Nikdo nedokáže vysvětlit, proč letadla zůstávají ve vzduchu

Einstein poté pokračoval vysvětlením, které předpokládalo nestlačitelné a bez tření tekutina – to je ideální tekutina. Aniž by zmínil Bernoulliho jménem, uvedl úvahu, která je v souladu s Bernoulliho principem, když řekl, že tlak kapaliny je vyšší tam, kde je jeho rychlost pomalejší, a naopak. Aby využil těchto tlakových rozdílů, navrhl Einstein profil křídla s výčnělkem nahoře, takže tvar by zvýšil rychlost proudění vzduchu nad výčnělkem, a tím také snížil tlak tam.

Einstein si pravděpodobně myslel, že jeho ideální- analýza tekutin by platila stejně dobře pro proudění tekutin v reálném světě. V roce 1917 Einstein na základě své teorie navrhl profil křídla, který se později stal známým jako kočičí zadní křídlo kvůli své podobnosti s hrbatým hřbetem roztahující se kočky. Návrh přinesl výrobci letadel LVG (Luftverkehrsgesellschaft) v Berlíně, který kolem něj postavil nový létající stroj. Zkušební pilot uvedl, že plavidlo se kolébalo ve vzduchu jako „těhotná kachna“. Mnohem později, v roce 1954, sám Einstein nazval svou exkurzi do letectví „mladistvou pošetilostí“. Jednotlivec, který nám dal radikálně nové teorie, které pronikly do nejmenší i největší složky vesmíru, přesto nedokázal pozitivně přispět k porozumění výtahu nebo přijít s praktickým designem profilu křídla.

Směrem k a Complete Theory of Lift

Současnými vědeckými přístupy k konstrukci letadel jsou provincie simulací výpočetní dynamiky tekutin (CFD) a takzvané Navier-Stokesovy rovnice, které plně zohledňují skutečnou viskozitu skutečného vzduchu . Řešení těchto rovnic a výstup simulací CFD přináší předpovědi rozložení tlaku, vzorce proudění vzduchu a kvantitativní výsledky, které jsou základem pro dnešní vysoce pokročilé konstrukce letadel. Přesto samy o sobě nepodávají fyzikální a kvalitativní vysvětlení výtahu.

V posledních letech se však přední aerodynamik Doug McLean pokoušel překročit pouhý matematický formalizmus a vyrovnat se s fyzickou příčinou – a efektové vztahy, které představují vzestup všech jejích projevů v reálném životě. McLean, který většinu své profesionální kariéry strávil jako inženýr v Boeing Commercial Airplanes, kde se specializoval na vývoj kódu CFD, publikoval své nové myšlenky v textu z roku 2012 Understanding Aerodynamika: Arguing from the Real Physics.

Zvažování že kniha obsahuje více než 500 stránek poměrně husté technické analýzy, je překvapivé, že obsahuje část (7.3.3) nazvanou „Základní vysvětlení výtahu na profilu křídla, přístupné netechnickému publiku.“ Produkovat těchto 16 stránek nebylo pro McLeana, mistra oboru, snadné; skutečně to byla „pravděpodobně nejtěžší část knihy,“ píše autor. „Viděl více revizí, než dokážu spočítat. Nikdy jsem s tím nebyl úplně spokojený.“

McLeanovo komplexní vysvětlení výtahu začíná základním předpokladem veškeré běžné aerodynamiky: vzduch kolem křídla funguje jako „a spojitý materiál, který se deformuje a sleduje obrysy profilu křídla. “ Tato deformace existuje ve formě hlubokého pruhu proudění tekutiny nad i pod křídlem. „Profil křídla ovlivňuje tlak v široké oblasti v tzv. Tlakovém poli,“ píše McLean. „Když je vytvořen vztlak, nad profilem křídla se vždy vytvoří difuzní mrak nízkého tlaku a pod ním se obvykle vytvoří difuzní mrak vysokého tlaku. . Tam, kde se tyto mraky dotýkají profilu křídla, tvoří tlakový rozdíl, který působí vztlak na profilu křídla. “

