Утверждаю, что подъёмная сила связана со сжатием и разрежением среды на профиле крыла, а не с разницей в скорости потока над и под крылом.
Общепринятое утверждение:
Считается, что чем выше скорость воздушного потока, обтекающего крыло, тем значительнее разница давлений и тем больше аэродинамическая сила R, которую можно представить в виде двух составляющих: подъёмной силы Y и силы сопротивления Fx (Рис. 1).
При увеличении угла атаки подъёмная сила растёт, достигая пика, а затем снижается. Параллельно увеличивается лобовое сопротивление. При слишком большом угле атаки происходит отрыв потока от верхней поверхности, что влечёт за собой резкое уменьшение подъёмной силы и увеличение лобового сопротивления.
Как работает подъёмная сила согласно общепринятым канонам:
- Уравнение неразрывности: фундаментальный закон сохранения массы в гидродинамике и газовой динамике.
- Эффект Коанда: тенденция потока жидкости (или газа) следовать за контуром поверхности, вдоль которой он течёт.
- Концевые вихри: вихревые структуры из-за перетекания воздуха с нижней поверхности на верхнюю через концы крыла.
- Эффект Бернулли: давление уменьшается там, где увеличивается скорость течения жидкости (или газа).
- Форма профиля крыла: аэродинамический профиль, который заставляет воздух двигаться быстрее над верхней поверхностью крыла.
- Разница давлений: разность давлений между верхней и нижней поверхностями крыла.
То есть, согласно общепринятой теории, над крылом давление становится ниже атмосферного.
где
Y – подъёмная сила (H);
Cy – коэффициент подъёмной силы, зависит от угла атаки. Определяется опытным путём;
ρ – плотность воздуха на высоте полёта (кг/м³);
𝑣 – скорость набегающего потока (м/с);
S – характеристическая площадь крыла (м²).
Два принятых постулата определения аэродинамики крыла:
- Воздух над крылом проходит большее расстояние, поэтому движется быстрее, чем воздух под крылом.
- Увеличение скорости потока над крылом приводит к снижению давления.
Возникает вопрос: почему, если поменять направление потока (длина пути при этом не изменится), эффект подъёмной силы исчезнет? (Рис. 2).
Мои утверждения:
- Подъёмная сила создаётся сжатием среды под крылом и растяжением среды потока над крылом.
- Скорость потока над крылом и под крылом одинаковы.
Перевернем крыло, как на рис. 3 (гипотеза): подъёмная сила будет возникать из-за того, что «воздух под крылом проходит больший путь, поэтому "движется" быстрее, чем воздух над крылом».
Эффективность такого крыла определяется срывом потока в зоне разрежения (задняя зона схождения потока), что вызывает большее сопротивление относительно традиционного крыла.
Закон Бернулли
Одно из объяснений природы подъёмной силы крыла – закон Бернулли: при увеличении скорости потока газа или жидкости его статическое давление уменьшается.
Для стационарного течения несжимаемой жидкости уравнение Бернулли получено как следствие закона сохранения энергии. Закон Бернулли утверждает, что величина
где:
ρ — плотность жидкости;
𝑣 — скорость потока;
ℎ — высота;
𝑝 — давление;
𝑔 — ускорение свободного падения.
Уравнение Бернулли показывает сохранение суммарной механической энергии. На практике это означает, что если в трубке сужается сечение, скорость потока увеличивается, а давление уменьшается
Попробуем объяснить (Закон Борея) закон Бернулли опытным путём.
Экспериментальная проверка закона Бернулли (Закон Борея):
Возьмём трубку, заполненную жидкостью, между двумя поршнями «А» и «Б» на расстоянии L друг от друга до уровня метрической отметки «0» (смотри Рис.5.а).
При движении поршней «А» и «Б» с одинаковой скоростью v и u (v=u) в одном направлении при сохранении расстояния L давление P не меняется и остаётся на отметке «0» (Рис. 5. б).
