Wie Ebene arbeiten, die Wissenschaft des Fluges - Erklären Sie, dass Stuff
W e dauern, bis es selbstverständlich, dass wir von einer Seite der Welt zum anderen in einer Angelegenheit von Stunden, aber vor einem Jahrhundert diese erstaunliche Fähigkeit zu Rennen durch die Luft nur gerade entdeckt worden war fliegen kann. Was würde die Gebrüder Wright-Pioniere des Motorflugs-make einer Zeit, in der so etwas wie 100.000 Flugzeuge in den Vereinigten Staaten allein jeden Tag in den Himmel nehmen? Sie würden staunen, natürlich, und erfreut zu. Dank ihrer erfolgreichen Experimente mit Motorflug wird das Flugzeug zu Recht als eine der größten Erfindungen aller Zeiten anerkannt. Werfen wir einen genaueren Blick auf, wie es funktioniert!
Foto: Sie brauchen große Flügel eine große Ebene wie diese US Air Force C-17 Globemaster zu heben. Die Flügel sind 51.75m (169ft) breit, das ist nur etwas weniger als die Körperlänge Ebene 53m (174ft). Das maximale Startgewicht wird 265,352kg (585,000lb), etwa so viel wie 40 erwachsene Elefanten! Foto von Jeremy Lock mit freundlicher Genehmigung von der US Air Force.
Wie fliegen Flugzeuge?
Wenn Sie jemals ein Flugzeug abheben oder kommen in Land, das erste, was beobachtet haben, werden Sie vielleicht bemerkt haben, ist der Lärm der Motoren. Jet-Motoren. Welches sind lange Metallrohre einen kontinuierlichen Ansturm von Brennstoff und Luft brennen, sind weit lauter (und viel mächtiger) als herkömmliche Propellermotoren. Man könnte denken, Motoren der Schlüssel, um ein Flugzeug fliegen, aber Sie würden sich irren. Die Dinge können ohne Motoren ganz glücklich fliegen, wie Segelflugzeuge (Flugzeuge ohne Motoren), Papierflieger, und zwar gleiten Vögel zeigen uns leicht.
Foto: Vier Kräfte wirken auf ein Flugzeug im Flug. Als das Flugzeug horizontal mit einer konstanten Geschwindigkeit fliegt, heben Sie von den Flügeln genau das Flugzeugs gleicht Gewicht und der Schub genau balanciert den Widerstand. Doch während des Starts oder wenn das Flugzeug in dem Himmel zu klettern versucht (wie hier dargestellt), der Schub der Triebwerke drängen übersteigt das Flugzeug nach vorne den Widerstand (Luftwiderstand) zieht es zurück. Dadurch entsteht eine Auftriebskraft, größer als das Gewicht des Flugzeugs, welche Befugnisse die Ebene höher in den Himmel. Foto von Nathanael Callon mit freundlicher Genehmigung von der US Air Force.
Wenn Sie versuchen, zu verstehen, wie Flugzeuge fliegen, müssen Sie über den Unterschied zwischen den Motoren klar sein, und die Flügel und die verschiedenen Jobs, die sie tun. Ist ein Flugzeug-Motoren sind sie mit hohen Geschwindigkeit vorwärts zu bewegen. Das macht Luftstrom schnell über die Flügel, die die Luft nach unten auf den Boden werfen, eine nach oben gerichtete Kraft erzeugt, genannt Lift, der die Flugzeuggewicht überwindet und hält sie in den Himmel. So ist es die Motoren, die eine Ebene vorwärts zu bewegen. während die Flügel es nach oben zu bewegen.
Wie Flügel Aufzug?
In einem Satz, Flügel machen Auftrieb durch die Richtung und den Druck der Luft zu ändern, die in sie stürzt wie die Motoren sie durch den Himmel schießen.
Druckunterschiede
Okay, so sind die Flügel der Schlüssel, um etwas fliegen, aber wie funktionieren sie? Die meisten Flugzeugflügel eine gekrümmte obere Fläche und eine flachere untere Fläche, eine Querschnittsform macht ein Strömungsprofil genannt (oder Tragflügel, wenn Sie Briten sind):
In vielen wissenschaftlichen Büchern und Web-Seiten finden Sie eine falsche Erklärung, wie ein Strömungsprofil wie dies erzeugt Auftrieb lesen. Es geht so: Wenn Luft über die gekrümmte obere Flügelfläche Binsen, hat es sich weiterhin als die Luft zu reisen, die unterhalb passiert, so hat es schneller zu gehen (mehr Abstand in der gleichen Zeit zu decken). Nach dem Prinzip der Aerodynamik Gesetz von Bernoulli, mir schnell bewegenden Luft genannt ist bei niedrigerem Druck als langsam bewegende Luft, so dass der Druck über dem Flügel niedriger ist als der Druck unter, und das schafft den Lift nach oben der Ebene, die Kräfte.