Křídlo tlačí vzduch dolů, což má za následek otočení proudu vzduchu směrem dolů. Vzduch nad křídlem je urychlován v souladu s Bernoulliho principem. Kromě toho je pod křídlem oblast vysokého tlaku a výše oblast nízkého tlaku. To znamená, že v McLeanově vysvětlení výtahu existují čtyři nezbytné součásti: otočení proudu vzduchu směrem dolů, zvýšení rychlosti proudění vzduchu, oblast nízkého tlaku a oblast vysokého tlaku.

Ale je to vzájemný vztah mezi těmito čtyřmi prvky, který je nejnovějším a nejvýraznějším aspektem účtu McLeana. „Podporují se navzájem ve vzájemném vztahu příčin a následků a žádný by neexistoval bez ostatních,“ píše. „Tlakové rozdíly vyvíjejí zdvihovou sílu na profil křídla, zatímco otáčení toku dolů a změny v rychlost průtoku udržuje tlakové rozdíly.„Právě tento vzájemný vztah představuje pátý prvek McLeanova vysvětlení: vzájemnost mezi ostatními čtyřmi. Je to, jako by se tyto čtyři složky společně vytvořily a udržovaly se současnými akty vzájemného vytváření a příčin.

Zdá se, že v této synergii existuje náznak magie. Zdá se, že proces, který McLean popisuje, je podobný čtyřem aktivním agentům, kteří si navzájem přitahují bootstrapy, aby se společně udrželi ve vzduchu. Nebo, jak uznává, jde o případ „kruhové příčiny a následku“. Jak je možné, aby každý prvek interakce udržoval a posiloval všechny ostatní? A co způsobuje tuto vzájemnou, vzájemnou, dynamickou interakci? McLeanova odpověď: Newtonův druhý zákon pohybu.

Newtonův druhý zákon říká že zrychlení tělesa nebo části kapaliny je úměrné síle na ni vyvíjené. “Druhý Newtonův zákon nám říká, že když tlakový rozdíl vloží čistou sílu na kapalinu, musí způsobit změnu rychlosti nebo směr (nebo oba) pohybu zásilky, “vysvětluje McLean. Ale recipročně tlakový rozdíl závisí na a existuje kvůli zrychlení balíku.

Nezískáváme zde něco za nic? McLean říká, že ne: Pokud by křídlo bylo v klidu, neexistovala by žádná část tohoto shluku vzájemně se posilující činnosti. Ale skutečnost, že křídlo se pohybuje vzduchem, přičemž každá část ovlivňuje všechny ostatní, tyto spoluzávislé prvky vytváří a udržuje je po celý let.

Zapnutí vzájemnosti vztlaku

Brzy po vydání publikace Understanding Aerodynamics si McLean uvědomil, že plně nepočítal se všemi prvky aerodynamického zdvihu, protože přesvědčivě nevysvětlil, co způsobuje změnu tlaku na křídle z okolního prostředí. V listopadu 2018 tedy McLean publikoval dvoudílný článek v The Physics Teacher, ve kterém navrhl „komplexní fyzikální vysvětlení“ aerodynamického výtahu.

Ačkoli tento článek do značné míry přebírá dřívější argumentaci McLeana, je také se pokouší přidat lepší vysvětlení toho, co způsobuje, že tlakové pole je nerovnoměrné, a předpokládat fyzický tvar, který dělá. Zejména jeho nový argument zavádí vzájemnou interakci na úrovni tokového pole, takže nerovnoměrné tlakové pole je výsledkem aplikované síly, síla dolů vyvíjená na křídlo křídla.

