Продолжение серии ЕР (без флуда)

[А.Веггер]

В декабре 2003 года, в честь 100-летия первого полёта братьев Райт, "Нью-Йорк Таймс" выпустила статью "Оставаясь в Воздухе; Что их там держит? " Суть повествования заключалась в простом вопросе: Что держит самолеты в воздухе? Чтобы ответить на него, Газета Таймс обратилась к Джону Д. Андерсону-младшему, куратору по вопросам аэродинамики в Национальном авиационно-космическом музее и автору нескольких учебников в этой области.

Однако Андерсон сказал, что на самом деле нет согласия относительно того, что порождает аэродинамическую силу, известную как подъемная. "Простого полновесного ответа на это нет", - сказал он в интервью Times. Люди дают разные ответы на вопрос, некоторые с "религиозным рвением". Более 15 лет спустя после этого заявления, все еще существуют разные сведения о том, что порождает лифт, каждый со своим собственным существенным рангом рьяных защитников. В этот момент в истории полета эта ситуация слегка озадачивает. Ведь естественные процессы эволюции, работая беззастенчиво, случайно и без всякого понимания физики, решили механическую проблему аэродинамического подъема для взлетающих птиц очень давно тому назад. Почему ученым так трудно объяснить, что держит птиц и самолеты с крыльями в воздухе?

 

[А.Веггер]

К путанице добавляется еще и тот факт, что случаю возникновения сподъёмной силы существуют на двух отдельных уровнях абстракции: техническом и нетехническом. Они носят скорее взаимодополняющий, а не противоречивый характер, но различаются по своим целям. Одна Существует как строго математическая теория, область, в которой носитель анализа состоит из уравнений, символов, компьютерных имитаций и чисел. И в связи с этим по существу мало серьезных разногласий относительно того, каковы соответствующие уравнения или их решения. Цель технической математической теории состоит в том, чтобы сделать точные прогнозы и проецировать результаты, которые пригодятся инженерам по аэронавтике, занимающимся сложным делом проектирования самолетов.

Но сами по себе уравнения не являются объяснениями, и не предлагают какого либо их решения. Существует второй, нетехнический уровень анализа, который призван предоставить нам физическое, логически совместимое объяснение подъемной силы. Цель нетехнического подхода состоит в том, чтобы дать нам интуитивное понимание реальных сил и факторов, которые работают при удержании самолета в полете. Такой подход существует не на уровне чисел и уравнений, а скорее на уровне понятий и принципов, которые знакомы и понятны неспециалистам.

Именно на этом втором, нетехническом уровне кроются споры. Обычно для объяснения лифта предлагаются две разные теории, и сторонники с обеих сторон аргументируют свои точки зрения в статьях, в книгах и в Интернете. Проблема в том, что каждая из этих двух нетехнических теорий верна сама по себе. Но ни то, ни другое не дает полного объяснения подъемной силы, которая обеспечивает полный учет всех основных сил, факторов и физических условий, регулирующих аэродинамическую подъемную силу, без каких-либо проблем, оставленных скрытыми, необъяснимыми или неизвестными. Существует ли вообще такая теория?

 

[А.Веггер]

ДВЕ КОНКУРЕННОСПОСОБНЫЕ ТЕОРИИ

Самым популярным объяснением подъёмной силы является теорема Бернулли, принцип, определенный швейцарским математиком Даниэлем Бернулли в его трактате 1738 года Гидродинамика. Бернулли происходил из семьи математиков. Его отец Иоганн сделал вклад в исчисление, а дядя Якоб придумал термин "интеграл." Многие вклады Даниэля Бернулли были связаны с потоками текучих сред: Воздух является текучей средой, и теорема, связанная с его именем, обычно выражается с точки зрения динамики текучести сред. Проще говоря, закон Бернулли гласит, что давление жидкости уменьшается по мере увеличения ее скорости, и наоборот.

Теорема Бернулли пытается объяснить подъем как следствие изогнутой верхней поверхности аэродинамической поверхности, технического названия крыла самолета. Из-за этой кривизны идея заключается в том, что воздух, проходящий через верхнюю часть крыла, движется быстрее, чем воздух, движущийся вдоль нижней поверхности крыла, которая является плоской. Теорема Бернулли говорит, что увеличенная скорость на крыле связана с областью более низкого давления там, которая является подъемной.