Obwohl diese Erklärung, wie sich Flügel Arbeit weit wiederholt, es ist falsch: es die richtige Antwort gibt, aber für völlig falschen Gründen! Denken Sie darüber für einen Moment, und Sie werden sehen, dass, wenn es wahr wäre, akrobatische Flugzeuge nicht auf dem Kopf fliegen könnte. ein Flugzeug über Flipping würde „downlift“ produzieren und es krachend zu Boden schicken. Nicht nur das, sondern es durchaus möglich ist, Flugzeuge zu entwerfen mit Tragflügeln, die symmetrisch (Blick von oben dem Flügel) sind und sie noch Auftrieb erzeugen. Zum Beispiel Papierflugzeuge (und aus dünnem Balsaholz ist) erzeugen Auftrieb, obwohl sie flach Flügel haben.
„Die beliebte Erklärung des Auftriebs ist üblich, schnell, klingt logisch und gibt die richtige Antwort, doch führt auch Missverständnisse, verwendet ein unsinniges physikalisches Argument und ruft misleadingly Bernoulli-Gleichung.“
Professor Holger Babinsky, Universität von Cambridge
Aber die Standard-Erklärung des Lifts ist für eine anderen wichtigen Grund auch problematisch: die Luftaufnahmen über den Flügel nicht in Schritt bleiben muss mit der Luft unter ihm gehen, und nichts sagt, dass es einen größeren Abstand in der gleichen Zeit zu reisen hat . Stellen Sie sich zwei Luftmoleküle an der Vorderseite des Flügels ankommende und zu trennen, so schießt man über die Spitze und die anderen Pfeife gerade unter dem Boden. Es gibt keinen Grund, warum diese beiden Moleküle an genau die gleiche Zeit am hinteren Ende des Flügels kommen: sie mit anderen Luftmolekülen statt treffen könnten. Dieser Fehler in der Standard-Erklärung eines Flügel geht durch den technischen Namen der „equal Transit Theorie.“ Das ist nur ein ausgefallener Name für die (falsche) Vorstellung, dass der Luftstrom auseinander an der Vorderseite des Flügels spaltet und ordentlich wieder auf der Rückseite trifft sich.
Was ist also die wirkliche Erklärung? Als gekrümmter Tragflügel durch die Luft fliegt, lenkt es Luft und verändert den Luftdruck oberhalb und unterhalb davon. Das ist intuitiv klar. Denken Sie, wie es sich anfühlt, wenn man langsam durch einen Pool gehen und die Kraft des Wassers spüren Druck gegen Ihren Körper: Ihr Körper den Fluss des Wassers wird umgeleitet, wenn er durch sie drückt, und ein Tragflügel macht das Gleiche (viel mehr dramatisch -weil das ist, was es ist entworfen, zu tun). Als eine Ebene nach vorn fliegt, verringert sich die gekrümmten oberen Teil des Flügels, die Druckluft direkt darüber, so nach oben bewegt es sich.
Wie Tragflächenflügel erzeugen Lift # 1: Ein Strömungsprofil der einströmenden Luft aufteilt auseinander, senkt den Druck des oberen Luftstrom und beschleunigt nach unten die beiden Luftströme. Da die Luft nach unten beschleunigt, bewegen sich nach oben die Flügel (und die Ebene). Je mehr ein Strömungsprofil des Weg der ankommenden Luft ablenkt, hebt desto mehr erzeugt.
Wenn Sie schon einmal in der Nähe von einem Hubschrauber stehen. Sie wissen genau, wie es in dem Himmel bleibt: Es schafft einen riesigen „Abwind“ (nach unten bewegendem Entwurf) der Luft, die ihr Gewicht ausgleicht. Hubschrauberrotoren sind sehr ähnlich zu dem Flugzeug Tragflügel, sondern drehen sich im Kreis statt vorwärts in einer geraden Linie bewegt, wie die, die auf einer Ebene. Trotzdem Flugzeuge Abwind schaffen, in genau der gleichen Weise wie Hubschrauber-es ist nur, dass wir nicht bemerken. Der Abwind ist nicht so offensichtlich, aber es ist genauso wichtig, wie es mit einem Chopper ist.