При движении поршня «А» с большей скоростью v, чем скорость u поршня «Б» (v>u) уменьшается расстояние L и давление P растёт (Рис. 5. в).
При движении поршня «А» с меньшей скоростью v, чем скорость u поршня «Б» (v<u) увеличивается расстоянии L и давление P падает - Рис. 5. г).
Вывод
– если градиент скорости среды (Δx=u-v=0) в потоке не меняется, то давление P в системе остаётся постоянным;
– если градиент скорости среды в потоке уменьшается (Δx=u-v<0) то давление P в системе растет;
– если градиент скорости среды в потоке увеличивается (Δx=u-v>0) то давление P в системе падает.
Это утверждение не противоречит закону сохранения энергии.
Примеры "сжатия" и "растяжения" среды:
На профиль трапецеидальной формы направим поток воздуха параллельно основанию (например, крыша дома. Рис. 6). Тогда фронтальная сторона трапеции начнёт «сжимать» воздух и создаст зону повышенного давления, а тыльная сторона создаст «разрежение» воздуха – зону пониженного давления.
Аналогично можно представить движение телеги с грузом под пружиной по кривой поверхности (Рис. 7):
- АБ - нагрузка на поверхность давит с силой Fn;
- БВ - нагрузка на поверхность увеличивается (эффект увеличения веса) - Fn+F;
- ВГ - нагрузка на поверхность снижается до номинальной - Fn;
- ГД - нагрузка на поверхность уменьшается (эффект уменьшения веса) - Fn-F;
- ДЕ - нагрузка на поверхность повышается до номинальной - Fn;
Другой пример — бесконечно тонкий прямоугольный профиль (например, "Воздушный Змей") (Рис. 8.) в потоке среды, при угле атаки, не намного больше нуля (α ≈ +0), проходит и сверху, и снизу одинаковое расстояние, и нет срыва потока воздуха. Воздух создаёт зону сжатия под профилем: нормаль к потоку воздуха формирует подъёмную силу, а параллельно потоку – силу сопротивления; и зону разрежения над профилем; нормаль к потоку воздуха формирует подъёмную силу, а параллельно потоку – силу сопротивления.
Из вышеуказанного можно уверенно утверждать, что подъёмная сила крыла (Рис. 1) есть результат перпендикулярного набегающего разрежённого потока над крылом и перпендикулярного сжатия набегающего потока под крылом.
В соответствии с этим можно ответить на вопрос: почему, если поменять традиционное направление набегающего потока – длина пути при этом не изменится – не будет эффекта подъёмной силы?
Нормальное обтекание крыла:
Поток воздуха делится на передней части крыла на два потока и, обходя крыло, сходится на задней кромке. Верхний поток большую часть проходит крыло по сходящейся части крыла, растягивая вертикально окружающую среду, тем самым образуется область пониженного давления – подъёмная сила. Рис. 9.
Обратное обтекание крыла
Поток воздуха делится на тонкой кромке крыла на два потока и, обходя крыло, сводится на крутой кромке. Верхний поток большую часть проходит крыло по расходящейся части крыла, "сжимая" вертикально среду над крылом, тем самым образуется область повышенного давления.
Альтернативная точка зрения, которая оспаривает общепринятое объяснение, основанное на разнице скорости воздушного потока над и под крылом.
Перевернем крыло, как на Рис. 11. Здесь подъёмная сила будет из-за того, что «воздух под крылом проходит большее расстояние, поэтому "движется" быстрее, чем воздух над крылом».
Утверждаю: скорость верхнего потока не меняется относительно нижнего. Нижний поток большую часть проходит крыло по расходящейся части крыла, "сжимая" вертикально среду под крылом. Тем самым образуется область повышенного давления, что и создает объёмную силу.
Спасибо, что дочитали до конца – лайк, комментарий и донат – отличный способ поддержать канал и автора 👍