Zda McLeanův oddíl 7.3.3 a jeho následný článek jsou úspěšní při poskytování úplného a správného popisu výtahu, lze interpretovat a debata. Existují důvody, proč je obtížné vytvořit jasný, jednoduchý a uspokojivý popis aerodynamického vztlaku. Za prvé, proudění tekutin je složitější a těžko pochopitelné než pohyby pevných předmětů, zejména tekutin. toky, které se oddělují na náběžné hraně křídla a jsou vystaveny různým fyzickým silám podél horní a dolní části. Některé spory týkající se výtahů se netýkají samotných faktů, nýbrž spíše toho, jak mají být tyto skutečnosti interpretovány, což může zahrnovat problémy, o nichž není možné rozhodnout experimentem.

Nicméně v tomto okamžiku existuje jen několik nevyřešené záležitosti, které vyžadují vysvětlení. Výtah, jak si vzpomenete, je výsledkem tlakových rozdílů mezi horní a spodní částí profilu křídla. Již máme přijatelné vysvětlení toho, co se děje ve spodní části profilu křídla: přicházející vzduch tlačí na křídlo svisle (produkuje vztlak) i horizontálně (produkuje odpor). Tlak nahoru existuje ve formě vyššího tlaku pod křídlem a tento vyšší tlak je výsledkem jednoduché newtonovské akce a reakce.

V horní části křídla se však věci zcela liší. Existuje oblast s nižším tlakem, která je také součástí aerodynamické zvedací síly. Ale pokud to nevysvětlí ani Bernoulliho princip, ani Newtonův třetí zákon, co dělá? Z proudnic víme, že vzduch nad křídlem těsně přilne k zakřivení křídla dolů. Ale proč musí částice vzduchu pohybující se po horním povrchu křídla sledovat jeho zakřivení směrem dolů? Proč se od toho nemohou oddělit a letět rovnou zpět?

Mark Drela, profesor dynamiky tekutin na Massachusetts Institute of Technology a autor Aerodynamiky letových vozidel, nabízí odpověď: „Pokud balíčky na okamžik odletěl tečně k hornímu povrchu profilu křídla, doslova by se pod nimi vytvořilo vakuum, „vysvětluje.„ Toto vakuum by pak vysávalo balíčky, dokud by většinou nevyplňovaly vakuum, tj. dokud by se znovu nedostaly tečně k profilu křídla . Jedná se o fyzický mechanismus, který nutí balíky pohybovat se po tvaru profilu křídla. K udržení balíků v zakřivené dráze zůstává mírné částečné vakuum. “

Toto odtažení nebo stáhnutí těchto leteckých balíků ze sousedních balíků výše je to, co vytváří oblast nižšího tlaku na křídle.Tuto akci však doprovází i další efekt: vyšší rychlost proudění vzduchu na vrcholu křídla. „Snížený tlak na zvedací křídlo také„ táhne vodorovně “na letecké parcely, když se přibližují od horního toku, takže mají vyšší rychlost, než dorazí nad křídlo,“ říká Drela. „Takže zvýšená rychlost nad zvedacím křídlem lze na něj pohlížet jako na vedlejší účinek sníženého tlaku. “

Ale jako vždy, pokud jde o vysvětlení zdvihu na netechnické úrovni, jiný odborník bude mít jinou odpověď. Cambridge aerodynamicist Babinsky říká: „Nerad nesouhlasím se svým váženým kolegem Markem Drelou, ale pokud by vysvětlení bylo vytvořeno vakuum, pak je těžké vysvětlit, proč se tok někdy oddělí od povrchu. Ale má pravdu v všechno ostatní. Problém je v tom, že neexistuje rychlé a snadné vysvětlení. “

Drela sám připouští, že jeho vysvětlení je v některých ohledech neuspokojivé.“ Jedním zjevným problémem je, že neexistuje žádné vysvětlení, které by bylo všeobecně přijímáno. ,“ on říká. Kde nás to tedy opustí? Ve skutečnosti právě tam, kde jsme začali: s Johnem D. Andersonem, který prohlásil: „Na to neexistuje jednoduchá odpověď.“