Wie Tragflächenflügel erzeugen Lift # 2: Die gekrümmte Form eines Flügels mit einer Fläche von niedrigem Druck schafft darüber bis (rot), die Auftrieb erzeugt. Der Niederdruck macht Luft über den Flügel beschleunigen, und die gekrümmte Form des Flügels (und der höhere Luftdruck deutlich über dem veränderten Luftstrom) Kräfte, die Luft in einen leistungsfähigen Abwind, auch das Flugzeug nach oben drücken. Diese Animation zeigt, wie die verschiedenen Anstellwinkel (der Winkel zwischen dem Flügel und der einströmenden Luft) über einen Flügel den Niederdruckbereich ändern, und den Aufzug macht. Wenn ein Flügel flach ist, erzeugt seine gekrümmte obere Fläche einen bescheidenen Bereich niedrigen Drucks und eine geringe Menge des Heber (rot). Da der Angriffswinkel zunimmt, erhöht sich dramatisch die lift-zu bis zu einem Punkt, wenn das Flugzeug Erhöhung drag Strömungsabriß macht (siehe unten). Wenn wir die Flügel nach unten kippen, erzeugen wir niedrigeren Druck unter es, das Flugzeug fallen zu machen. Basierend auf Aerodynamik. ein Public Domain Ist Department Schulungsfilm aus dem Jahr 1941.
Sie fragen sich vielleicht, warum die Luft hinter einem Flügel überhaupt fließt. Warum zum Beispiel nicht traf es die Vorderseite der Flügel, Kurve über die Spitze, und dann horizontal weitermachen? Warum gibt es einen Abwind und nicht nur eine horizontale „Rückspül“? Denken Sie zurück an unserer bisherigen Diskussion des Drucks: ein Flügel senkt den Luftdruck unmittelbar darüber. Weiter oben, was deutlich über der Ebene, die Luft nach wie vor mit seinem normalen Druck, der über dem Flügel unmittelbar höher als die Luft ist. So ist die normale Druckluft deutlich über dem Flügel drückt auf der untere Druckluft nach unten unmittelbar darüber, effektiv „spritz“ Luft nach unten und hinter dem Flügel in einer Rückspül. Mit anderen Worten, dass die Druckdifferenz ein Flügel erzeugt und die Abwind der Luft dahinter sind nicht zwei getrennte Dinge, sondern alle Bestandteil des gleichen Effekts: eine abgewinkelte Tragflügel eine Druckdifferenz erzeugt, die einen Abwind macht, und dies erzeugt Aufzug.
Wie viel Lift kann man machen?
Im Allgemeinen folgt die Luft strömt über die Ober- und Unterseite eines Flügels die Kurve der Flügelflächen sehr eng, wie Sie es vielleicht folgen, wenn Sie mit einem Stift seine Umrisse wurden verfolgt. Aber als der Anstellwinkel steigt, beginnt der glatte Luftstrom hinter dem Flügel zu brechen und stärker turbulent und reduziert den Auftrieb. In einem bestimmten Winkel (im allgemeinen rund etwa 15 °, obwohl er variiert), die Luft nicht mehr fließt reibungslos um den Flügel. Es gibt einen großen Anstieg des Widerstands, eine große Reduktion des Auftriebs, und das Flugzeug wird gesagt, Stillstand gekommen sein. Das ist ein etwas verwirrend Begriff, weil die Motoren Laufen halten und das Flugzeug hält fliegen; Stall einfach bedeutet einen Verlust des Auftriebs.
Foto: Wie ein Flugzeug Stände: Hier ist ein Tragflügel in einem Windkanal, die entgegenkommende Luft in einem steilen Anstellwinkel gegenüber. Sie können von rechts und abweichenden um die Flügel nähern Linien verrauchte Luft sehen, wie sie nach links zu bewegen. Normalerweise würden die Luftlinien sehr eng an der Form (Profil) des Flügels folgen. Hier wegen des steilen Anstellwinkel, der Luftstrom hinter dem Flügel hat und die Turbulenz und drag ausgesondert wurden signifikant erhöht. Ein Flugzeug wie diese fliegen würde einen plötzlichen Verlust des Auftriebs erleben, was wir als „Stall.“ Foto mit freundlicher Genehmigung von NASA Langley Research Center.
