NộI Dung
- Phương trình lực nâng
- Nâng cấp phương trình
- Các ứng dụng khác của hệ số nâng
- Phương trình và hệ số nâng máy tính
Cho dù bạn đang nghiên cứu chuyến bay của những con chim đập cánh bay lên trời hay khí tăng từ ống khói vào khí quyển, bạn có thể nghiên cứu cách các vật thể tự chống lại lực hấp dẫn để tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp "bay" này. "
Đối với các thiết bị máy bay và máy bay không người lái bay lên không trung, chuyến bay phụ thuộc vào việc vượt qua trọng lực cũng như tính toán lực lượng không khí chống lại các vật thể này kể từ khi anh em nhà Wright phát minh ra máy bay. Tính toán lực nâng có thể cho bạn biết cần bao nhiêu lực cho các vật thể này trong không khí.
Phương trình lực nâng
Các vật thể bay trong không khí phải đối phó với lực không khí tác dụng lên chính chúng. Khi vật di chuyển về phía trước trong không khí, lực kéo là một phần của lực tác động song song với dòng chuyển động. Ngược lại, lực nâng là một phần của lực vuông góc với luồng không khí hoặc một chất khí hoặc chất lỏng khác chống lại vật thể.
Máy bay nhân tạo như tên lửa hoặc máy bay sử dụng phương trình lực nâng của L = (CL ρ v2 A) / 2 cho lực nâng L, hệ số nâng CL, mật độ của vật liệu xung quanh vật thể ρ ("rho"), vận tốc v và khu vực cánh Một. Hệ số nâng tổng hợp các tác động của các lực khác nhau lên vật thể trong không khí bao gồm độ nhớt và độ nén của không khí và góc của cơ thể đối với dòng chảy làm cho phương trình tính toán lực nâng đơn giản hơn nhiều.
Các nhà khoa học và kỹ sư thường xác định CL bằng thực nghiệm bằng cách đo các giá trị của lực nâng và so sánh chúng với vận tốc của vật thể, diện tích của sải cánh và mật độ của vật liệu lỏng hoặc khí mà vật thể được nhúng vào. Tạo biểu đồ lực nâng so với lượng (ρ v2 A) / 2 sẽ cung cấp cho bạn một dòng hoặc tập hợp các điểm dữ liệu có thể được nhân với CL để xác định lực nâng trong phương trình lực nâng.
Các phương pháp tính toán tiên tiến hơn có thể xác định các giá trị chính xác hơn của hệ số nâng. Tuy nhiên, có những cách lý thuyết để xác định hệ số nâng. Để hiểu phần này của phương trình lực nâng, bạn có thể xem xét đạo hàm của công thức lực nâng và cách tính hệ số lực nâng như là kết quả của các lực trong không khí này trên một vật thể trải qua lực nâng.
Nâng cấp phương trình
Để tính vô số lực tác động lên một vật thể bay trong không khí, bạn có thể xác định hệ số nâng CL như CL = L / (qS) cho lực nâng L, diện tích bề mặt S và áp lực động chất lỏng q, thường được đo bằng pascal. Bạn có thể chuyển đổi áp suất chất lỏng thành công thức của nó q = ρu2/ 2 để có được CL = 2L / ρu2S trong đó ρ là mật độ chất lỏng và bạn là tốc độ dòng chảy. Từ phương trình này, bạn có thể sắp xếp lại nó để rút ra phương trình lực nâng L = CL ρu2S / 2.
Áp suất chất lỏng động này và diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí hoặc chất lỏng cả hai cũng phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng của vật thể trong không khí.Đối với một vật thể có thể xấp xỉ dưới dạng hình trụ như máy bay, lực sẽ kéo dài ra khỏi cơ thể của vật thể. Diện tích bề mặt sẽ là chu vi của thân hình trụ nhân với chiều cao hoặc chiều dài của vật thể, mang lại cho bạn S = C x h.
Bạn cũng có thể hiểu diện tích bề mặt là sản phẩm có độ dày, số lượng diện tích chia cho chiều dài, t , như vậy, khi bạn nhân độ dày nhân với chiều cao hoặc chiều dài của vật thể, bạn sẽ có được diện tích bề mặt. Trong trường hợp này S = t x h.