Множество эмпирических данных, полученных в ходе испытаний ветровых труб (линии дымовых частиц), лабораторных экспериментов на соплах и трубах Вентури и т.д., дают убедительные доказательства того, что, как указано, принцип Бернулли является правильным и верным. Тем не менее, существует несколько причин, по которым теорема Бернулли сама по себе не составляет полного объяснения подъёма. Хотя факт опыта заключается в том, что воздух движется быстрее по изогнутой поверхности, теорема Бернулли сама по себе не объясняет, почему это так. Другими словами, теорема не поясняет, с чего это собственно и как более высокая скорость над крылом вообще существует.

 

[А.Веггер]

Прикольно: Статья куда то подевалась и не открывается по линку. А там очень интересные картинки особенно про Закон Бернулли : Как самолет может лететь вверх тармашками, и почему ( с чего собственно) поток разделенный профилем крыла - на выходе все равно уравнивается по скорости и как бы ничего не меняет. Да и как летают себе плоские крылья (ну например бумажных самолетиков)

 

[А.Веггер]

Есть много невнятных объяснений существовавния более высокой скорости. Согласно наиболее распространенной теории - теории "равного времени прохождения" - посылки воздуха, которые отделяются на передней кромке крыла, должны присоединяться одновременно на задней кромке. Поскольку верхний участок проходит дальше нижнего участка за заданное время, он должен проходить быстрее. Ошибочность здесь заключается в том, что нет никакой физической причины, по которой два участка должны достигать задней кромки одновременно. И действительно, они этого не делают: эмпирический факт заключается в том, что воздух сверху движется гораздо быстрее, чем это могла бы сделать теория равного транзитного времени.

Есть и пресловутая "демонстрация" принципа Бернулли, которая повторяется во многих популярных источниках , видео на YouTube и даже некоторых учебниках. Он включает в себя удержание листа бумаги горизонтально у рта и продувание через изогнутую верхнюю часть. Страница поднимается, якобы иллюстрируя эффект Бернулли. Противоположный результат должен произойти при продувке по дну листа: скорость движущегося воздуха ниже него должна тянуть страницу вниз. Вместо этого, как ни парадоксально, страница поднимается.

Подъем искривленной бумаги при подаче потока в одну сторону "не потому, что воздух движется с разной скоростью с двух сторон", говорит профессор аэродинамики Кембриджского университета Хольгер Бабинский в своей статье "Как работают крылья?" Чтобы продемонстрировать это, протирайте по прямой листок бумаги - например, один держится так, чтобы он зависал вертикально - и убедитесь, что бумага не движется так или иначе, потому что "давление с обеих сторон бумаги одинаковое, несмотря на очевидную разницу в скорости".

 

[А.Веггер]

Ну вот наконец то можно посмотреть эту картинку И почитать а что ж там написано Сама картинка взята из какого то другого издания и заглавие ее

"Класcическая теория Потоков"

В обще-здравом-смысле на основе банальной эрудиции две теории были представлены для того чтобы пояснить что же держит самолеты в воздухе. Одна - это теорема Бернулли которая соизмеряет подъемную силу с зонами различных давлений ввиду разности скоростей потоков поверх и внизу крыла. Другая теория основана на ьютоновских принципах противодействия (законов сохранения) поясняющая подъемную силу как противодействие силе воздуха движущегося вниз при определенном угле атаки. Обе теории вроде бы правильные и не противоречат друг другу и тем не менее каждая из сторон аргументирует свою законную точку зрения

 

[А.Веггер]

Второй недостаток теоремы Бернулли состоит в том, что в ней не сказано, как и почему более высокая скорость над крылом приводит к более низкому давлению, а не к более высокому давлению вместе с ним. Было бы естественно думать, что когда кривизна крыла смещает воздух вверх, этот воздух сжимается, что приводит к увеличению давления наверху крыла. Такое "узкое место" обычно замедляет процесс в обычной жизни, а не ускоряет его. На шоссе, когда две и более полосы движения сливаются в одну, задействованные вагоны не ходят быстрее; Вместо этого происходит массовое замедление и, возможно, даже пробка. Молекулы воздуха, протекающие над крылом, не ведут себя так, но теорема Бернулли не говорит почему нет.

