårne kræfter på et objekt, der oplever løft.

Løftekvationsafledning

For at redegøre for utal af kræfter, der påvirker en genstand, der flyver gennem luften, kan du definere løftekoefficienten C_L som C_L = L / (qS) til løftekraft L, overfladeareal S og fluid dynamisk tryk q, normalt målt i pascaler. Du kan konvertere det dynamiske væsketryk til dets formel q = ρu²/ 2 at få C_L = 2L / pu²S hvori ρ er væsketætheden og u er flowhastigheden. Fra denne ligning kan du omarrangere den for at udlede løftekraftsligningen L = C_L ρu²S / 2.

Dette dynamiske fluidtryk og overfladeareal i kontakt med luften eller fluidet afhænger begge stærkt af geometrien af ​​det luftbårne objekt.For et objekt, der kan tilnærmes som en cylinder, såsom en fly, skal kraften spænde udad fra objektets krop. Overfladearealet vil så være omkredsen af ​​det cylindriske legeme gange genstandens højde eller længde, hvilket giver dig S = C x h.

Du kan også fortolke overfladearealet som et produkt af tykkelse, en mængde areal divideret med længde, t , således at når du multiplicerer tykkelsen gange objektets højde eller længde, får du overfladeareal. I dette tilfælde S = t x h.

Forholdet mellem disse variabler af overfladearealet giver dig mulighed for at tegne grafisk eller eksperimentelt måle, hvordan de adskiller sig for at undersøge virkningen af ​​enten kraften omkring cylinderens omkreds eller den kraft, der afhænger af materialets tykkelse. Der findes andre metoder til måling og undersøgelse af luftbårne genstande ved hjælp af løftekoefficienten.

Andre anvendelser af løftekoefficient

Der er mange andre måder at tilnærme liftkurvekoefficienten. Da liftkoefficienten skal omfatte mange forskellige faktorer, der påvirker flyets flyvning, kan du også bruge den til at måle den vinkel, et fly kan tage med hensyn til jorden. Denne vinkel er kendt som angrebsvinkel (AOA), repræsenteret af α ("alfa"), og du kan skrive liftkoefficienten igen C_L = C_L0 + C_Lαα.

Med denne måling af C_L der har en yderligere afhængighed på grund af AOA α, kan du omskrive ligningen som a = (C_L + C_L0) / C_Lα og efter eksperimentelt bestemmelse af løftekraften for en enkelt specifik AOA, kan du beregne den generelle løftekoefficient C_L. Derefter kan du prøve at måle forskellige AOA'er for at bestemme, hvilke værdier af C_L0 og CL_α ville passe bedst tilpasning _._ Denne ligning antager, at løftekoefficienten ændres lineært med AOA, så der kan være nogle omstændigheder, hvor en mere nøjagtig koefficient ligning kan passe bedre.

For bedre at forstå AOA om løftekraft og løftekoefficient har ingeniører undersøgt, hvordan AOA ændrer den måde, et fly flyver på. Hvis du tegner liftkoefficienter mod AOA, kan du beregne den positive værdi af skråningen, der er kendt som den to-dimensionelle løftekurvehældning. Forskning har dog vist, at efter en værdi af AOA, C_L værdien falder.

Denne maksimale AOA er kendt som stalling point med en tilsvarende stallhastighed og maksimum C_L værdi. Forskning i tykkelse og krumning af flymateriale har vist måder at beregne disse værdier på, når du kender geometrien og materialet i det luftbårne objekt.

Ligning og løftekoefficientberegner

NASA har en online applet til at vise, hvordan elevatorforligningen påvirker flyets flyvning. Dette er baseret på en løftekoefficientberegner, og du kan bruge den til at indstille forskellige værdier for hastighed, vinkel, som det luftbårne objekt tager med hensyn til jorden og det overfladeareal, objekterne har mod det materiale, der omgiver flyet. Appleten giver dig endda mulighed for at bruge historiske fly til at vise, hvordan konstrueret design har udviklet sig siden 1900-tallet.

Simuleringen tager ikke højde for ændringen i vægt af det luftbårne objekt på grund af ændringer i vingeområdet. For at bestemme, hvilken effekt det vil have, kan du foretage målinger af forskellige værdier af overfladearealer vil have på løftekraften og beregne en ændring i løftekraft, som disse overfladearealer ville forårsage. Du kan også beregne den tyngdekraft, som forskellige masser ville have ved hjælp af W = mg til vægt på grund af tyngdekraft W, masse m og gravitationsaccelerationskonstant g (9,8 m / s²).

Du kan også bruge en "sonde", som du kan rette omkring de luftbårne objekter for at vise hastigheden på forskellige punkter langs simuleringen. Simuleringen er også begrænset til, at flyet er tilnærmet ved hjælp af en flad plade som en hurtig, beskidt beregning. Du kan bruge dette til at tilnærme løsninger til løftekraftsligningen.