Es überrascht nicht, je größer die Flügel, desto mehr Auftrieb sie schaffen: eine Verdoppelung der Fläche eines Flügels (das ist der flache Bereich, den Sie sehen Blick von oben) verdoppelt sowohl den Lift und ziehen Sie ihn macht. Deshalb gigantische Flugzeuge (wie die C-17 Globemaster in unserem Foto oben) gigantische Flügel haben. Aber kleine Flügel können auch sehr viel Auftrieb erzeugen, wenn sie schnell genug bewegen. Um beim Start mehr Auftrieb zu erzeugen, Flugzeuge haben Klappen auf ihren Flügeln sie erweitern können, um unten mehr Luft zu schieben. Auftrieb und Widerstand variieren mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, so dass, wenn ein Flugzeug doppelt so schnell geht, in Bezug auf den entgegenkommenden Luft, seine Flügel erzeugen viermal so viel Auftrieb (und ziehen). Hubschrauber eine riesige Menge an Auftrieb erzeugen durch ihre Rotorblätter Spinnen (im Wesentlichen dünnen Flügel, die in einem Kreis drehen) sehr schnell.
Flügel Wirbel
Jetzt hat ein Flugzeug nicht Luft nach unten dahinter in eine völlig sauberen Art und Weise werfen. (Man könnte sich vorstellen, zum Beispiel jemand eine große Kiste von Luft aus der Hintertür eines Militärtransporter schieben, so dass es gerade nach unten fällt. Aber es funktioniert nicht ganz so!) Jeder Flügel Luft tatsächlich sendet nach unten durch eine machen Spinnwirbel (eine Art Mini-Tornado) unmittelbar dahinter. Es ist ein bisschen, wie wenn man in einem Bahnhof auf einem Bahnsteig stehen und einen High-Speed-Zug vorbei rauscht, ohne anzuhalten, so dass, was in seinem Gefolge wie ein großes Saugen Vakuum anfühlt. Mit einer Ebene, ist der Wirbel eine recht komplexe Form und das meiste davon bewegt sich nach unten, aber nicht alle. Es gibt einen riesigen Luftzug in der Mitte nach unten bewegen, aber etwas Luft tatsächlich wirbelt nach oben auf beiden Seiten der Flügelspitzen, die Verringerung Aufzug.
Wie lenken Flugzeuge?
Was ist Lenkung?
Lenkung alles-aus einem Skateboard oder ein Fahrrad, ein Auto oder ein Jumbo-Jet-bedeutet, dass Sie die Richtung ändern, in dem er reist. In wissenschaftlicher Hinsicht etwas sich ändernden Fahrrichtung bedeutet, dass Sie die Geschwindigkeit ändern. Das ist die Geschwindigkeit, sie in einer bestimmten Richtung hat. Auch wenn es mit der gleichen Geschwindigkeit geht, wenn Sie die Fahrtrichtung ändern, ändern Sie die Geschwindigkeit. etwas die Geschwindigkeit ändern (einschließlich der Fahrtrichtung) bedeutet, dass Sie es beschleunigen. Auch hier ist es egal, wenn die Geschwindigkeit gleich bleibt: eine Richtungsänderung bedeutet immer eine Änderung der Geschwindigkeit und eine Beschleunigung. Newtonsche Gesetze sagen uns, dass Sie nur etwas beschleunigen können (seine Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung ändern), indem eine Kraft, mit anderen Worten, durch Drücken oder es irgendwie zu ziehen. Um es kurz zu machen, wenn Sie etwas, das man eine Kraft auf sie anwenden müssen, lenken wollen.
Foto: Lenkung eine Ebene, die durch Bank in einem steilen Winkel. Foto von Ben Bloker mit freundlicher Genehmigung von der US Air Force.
Lenkung in der Theorie
Kunstwerk: Wenn ein Flugzeug Banken, die erzeugte Auftrieb durch seine Flügel kippt in einem Winkel. Die meisten der Aufzug nach oben wirkt noch, aber einige neigt zu einer Seite, die Zentripetalkraft, vorausgesetzt, das Flugzeug steer im Kreis macht. Je steiler der Winkel der Bank, desto mehr wird der Aufzug auf die Seite gekippt wird, desto weniger nach oben gerichtete Kraft ist, das Gewicht auszubalancieren, und desto größer ist der Verlust der Höhe (es sei denn der Pilot kompensiert).