Третья проблема дает самый решающий аргумент против относительно теоремы Бернулли как полный отчет о подъеме: самолет с изогнутой верхней поверхностью способен летать перевернутым. В перевернутом полете изогнутая поверхность крыла становится нижней поверхностью, и согласно теореме Бернулли, она затем генерирует пониженное давление ниже крыла. Это более низкое давление, добавленное к силе тяжести, должно иметь общий эффект - тянуть плоскость вниз, а не удерживать её вверх. Кроме того, летательные аппараты с симметричными аэродинамическими поверхностями, имеющими одинаковую кривизну сверху и снизу - или даже с плоскими верхней и нижней поверхностями - также способны летать перевернутыми, пока аэродинамическая поверхность встречает встречный ветер под соответствующим углом атаки. Это означает, что одной теоремы Бернулли недостаточно для объяснения этих фактов.

 

[А.Веггер]

Другая теория возникновения подъёмной силы основана на третьем законе механики Ньютона, принципе действия и потиводействия. Теория гласит, что крыло выталкивает самолет вверх, в то же время толкая воздух вниз. Воздух имеет массу, и из третьего закона Ньютона следует, что нисходящий поток воздуха от крыла приводит к равному и противоположному воздействию вверх, что является подъёмом. Ньютоновский взгляд на эту теорию относится к крыльям любой формы, криволинейной или плоской, симметричной или нет. Силы дйствующие в работе тоже знакомы из каждодневного опыта - например, когда вы высовываете руку из окна движущегося автомобиля и наклоняете ее вверх, воздух отклоняется вниз, а рука поднимается. По этим причинам третий закон Ньютона является более универсальным и всеобъемлющим объяснением подъёма, чем теорема Бернулли.

Однако сам по себе принцип действия и противодействия также не объясняет более низкое давление на крыле, которое существует в этой области, независимо от того, является ли аэродинамическая поверхность выпуклой. Только когда самолет приземляется и останавливается, область более низкого давления сверху крыла исчезает, возвращается к давлению окружающей среды и становится одинаковой как сверху, так и снизу. Но пока самолет летит, та область более низкого давления является неизбежным элементом аэродинамического подъема, и это надо объяснить.

 

[А.Веггер]

ИСТОРИЧЕСКОЕ ПОЗНАВАНИЕ

Ни Бернулли, ни Ньютон сознательно не пытались объяснить, что удерживает самолеты, конечно, потому что жили задолго до фактического развития механического полета. Их соответствующие законы и теории были просто перекованы с мечей на орала, как только братья Райт полетели, что сделало сам полет серьезным и насущным делом для ученых и поводом, чтобы понять аэродинамический фактор существования подъёмной силы.

Большая часть этих теоретических расчетов и предположений поступила из Европы. В первые годы XX века несколько британских учёных пересматривали технические, математические расчеты подъёмной силы, которые рассматривали воздух как сверх совершенную (идеальную) жидкость, то есть он был у них несжимаемым и имел нулевую вязкость. Это были нереальные предположения, но, возможно, понятные для ученых, столкнувшихся с новым явлением управляемого механического полета. Эти предположения также сделали лежащую в основе математику более простой и понятной , чем они были бы в противном случае, но эта простота пришлась за определенную цену фактов: как бы успешно не были расчеты теореичских аэродинамических поверхностей, движущихся в идеальных газах, могут быть математически, они остались несоответственными эмпирически.

В Германии одним из ученых, посвятивших себя к изучениу проблем существоваия и возникновения подъёмнойсилы, был не кто иной, как Альберт Эйнштейн. В 1916 году Эйнштейн опубликовал в журнале Die Naturwissenschaften короткий фрагмент под названием "Элементарная теория водных волн и полёта", в котором пытался объяснить, что является причиной несущей способности крыльев летающих машин и взлетающих птиц. "Вокруг этих вопросов много непонятностей", - написал Эйнштейн. "Действительно, должен признаться, что никогда вообще не сталкивался с простым ответом на эти вопросы даже в специализированной литературе".

