Почему летают машины

Итак, имеем серьезное продвижение вперед в понимании процесса возникновения подъемной силы крыла.

Однако, хотелось бы вернуться к первоначальной постановке вопроса. Ряд товарищей, а именно, авмич и Старый, утверждали, что причиной летания самолетов является отбрасывание крылом воздуха вниз. Последовало возражение, что это отбрасывание есть лишь следствие возникновения подъемной силы.

После краткой дискуссии авмич, похоже, с этим согласился. Старый свою точку зрения отстаивать не стал (хотя говорил, что в аэродинамике и вообще он - эксперт).

Есть предложение разобрать данное заблуждение. А может, это и не заблуждение, а великая мудрость. Мне кажется, что это все таки не спор о курице и яйце, между событиями при обтекании крыла можно установить какие-то причинно-следственные и временные связи.

Еще раз.
Старый:
"Я хотел только пояснить, что аэродинамическая подъёмная сила образуется только и исключительно оттого, что крыло или винт отталкивают воздух. Подъёмная сила всегда численно равна изменению импульса воздуха.
Движущееся в воздухе крыло самолёта точно так же отталкивает вниз воздух, как и движущаяся в воздухе лопасть несущего винта вертолёта. С точки зрения физики это одно и то же, да и с точки зрения аэродинами - тоже (принципиально, конечно).
Чтоб понять, возьмите кусочек картонки, и махните им так, чтоб оттолкнуть вниз воздух. Почувствуйте, с какой стороны давление больше?
Так же и крыло. Толкая воздух оно его сжимает. Толкая ВНИЗ, оно его снизу и сжимает. Поэтому давление снизу больше, чем сверху. Неужели это нужно объяснять? Ну вы когда нибудь велосипедным насосом пользовались? Ну ПОД поршнем воздух сжимается.
Обтекание крыла воздушным потоком, профиль, угол атаки, Сх и Сy, и т.д. т.п. это лишь МЕХАНИЗМ образования подёмной силы, но никак не её физическая природа. Физическая основа - это отбрасывание воздуха крылом."

Как видим, Старый признает наличие обтекания, профиля, углов атаки, Сх, Су и всяких прочих т.д. и т.п. Но это, по его мнению, лишь "механизм". А физическая природа подъемной силы - это что-то другое. А вот физическая основа - это четко - отбрасывание воздуха крылом.

Может быть уважаемые "физики" помогут разобраться, в чем же состоит "физическая природа" подъемной силы крыла. А то я тут простой советский инженер (и даже хуже - говорю абсолютно серьезно, увы) таких умных слов просто не знаю. Не говоря уже о том, что я не могу понять, что такое "физическая основа силы". Книжек по физике у меня под рукой нет. Пробовал искать в Интернете - расстроился. Там о физических основах сил говорится только у всяких физических альтернативщиков в их новых теориях мироздания. Так что же Старый хотел сказать? Физики, ау!

Но против третьего закона Ньютона не попрешь.
Практический вопрос - даже несколько:

1. Всякое ли крыло, создающее подъемную силу, отбрасывает воздух вниз?

2. Каким "органом" крыло отбрасывает воздух вниз?
Старый говорил, что толкает, и упоминает два механизма - махательный и поршневой. Но я конструкцию крыла знаю лучше, чем закон сохранения импульса, - нет там таких устройств.

3. В какой момент времени происходит отбрасывание воздуха вниз крылом?

4. Не столь принципиально, если есть ответы на предыдущие вопросы, но интересно, а как независимо от 3-го закона Ньютона посчитать массу (импульс) отбрасываемого воздуха?

Я не думаю, что надо быть гигантом мысли, чтобы ответить на эти вопросы, поэтому прошу - высказывайтесь.

>1. Всякое ли крыло, создающее подъемную силу, отбрасывает воздух вниз?

Да.

Под отбрасыванием понимается изменение импульса (хорошо, скорости) молекул воздуха в сторону "низа". Поскольку импульс - величина векторная, то это значит, что молекулы воздуха получают векторное приращение импульса, имеющее вертикальную составляющую вниз.

Заметим, что это не означает, что все молекулы получают прибавку импульса только вниз. Имеется в виду, что общая прибавка импульса, сложенная по всем молекулам, направлена вниз.

>2. Каким "органом" крыло отбрасывает воздух вниз?

Своей плоскостью.

Механизм отбрасывания - столкновения молекул воздуха с поверхностью крыла, и изменение вследствие этого столкновения импульса молекул, причём вектор изменения имеет вертикальную составляющую вниз, если проинтегрировать по молекулам.