Lenkung in der Praxis
Es gibt eine Lenksteuerung im Cockpit, aber das ist das einzige, was ein Flugzeug mit einem Auto gemeinsam hat. Wie lenken Sie etwas, das mit hohen Geschwindigkeit durch die Luft fliegt? Einfach! Sie machen den Luftstrom in einer anderen Art und Weise über die Flügel auf jeder Seite. Flugzeuge sind auf und ab bewegt, gesteuert von einer Seite zur anderen, und zum Stillstand gebracht, durch eine komplexe Sammlung von Klappen genannten Steuerflächen an den Vorder- und Hinterkanten der Flügel und des Schwanzes bewegt. Diese werden als Querruder, Höhenruder, Seitenruder, Spoiler und Luftbremsen. Jetzt ein Flugzeug fliegen ist sehr komplex, und ich bin kein Pilotenhandbuch hier schreiben: dies ist nur eine sehr grundlegende Einführung in die Wissenschaft der Kräfte und Bewegung, wie sie für Flugzeuge gelten. Für einen einfachen Überblick über alle anderen Ebene steuert und wie sie funktionieren, werfen Sie einen Blick auf Wikipedia Artikel über Steuerflächen. NASA grundlegende Einführung in die Flucht hat eine gute Zeichnung von Flugzeug-Cockpit steuert und wie Sie verwenden sie ein Flugzeug zu steuern. Sie werden viel mehr Details in dem offiziellen FAA Pilotenhandbuch des Luftfahrt Wissens (Kapitel 6 behandelt die Flugsteuerung) finden.
Eine Möglichkeit, Steuerflächen zu verstehen, ist es, sich ein Papierflugzeug und Experiment zu bauen. Zuerst bauen Sie sich eine grundlegende Papierebene und stellen Sie sicher, dass es in einer geraden Linie fliegt. Dann schneiden oder die Rückseite der Flügel rippen einige Querruder zu machen. Kippen sie nach oben und unten und sehen, welche Wirkung sie in verschiedenen Positionen haben. Kippen Sie eine nach oben und eine nach unten und sehen, welchen Unterschied das macht. Dann versuchen Sie eine neue Ebene mit einem Flügel größer als die andere zu machen (oder schwerer, durch Büroklammern Zugabe). Die Art und Weise ein Papierflugzeug Lenk zu machen, ist ein Flügel zu bekommen, um mehr Auftrieb als die Erzeugung anderer-und Sie können in allen Arten von verschiedenen Möglichkeiten, dies zu tun!
Weitere Teile einer Ebene
Hier sind einige andere wichtige Teile der Flugzeuge:
- Treibstofftanks. Sie benötigen Kraftstoff plan viel davon zu versorgen. Ein Airbus A380 hält über 310.000 Liter (82.000 Gallonen) Kraftstoff, die etwa 25.000 mal so viel wie ein typisches Auto ist! Der Kraftstoff ist sicher innerhalb des Flugzeugs riesigen Flügel verpackt.
- Fahrwerk. Flugzeuge starten und landen auf stabile Räder und Reifen, die in das Fahrwerk schnell zurückgezogen werden (die Flugzeugunterboden) durch Hydraulikzylinder ziehen (Luftwiderstand) zu reduzieren, wenn sie in den Himmel sind.
- Radio und Radar. Die Gebrüder Wright hatten ihre Pionier Kitty Hawk Flugzeug vollständig von den Augen zu fliegen. Das spielte keine Rolle, weil es in der Nähe der Erde flog, blieb in der Luft nur 12 Sekunden, und es gab keine andere Ebene zu kümmern! In diesen Tagen werden die Himmel mit Flugzeugen gepackt, die von Tag zu fliegen, in der Nacht und in allen Arten von Wetter. Radio. Radar. und Satellitensysteme sind von wesentlicher Bedeutung für die Navigation.
- Druckkabinen. Der Luftdruck fällt mit der Höhe über der Erdoberfläche, das ist, warum Bergsteiger Sauerstoffflaschen verwenden, müssen extreme Höhen zu erreichen. Der Gipfel des Mount Everest ist knapp 9 km (5,5 Meilen) über den Meeresspiegel, aber Jet-Flugzeuge fliegen regelmäßig in größeren Höhen als diese und Militärflugzeuge haben fast dreimal geflogen höher! Deshalb Passagierflugzeuge Kabinen unter Druck gesetzt haben: diejenigen, in die erwärmte Luft ständig gepumpt wird, damit die Menschen richtig atmen können. Militärpiloten vermeiden, das Problem durch Gesichtsmasken und unter Druck gesetzt Körperanzüge.
Anerkennungen
Ich bin sehr dankbar, dass Steve Noskowicz für wertvolle Hilfe bei der Raffinierung und die Verbesserung meiner Erklärung, wie Flügel Auftrieb erzeugen.