 

[henryk]

Ну вот наконец то

=Андрей=ГИГАНТ !!!

(я за всю свою длинную жизнь столько много не переводил...)

ЗЫ=я в упомянутых статьях не заметил инфы о зависимости аэродинамических явлений/сил от термической (агромадной) энергии
"спокойного" воздуха...

её маленький процент можем увидеть,наблюдая за вращением торнадо !
(400 км/ч ,а максимум и 1800 км/ч=энергия 20 раз больше !!!)

 

[А.Веггер]

=Андрей=ГИГАНТ !!!

Спасипки Пан henryk мне действительно оче интересен этот необычный экскурс в историю воздухоплавания - Это вам несомненное спасибо за наводку !!!

 

[А.Веггер]

Затем Эйнштейн начал давать объяснение, которое предполагало несжимаемую, не имеющую трения текучую среду - то есть идеальную текучую среду. Не упоминая Бернулли по имени, он дал отчет, который соответствует принципу Бернулли, сказав, что давление жидкости больше там, где его скорость медленнее, и наоборот. Чтобы воспользоваться этими различиями в давлении, Эйнштейн предложил аэродинамическую поверхность с выпуклостью сверху так, чтобы форма увеличивала скорость воздушного потока над выпуклостью и, таким образом, уменьшала давление и там.

Вероятно, Эйнштейн считал, что его идеальный анализ жидкости будет в равной степени хорошо применяться к реальным потокам жидкости. В 1917 году на основе своей теории Эйнштейн сконструировал профиль крыла, который впоследствии стал известен как крыло "Зевающей Кошки" из-за своей схожести с горбатой спиной потягивающейся от сна кошки. Он довёл эту свою конструкцию профиля до производителя самолётов LVG (Luftverkehrsgesellschaft) в Берлине, который создал на основе этого профиля новую летающую машину. Летчик-испытатель сообщил, что судно шаталось в воздухе, как "беременная утка". Гораздо позже, в 1954 году, сам Эйнштейн назвал свою экскурсию по аэронавтике "юношеской глупостью". Человек, который дал нам радикально новые теории, которые проникли как в самые маленькие, так и в самые большие составляющие Вселенной, тем не менее, не смог внести позитивный вклад в понимание проблем лифта или придумать практическую конструкцию аэродинамического профиля.

 

[А.Веггер]

К ОСОЗНАНИЮ И ДОПОЛНЕНИЮ ТЕОРИИ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ

Современные научные подходы к проектированию самолетов - это области симуляций и моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) и так называемые уравнения Навье-Стокса, которые в полной мере учитывают фактическую вязкость реального воздуха. Решения этих уравнений и результаты реального моделирования CFD дают прогнозы распределения давления, структуры воздушного потока и количественные результаты, которые являются основой для современных высокоразвитых конструкций самолетов. Тем не менее, они сами по себе не дают физического, качественного объяснения существования и возникновения подъёмной силы.

Однако в последние годы ведущий аэродинамик Даг Маклин попытался выйти за рамки чисто математического формализма и разобраться с физическими причинно-следственными соотношениями, которые являются источником подъема во всех его реальных проявлениях. Маклин, который провел большую часть своей профессиональной карьеры в качестве инженера в Boeing Commercial Airplanes, где он специализировался на разработке кода CFD, опубликовал свои новые идеи в 2012 году в тексте Понимание аэродинамики: рассуждения из реальной физики.

Учитывая, что книга охватывает более 500 страниц достаточно плотного технического анализа, удивительно, что она включает раздел (7.3.3) под названием "Основное объяснение подъемной силы на аэродинамической поверхности, доступной для нетехнической аудитории". Производство этих 16 страниц было непросто для Маклина, мастера темы; Действительно, это была "вероятно, самая тяжелая часть книги, чтобы написать", говорит автор. "Там было больше изменений, чем я могу считать. Я никогда не был полностью удовлетворен этим материалом".