Свободный пробег молекул в воздухе не очень велик, поэтому молекулы, столкнувшиеся с крылом и получившие приращение импульса, передают это приращение (частями ) другим молекулам. В итоге возникает эффект согласованного движения воздуха вниз. Однако, поскольку молекулы сталкиваются часто, и перераспределяют импульс быстро, движение воздуха очень быстро захватывает всё большие объёмы воздуха, а значит его массы, а значит, скорость движения воздуха быстро падает.

Кстати, возникновение большего давления под крылом - следствие столкновения молекул воздуха с крылом. Эффект такой же, как при столкновении молекул воздуха с опускающимся поршнем. Большее давление возникает от большей плотности воздуха под крылом и большей энергии молекул.

>3. В какой момент времени происходит отбрасывание воздуха вниз крылом?

В момент столкновения молекулы воздуха с крылом, или другой молекулой, которая перед этим столкнулась с крылом, или с молекулой, которая этот импульс получила ещё более опосредованно.

>4. Не столь принципиально, если есть ответы на предыдущие вопросы, но интересно, а как независимо от 3-го закона Ньютона посчитать массу (импульс) отбрасываемого воздуха?

На самом деле, третий закон Ньютона - действие равно противодействию - сам по себе импульс отбрасываемого воздуха не даёт. Даёт его второй закон Ньютона - F = dp/dt. Если известна подъёмная сила крыла, то можно определить, какой импульс передаётся воздуху за единицу времени. Конечно, третий закон нужен, чтобы от силы, действующей на крыло, перейти к силе, действующей на воздух.

Массу воздуха, в отличие от импульса, посчитать совсем не так просто. Потому что воздух со временем перераспределяет импульс между всё большим числом молекул, и это быстрый процесс. Тут надо точно определить, что именно нужно.

Вуду>Господа, поставьте мысленный эксперимент, вроде как с мухой в стеклянной колбе, только колбу взять побольше и вместо мухи - маааленький вертолёт....Вес системы, естественно, не изменяется (просьба Эйнштейна сюда не впутывать ). Вертолёт начинает летать по колбе - кругами, вес системы не изменяется.
Вуду>Резюме:

Два заблуждения в сумме дают третье

Ник

М-да. Аэродинамщики за деревьями не видят леса. Как их научили "вихрям", так они на них и летают.

Зайдем с другого конца. Вспомним III закон Ньютона. На крыло действует сила с вертикальной составляющей, направленной вверх (называемой П.С.). Значит, к ЧЕМУ-ТО должна быть приложена сила с вертикальной составляющей ВНИЗ. С чем непосредственно взаимодействует крыло? - с воздухом, и эта сила, приложенная к нему, изменяет импульс воздуха вертикальном направлении.

Посмотрите еще раз на картинки обтекания крыла, неоднократно здесь приводившиеся. Обратите внимание, что трубки тока ДО крыла и ПОСЛЕ смещаются вниз.

И в продолжение. Придание воздуху импульса с вертикальной составляющей вниз - не есть ПРИЧИНА, не есть СЛЕДСТВИЕ подъемной силы. Это единый и неразделимый процесс взаимодействия.

>avmich! Возникновение подъемной силы за счет отбрасывания воздуха вниз - БРЕД!!!!!!!!!

Ладно, давайте сюда Ваши объяснения. Не знаю, право, что Вы сможете поделать с Ньютоном... где я его не так трактую... но, давайте всё же посмотрим.

Вообще, согласен с GrayCat... что, в общем, неудивительно, учитывая историю обучения...

Или, чтобы упростить, давайте, Дилетант, я лучше Вам вопрос задам. Откуда берётся повышенное давление под крылом? Расскажите, пожалуйста, поподробнее, а?

[ 20-11-2002: Message edited by: avmich ]

Еще один мысленный эксперимент. Возьмем замкнутую трубу постоянного сечения, установленную вертикально. И запустим туда висеть электро-вертолет, подведя провода извне.

Вопрос 1: сможет ли вертолет висеть сколь угодно долго, пока есть ток?
Вопрос 2: каково распределение усредненной скорости (импульса) частиц воздуха по длине трубы?
Вопрос 3: от чего отталкивается вертолет?

Дилетант>Еще один мысленный эксперимент. Возьмем замкнутую трубу постоянного сечения, установленную вертикально. И запустим туда висеть электро-вертолет, подведя провода извне.

Дилетант>Вопрос 1: сможет ли вертолет висеть сколь угодно долго, пока есть ток?

Да.

Дилетант>Вопрос 2: каково распределение усредненной скорости (импульса) частиц воздуха по длине трубы?

