Теории лифта

Распространенное заблуждение состоит в том, что братья Райт, помимо всех остальных своих достижений, изобрели аэродинамический профиль. Они этого не сделали. Сэр Джон Кэли, английский инженер, который также первым определил четыре силы полета — подъемную силу, сопротивление, тягу и вес — разработал изогнутый профиль крыла посредством детальных экспериментов. Его трехчастный труд «О воздушной навигации», опубликованный в 1809 и 1810 годах, часто называют первым описанием того, что мы сегодня называем самолетом. Также сегодня мы учим, что теории сэра Исаака Ньютона (1642–1726) и швейцарского математика Даниэля Бернулли (1700–1782) предоставляют подробную науку, объясняющую подъемную силу. Они этого не делают, по крайней мере, не в полной мере.

Основная проблема заключается в том, что ни одна из теорий полностью не объясняет наблюдения реального мира. Принцип Бернулли — что чем быстрее воздух на вершине крыла, тем меньше давление — верен, но не объясняет, почему он верен. Это также не объясняет перевернутый полет. Именно здесь вступают в силу второй и третий законы Ньютона (подробности см. во врезке ниже). В совокупности законы Ньютона описывают, как мы можем летать перевернутым и как работает угол атаки. Но у них нет нужных нам подробностей от Бернулли. Тем не менее, если мы поместим Бернулли и Ньютона в одну комнату, а затем разбросаем повсюду немного Кэли, у нас появится рабочая идея о том, как построить самолет и управлять им. Но мы до сих пор точно не знаем, почему воздух над крылом имеет более низкое давление, чем воздух под ним.

Нам, вероятно, говорили в наземной школе, что область низкого давления на вершине крыла возникает из-за того, что частицы воздуха, проходящие над ней, должны ускоряться по отношению к воздуху под крылом, так что они оба достигают задней кромки одновременно. и воссоединяйтесь. Это широко известно как теория «более длинного пути» или «равного времени прохождения».

Но нет науки, утверждающей, что частицы воздуха должны прибывать одновременно. Фактически, по данным Исследовательского центра Гленна НАСА, «фактическая скорость над верхней частью профиля намного выше, чем предсказывает теория «более длинного пути», и частицы, движущиеся через верхнюю часть, достигают задней кромки раньше, чем частицы, движущиеся под крылом. » (выделено нами).

Да, изогнутая верхняя поверхность крыла создает над ним область воздуха с более низким давлением, но эффекта Вентури нет, потому что нет Вентури. Бернулли на самом деле не говорит нам, почему это происходит, а только говорит, что это происходит. Бернулли также не объясняет, как конструкции крыльев без изогнутой верхней поверхности (или почти без нее) могут создавать подъемную силу, или как симметричные аэродинамические профили с одинаковыми выпуклостями сверху и снизу также создают ее. И мы даже не дошли до перевернутого полета.

Как говорит НАСА: «Мы можем… использовать уравнение Бернулли для вычисления давления и выполнить расчет площади давления, и полученный ответ не согласуется с подъемной силой, которую мы измеряем для данного профиля крыла. Подъемная сила, предсказанная «равным транзитом» Теория намного меньше, чем наблюдаемая подъемная сила, потому что скорость слишком мала. Фактическая скорость над верхней частью профиля намного выше, чем предсказывалось… и частицы, движущиеся через верхнюю часть профиля, достигают задней кромки раньше, чем частицы, движущиеся под крылом. ."

Одним из способов объяснения перевернутого полета является третий закон Ньютона, согласно которому каждое действие имеет равное и противоположное противодействие. Самая простая демонстрация — высунуть руку из окна движущегося автомобиля. Если держать руку горизонтально относительно набегающего воздуха, сопротивление будет небольшим. Однако держите руку перпендикулярно, и движущийся воздух имеет тенденцию толкать ее назад, к задней части автомобиля. Вам нужно будет согнуть руку вперед, чтобы удерживать ее на месте. Если вы держите руку, скажем, под углом 45 градусов, она будет стремиться двигаться одновременно и назад, и вверх. Вам нужно согнуть руку как вперед, так и вниз, чтобы противостоять эффекту.

Движение вашей руки под перпендикуляром и под углом 45 градусов демонстрирует третий закон Ньютона, касающийся равных и противоположных реакций: когда встречный воздух встречает вашу руку, он толкает вверх и/или назад. То же самое происходит, когда крыло (или любая другая поверхность) расположено под углом, не совмещенным с относительным ветром.