 

[А.Веггер]

Сложное объяснение подъемной силы Маклин начинает с основного предположения всей обычной аэродинамики: воздух вокруг крыла действует как "непрерывный материал, который деформируется, чтобы следовать контурам аэродинамической поверхности". Эта деформация существует в виде глубокого потока текучей среды как над крылом, так и под ним. "Аэродинамика влияет на давление над широкой областью в том, что называется полем давления", - пишет Маклин. "При подъеме диффузное облако низкого давления всегда образуется над аэродинамической поверхностью, а диффузное облако высокого давления обычно образуется ниже. Когда эти облака касаются аэродинамической поверхности, они представляют собой разность давлений, которая вызывает подъем на аэродинамической поверхности ".

Крыло толкает воздух вниз, что приводит к повороту воздушного потока вниз. Воздух над крылом разгоняется в соответствии с принципом Бернулли. Кроме того, есть область высокого давления ниже крыла и область низкого давления выше. Это означает, что в объяснении подъемной силы McLean есть четыре необходимых компонента: поворот воздушного потока вниз, увеличение скорости воздушного потока, область низкого давления и область высокого давления.

Но именно взаимосвязь между этими четырьмя элементами является самым новым и отличительным аспектом предположений и расчетов Маклина . "Они поддерживают друг друга в взаимных причинно-следственных отношениях, и ни один не существует без остальных", - пишет он. "Перепады давления оказывают подъемное усилие на аэродинамическую поверхность, в то время как поворот потока вниз и изменения скорости потока поддерживают перепады давления". Именно эта взаимосвязь составляет пятый элемент объяснения Маклина: взаимность между остальными четырьмя. Как будто эти четыре компонента коллективно создают себя и поддерживают себя, одновременно совершая акты взаимного созидания и причинно-следственной связи.

Кажется, в этой синергии есть намек на магию. Процесс, который описывает Маклин, похоже, сродни четырем активным агентам, которые тянутся друг к другу, чтобы держать себя в воздухе коллективно. Или, как он признает, это случай "круговой причинно-следственной связи". Как каждый элемент взаимодействия может поддерживать и укреплять все остальные? А что вызывает это взаимное, обоюдное, динамичное взаимодействие? Ответ Маклина: второй закон движения Ньютона.

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение тела, или циркуляции жидкости, пропорционально силе, действующей на него. "Второй закон Ньютона говорит нам, что когда разность давлений накладывает чистую силу на текучую поверхность , она должна вызвать изменение скорости или направления (или обоих) движения этой жидкости", - объясняет Маклин. Но с другой стороны, разность давлений зависит от ускорения перемещения и существует из-за этого.

Разве мы ничего не получим? Маклин говорит "нет": если бы крыло было в состоянии покоя, никакой части этой группы взаимоподкрепляющих действий не существовало бы. Но тот факт, что крыло движется по воздуху, при этом каждая составляющая влияет на всех остальных, приводит эти согласные элементы к существованию и поддерживает их на протяжении всего полёта.

 

[А.Веггер]

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЗАИМНОСТИ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ

Вскоре после публикации "Понимание аэродинамики" Маклин понял, что не полностью учёл все элементы аэродинамического действия подъёмной силы, поскольку не стал убедительно объяснять, из-за чего давление на крыло меняется от окружающего. Так, в ноябре 2018 года Маклин опубликовал в журнале The Physics Teacher статью из двух частей, в которой предложил "комплексное физическое объяснение" действия аэродинамической подъемной силы.

Несмотря на то, что в статье в значительной степени повторяются предыдущие аргументы Маклина, он также пытается добавить лучшее объяснение того, что приводит к неравномерности поля давления, и принять физическую форму, которую он делает. В частности, его новый аргумент вводит взаимное взаимодействие на уровне поля потока, так что неоднородное поле давления является результатом приложенной силы, направленной вниз, приложенной к воздуху аэродинамической поверхностью.

Вопрос о том, являются ли положения раздела 7.3.3 Маклин и его последующие статьи успешными в плане представления полного и правильного отчета о подъеме, открыт для толкования и обсуждения. Есть причины, по которым трудно составить четкий, простой и удовлетворительный отчет аэродинамического подъема. Во-первых, потоки текучей среды сложнее и труднее понять, чем движения твердых объектов, особенно потоков текучей среды, которые отделяются у передней кромки крыла и подвергаются различным физическим силам вдоль верхней и нижней частей. Некоторые из споров, касающихся лифта, связаны не с самими фактами, а скорее с тем, каким образом эти факты должны толковаться, что может быть связано с вопросами, которые невозможно решить с помощью эксперимента.