А вот тут усреднение не имеет смысла - различие импульсов тех объемов воздуха, которые отброшены лопастями вниз, и те, что "прорываются" между лопастями вверх - принципиально.

Дилетант>Вопрос 3: от чего отталкивается вертолет?

Да все от того же...

Продолжим эксперимент будем наращивать площадь лопастей до тех пор, пока они не сомкнутся в сплошной круг, без зазора сидящий в трубе. Придем к случаю "поршень в цилиндре". Провода - нафиг. Все, получили статическую картинку, где "Подъемная сила" поршня создается разностью статических давлений. И все это возможно лишь до тех пор, пока воздух не получит возможности утекать из-под поршня.

avmich>Кстати, возникновение большего давления под крылом - следствие столкновения молекул воздуха с крылом.

Таак. Интересно как это объяснит возникновение подъемной силы на плоско-выпуклом профиле (плоском снизу) с нулевым углом атаки?

Hint: воздух при обычных условиях и умеренных скоростях ведет себя не как уча мелких горошин а как практически несжимаемая. но вязкая жидкость.

Дилетант>Хотя весьма уважаемый мною Владимир Малюх утверждает, что это лишь математическая абстракция, удобная для расчетов, я с ним в этом пункте не согласен. Вихрь существует объективно.

Олег, я уже говрил, что спор у нас с вами сугубо терминологический Давайте оговорим, что вы называет вихрем. По моему разумению это течение, в котором поток течет по замкнутой траектории. Наблюдение за обтеканием крыльевого профиля в аэродинамической трубе таковой картины не обнаруживает. Сам видел

Дилетант>Это проявляется в том, что две молекулы, разделившись на передней кромке, достигают задней кромки НЕОДНОВРЕМЕННО. И эта разница тем больше, чем сильнее вихрь, чем больше энергия, накопленная им.

Представьте себе две параллельные трубки, разных сечений, одинаковой длины. На входе в них одинаковый расход газа с одинаковой скоростью. На выходе -что получится. Вихрь есть?

Дилетант>Как всякая резонансная система, система крыло-вихрь имеет собственную добротность.

Тоже хорошая расчетная схема.

GrayCat>А вот тут усреднение не имеет смысла - различие импульсов тех объемов воздуха, которые отброшены лопастями вниз, и те, что "прорываются" между лопастями вверх - принципиально.

Между лопастями вверх ничего не прорывается. Медицинский факт. Может прорываться между концами лопастей и стенками трубы, но это легко устраняется подгоном диаметра пропеллера к диаметру трубы.

GrayCat>Продолжим эксперимент будем наращивать площадь лопастей до тех пор, пока они не сомкнутся в сплошной круг, без зазора сидящий в трубе. Придем к случаю "поршень в цилиндре". Провода - нафиг. Все, получили статическую картинку, где "Подъемная сила" поршня создается разностью статических давлений. И все это возможно лишь до тех пор, пока воздух не получит возможности утекать из-под поршня.

А вот такая хренотень в кольцевой трубе висеть не будет. Догадайтесь, почему.

Дилетант>Вопрос 1: сможет ли вертолет висеть сколь угодно долго, пока есть ток?

GrayCat>Да.

Нет.

Владимиру Малюху.

Ну ладно.

GrayCat>М-да. Аэродинамщики за деревьями не видят леса. Как их научили "вихрям", так они на них и летают.

GrayCat>Зайдем с другого конца. Вспомним III закон Ньютона. На крыло действует сила с вертикальной составляющей, направленной вверх (называемой П.С.). Значит, к ЧЕМУ-ТО должна быть приложена сила с вертикальной составляющей ВНИЗ. С чем непосредственно взаимодействует крыло? - с воздухом, и эта сила, приложенная к нему, изменяет импульс воздуха вертикальном направлении.
Вы забыли, что крыло ДВИЖЕТСЯ ВПЕРЕД Вертикальная составляющая силы, направленная ВВЕРХ есть (в идеале)парафраз СОПРОТИВЛЕНИЯ

Ник

Дилетант>Ну ладно.

Хотя бы друг-друга поняли

Дилетанту:
Для начала скажу, что я, судя по всему, неверно понял Ваше выражение в изначальной формулировке "замкнутая труба, установленная вертикально". Я понял это как вертикальный отрезок трубы, запаянный сверху и снизу (а как еще понимать это "установленная вертикально"?!). Вы же, наверное, имели в виду что-то типа тора "на боку".

Дилетант>Между лопастями вверх ничего не прорывается. Медицинский факт.