Tỷ lệ giữa các biến số diện tích bề mặt này cho phép bạn vẽ đồ thị hoặc đo bằng thực nghiệm chúng khác nhau như thế nào để nghiên cứu ảnh hưởng của lực xung quanh chu vi của hình trụ hoặc lực phụ thuộc vào độ dày của vật liệu. Các phương pháp đo lường và nghiên cứu các vật thể trong không khí khác sử dụng hệ số nâng tồn tại.
Các ứng dụng khác của hệ số nâng
Có nhiều cách khác để xấp xỉ hệ số đường cong thang máy. Vì hệ số nâng cần bao gồm nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến chuyến bay của máy bay, bạn cũng có thể sử dụng nó để đo góc mà máy bay có thể thực hiện đối với mặt đất. Góc này được gọi là góc tấn công (AOA), được biểu thị bằng α ("alpha") và bạn có thể viết lại hệ số nâng CL = CL0 + CLαα.
Với biện pháp này là CL có phụ thuộc bổ sung do AOA α, bạn có thể viết lại phương trình dưới dạng α = (CL + CL0) / CLα và, sau khi xác định bằng thực nghiệm lực nâng cho một AOA cụ thể, bạn có thể tính hệ số nâng chung CL. Sau đó, bạn có thể thử đo các AOA khác nhau để xác định giá trị nào của CL0 và CLα sẽ phù hợp nhất với _._ Phương trình này giả định rằng hệ số nâng thay đổi tuyến tính với AOA nên có thể có một số trường hợp trong đó phương trình hệ số chính xác hơn có thể phù hợp hơn.
Để hiểu rõ hơn về AOA về lực nâng và hệ số nâng, các kỹ sư đã nghiên cứu cách AOA thay đổi cách máy bay bay. Nếu bạn vẽ đồ thị hệ số nâng so với AOA, bạn có thể tính giá trị dương của độ dốc, được gọi là độ dốc đường cong thang máy hai chiều. Tuy nhiên, nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau một số giá trị của AOA, CL giá trị giảm.
AOA tối đa này được gọi là điểm dừng, với vận tốc và mức tối đa tương ứng CL giá trị. Nghiên cứu về độ dày và độ cong của vật liệu máy bay đã chỉ ra các cách tính các giá trị này khi bạn biết hình học và vật liệu của vật thể trên không.
Phương trình và hệ số nâng máy tính
NASA có một applet trực tuyến để cho thấy phương trình thang máy tác động đến chuyến bay của máy bay. Điều này dựa trên một máy tính hệ số nâng và bạn có thể sử dụng nó để đặt các giá trị khác nhau về vận tốc, góc mà vật thể trong không khí đối với mặt đất và diện tích bề mặt mà các vật thể chống lại vật liệu xung quanh máy bay. Applet thậm chí cho phép bạn sử dụng máy bay lịch sử để cho thấy các thiết kế kỹ thuật đã phát triển như thế nào từ những năm 1900.
Mô phỏng không tính đến sự thay đổi trọng lượng của vật thể trên không do thay đổi trong khu vực cánh. Để xác định ảnh hưởng nào sẽ có, bạn có thể thực hiện các phép đo các giá trị khác nhau của diện tích bề mặt đối với lực nâng và tính toán sự thay đổi lực nâng mà các diện tích bề mặt này sẽ gây ra. Bạn cũng có thể tính toán lực hấp dẫn mà các khối lượng khác nhau sẽ sử dụng W = mg cho trọng lượng do trọng lực W, khối lượng m và hằng số gia tốc trọng trường g (9,8 m / s2).
Bạn cũng có thể sử dụng "đầu dò" mà bạn có thể điều hướng xung quanh các vật thể trong không khí để hiển thị vận tốc tại các điểm khác nhau dọc theo mô phỏng. Việc mô phỏng cũng bị hạn chế rằng máy bay được xấp xỉ bằng cách sử dụng một tấm phẳng như tính toán nhanh, bẩn. Bạn có thể sử dụng điều này để tính gần đúng các giải pháp cho phương trình lực nâng.