 

[А.Веггер]

Тем не менее на данный момент существует лишь несколько нерешенных вопросов, требующих разъяснения. Подъем, как вы помните, является результатом разности давлений между верхней и нижней частями аэродинамической поверхности. У нас уже есть приемлемое объяснение тому, что происходит в нижней части аэродинамической поверхности: встречный воздух толкает на крыло как вертикально (производя подъем), так и горизонтально (производя сопротивление). Толчок вверх существует в виде более высокого давления ниже крыла, и это более высокое давление является результатом простого ньютоновского действия и реакции.

Однако в верхней части крыла все совсем по-другому. Там существует область более низкого давления, которая также является частью аэродинамической подъемной силы. Но если ни принцип Бернулли, ни третий закон Ньютона не объясняют этого, что делает? Мы знаем, что воздух над крылом плотно прилегает к нижней кривизне аэродинамической поверхности. Но почему участки воздуха, движущиеся по верхней поверхности крыла, должны следовать своей кривой вниз? Почему они не могут отделиться от него и лететь прямо назад?

Марк Дьюла, профессор гидродинамики Массачусетского технологического института и автор статьи "Аэродинамика летательных аппаратов", предлагает ответ: "Если бы посылки мгновенно вылетели с касательной к верхней поверхности аэродинамической поверхности, то под ними буквально образовался бы вакуум", - поясняет он. "Этот вакуум будет отсасывать посылки до тех пор, пока они не заполнят вакуум, т.е. до тех пор, пока они снова не переместятся по касательной к аэродинамической поверхности. Это физический механизм, который заставляет посылки перемещаться по форме аэродинамической поверхности. Остается небольшой частичный вакуум для сохранения участков на криволинейной траектории ".

 

[Юрий Ер]

О ..... похоже моя ветка обрела научный фундамент.
Написано много и на мой взгляд много воды. На самом деле на мой взгляд всё проще. То, что подъёмная сила это результат разницы давления под и над крылом это без спорно. Вызывает сомнение лишь почему это возникает. То, что старая версия верна это по моему тоже доказано так как все расчёты сейчас основаны на ней и они подтверждаются. Но в жизни всегда есть несколько путей которые приводят к одному результату. Посмотреть хотя бы на лыжника скользящего по водной глади. Верх лыжи в обще не омывается а он летит. Я склоняюсь к другому пути подъёмная сила суммарна. И основа это скоростной напор. Инерция покоя, которую чтобы сдвинуть нужно приложить усилие. Но масса инертна а значит закон действие равно противодействию. Сжатая пружина давит с той же силой с какой её сжимают.
Я плохой Оратор и не Марк и потому сильно распинаться не стану. Для меня нет секретов в этой области особенно до звуковых скоростей.

 

[henryk]

"Этот вакуум будет отсасывать посылки до тех пор, пока они не заполнят вакуум,

=вакуум по определению и своей физической сущности не может создавать
никакой силы,а тем самым выполнить какую-то работу (нпр. "засасывать") !

-подобно на кладбище менее опасно,чем на дароге...(духи даже шишку не набьют!)

 

[летавший, как то раз)))...]

"Этот вакуум будет отсасывать посылки до тех пор, пока они не заполнят вакуум, т.е. до тех пор, пока они снова не переместятся по касательной к аэродинамической поверхности.

🤓 🤓 🤓 Похоже, ваш

Марк Дьюла

искурил весь учебник физики до того как прочитал его, если так и не узнал, что такое вакуум и давление атмосфЭры, если так и не понял понятий о взаимодействиях их!!! 😂🤣😂😅

 

[А.Веггер]

Да я конечно вчера подустал под конец столько слов печатал целый день - но что выросло то выросло. Критиковать конечно все можно особенно если самому ничего делать не надо. Сейчас поутречку таки закончу этот перевод из кучмачки умных слов и наблюдений. Действительно очень интересная статья