Розовая мечта всех вертолетостроителей

Дилетант> Может прорываться между концами лопастей и стенками трубы, но это легко устраняется подгоном диаметра пропеллера к диаметру трубы.

GrayCat>>Продолжим эксперимент будем наращивать площадь лопастей до тех пор, пока они не сомкнутся в сплошной круг, без зазора сидящий в трубе. Придем к случаю "поршень в цилиндре". Провода - нафиг. Все, получили статическую картинку, где "Подъемная сила" поршня создается разностью статических давлений. И все это возможно лишь до тех пор, пока воздух не получит возможности утекать из-под поршня.

Дилетант>А вот такая хренотень в кольцевой трубе висеть не будет. Догадайтесь, почему.

Ну да, я даже отметил "И все это возможно лишь до тех пор, пока воздух не получит возможности утекать из-под поршня", что и реализуется в кольцевой трубе

Ладно, вернемся к изначальному "Вертолету в бублике". Боюсь, что долго он провисеть на месте не сможет. Что Вы и отметили, по-моему.

[ 20-11-2002: Message edited by: GrayCat ]

GrayCat>>А вот тут усреднение не имеет смысла - различие импульсов тех объемов воздуха, которые отброшены лопастями вниз, и те, что "прорываются" между лопастями вверх - принципиально.
Дилетант>Между лопастями вверх ничего не прорывается. Медицинский факт. Может прорываться между концами лопастей и стенками трубы...
По этой "медицине" к Главврачу Юрьеву Б.Н.: коэффициент концевых и втулочных потерь, теория идеального винта и как влияет заполнение и геометрия лопастей на индуктивную скорость. А то получается, что несущий винт с двумя тонюсенькими лопастями ничем не отличается от "нормального" с пятью допустим?
// -Почему летает вертолет?
// -Потому что так нужно Партии и Правительству. (с) О.Н.Сохань Когда-то это было достаточным условием

GrayCat>>Продолжим эксперимент будем наращивать площадь лопастей до тех пор, пока они не сомкнутся в сплошной круг, без зазора сидящий в трубе. Придем к случаю "поршень в цилиндре".
Дилетант>А вот такая хренотень в кольцевой трубе висеть не будет.
Имеется ввиду то, что труба закольцована и полость над "поршнем" соединена с полостью под (или сам винт отбрасывая воздух нагнетает его же над собой)?

[ 20-11-2002: Message edited by: Timofey ]

Nick_Crak>Вертикальная составляющая силы, направленная ВВЕРХ есть (в идеале)парафраз СОПРОТИВЛЕНИЯ

...для падающей БОМБЫ

Что-то Вас, Ник, перекосило: сопротивление - это назад, а вверх - таки подъемная сила для летящего горизонтально вперед крыла.

Nick_Crak>>Вертикальная составляющая силы, направленная ВВЕРХ есть (в идеале)парафраз СОПРОТИВЛЕНИЯ

GrayCat>...для падающей БОМБЫ

GrayCat>Что-то Вас, Ник, перекосило: сопротивление - это назад, а вверх - таки подъемная сила для летящего горизонтально вперед крыла.

Ага...Вы в школе рисовали СИЛЫ и моменты? Возьмите и нарисуйте себе силы и моменты действующие (для начала)на ВЕРТИКАЛЬНУЮ пластину, а потом плавненько так начните ее НАКЛОНЯТЬ..и посмотрите КУДА будет направленна СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ воздуха

Ник

avmich! Возникновение подъемной силы за счет отбрасывания воздуха вниз - БРЕД!!!!!!!!!

Подъемная сила крыла больше похожа на ту силу, за счет которой поршень висит на столбе воздуха! Только вот нет стенок для локализации области повышенного давления, а вместо них есть вихрь ВОКРУГ крыла, который и не дает области повышенного давления оторваться от крыла и рассосаться.

Хотя весьма уважаемый мною Владимир Малюх утверждает, что это лишь математическая абстракция, удобная для расчетов, я с ним в этом пункте не согласен. Вихрь существует объективно. Это проявляется в том, что две молекулы, разделившись на передней кромке, достигают задней кромки НЕОДНОВРЕМЕННО. И эта разница тем больше, чем сильнее вихрь, чем больше энергия, накопленная им.

Крыло и обтекающий его воздух образуют систему с положительной обратной связью, РЕЗОНАНСНУЮ систему, способную аккумулировать энергию. Но резонанс здесь возникает на за счет вибрации крыла (это флаттер - явление разрушительное для конструкции), а за счет влияния крыла на формирование вокруг него вихря - присоединенного вихря, в котором происходит НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ РЕЗОНАНСНОЙ СИСТЕМЫ. (В способности вихрей значительное время удерживать энергию, при этом перемещаясь относительно среды, можно убедиться, пуская кольца сигаретного дыма). Вихрь разрежает воздух над и сжимает его под крылом, при этом не давая "рассасываться" области повышенного давления.

Как всякая резонансная система, система крыло-вихрь имеет собственную добротность. Добротность этой системы и определяет ее аэродинамическое качество. Система накапливает энергию не моментально, на это уходит заметное время. Достаточная подъемная сила возникает не сразу по достижении определенной скорости, но через некоторое время, когда присоединенный вихрь накопит достаточно энергии. Идеальный присоединенный вихрь, в котором отсутствуют потери энергии, НЕ ВОЗМУЩАЕТ окружающий воздух. Конечно, такого не бывает. Но аэродинамическое качество планеров может достигать значения 50 именно за счет высокой добротности системы "крыло планера-вихрь", за счет малого возмущения крылом планера окружающего воздуха.

Крылья, пропеллеры, роторы автожиров и вертолетов, а также паруса и парашюты - все эти устройства работают за счет использования области повышенного давления связанного с ними присоединенного вихря.

Потеря крылом подъемной силы при срыве потока - это результат разрушения присоединенного вихря, и, следовательно, разрушения области повышенного давления, которое больше ничем не удерживается.

В.М.>Мнэээ, круглый парашют с дыркой и спортивное крыло - все-таки "немного" по разному работают. Первый -скорее своеобразный аэродинамический тормоз, второе - несущая поверхность.

ДЫРКА в куполе парашюта служит для ОПРЕДЕЛЕНИЯ места стока воздуха, а именно для УСТОЙЧИВОСТИ - не было бы отверствия воздух бы вытекал по случайному закону из под края, вызывая раскачку купола.
ПАРАПЛАН же - это то же КРЫЛО, в котором энергия торможения воздуха куполом, стабилизирует(делает жесткой) саму плоскость крыла :)Кстати, законы параплана -весьма и весьма сложны, но крайне, крайне приятны ...

Ник

Господа, поставьте мысленный эксперимент, вроде как с мухой в стеклянной колбе, только колбу взять побольше и вместо мухи - маааленький вертолёт. Ставим колбу с вертолётом на весы, замеряем вес. Вертолёт зпускает двигатель, влетает и висит в колбе (герметически закрытой). Вес системы, естественно, не изменяется (просьба Эйнштейна сюда не впутывать ). Вертолёт начинает летать по колбе - кругами, вес системы не изменяется. Представим себе, что вертолёт не простой, а его лопасти могут преобразовываться в полёте в нормальные крылья, создающие подъёмную силу (давно есть такие проекты и модели), вот он трансформировался и летает теперь в колбе кругами, с использованием дополнительного двигателя. Вес системы по-прежнему не меняется.

Резюме:
1. Давление вниз воздуха висящего вертолёта равно в сумме его весу.
2. Давление вниз воздуха летящего горизонтально ЛА такой же массы аналогично равно в сумме его весу.

А "циркуляция вектра скорости вокруг крыла" - само собой, святое дело, Н.Е.Жуковский соврать не даст...

Кстати, Дилетант, в идеальном газе две молекулы, разделившись у носка профиля, достигнут задней кромки крыла одновременно...

[ 20-11-2002: Message edited by: Вуду ]

Nick_Crak>Ага...Вы в школе рисовали СИЛЫ и моменты? Возьмите и нарисуйте себе силы и моменты действующие (для начала)на ВЕРТИКАЛЬНУЮ пластину, а потом плавненько так начните ее НАКЛОНЯТЬ..и посмотрите КУДА будет направленна СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ воздуха

Смотрим первую же страницу топика, где =KRoN= привел цитату из энциклопедии: "Подъёмная сила, составляющая полной силы давления жидкой или газообразной среды на движущееся в ней тело, направленная перпендикулярно к скорости тела (к скорости центра тяжести тела, если оно движется непоступательно)." Не, я не спорю, конечно, что общая сила, действующая на крыло, направлена "косо", но подъемной называется ее перпендикулярная движению (в нашем случае вертикальная) составляющая. Ее-то и стараются максимизировать, при минимизации параллельной составляющей - лобового сопротивления.

Дилетант: «Вихрь существует объективно».

Объективно существующий присоединённый вихрь, это воздух, вращающийся вокруг крыла в продольном направлении. Значит должны быть потоки воздуха, движущиеся вперёд быстрее самолёта. Нигде не встречал описания такого феномена. Повторюсь, но присоединённый вихрь – математическая модель и реально не существует.