Ingen kan forklare, hvorfor fly forbliver i luften

Einstein fortsatte derefter med at give en forklaring, der antog en ukomprimerbar, gnidningsfri væske – det vil sige en ideel væske. Uden at nævne Bernoulli ved navn gav han en redegørelse, der er i overensstemmelse med Bernoullis princip, ved at sige, at væsketrykket er større, hvor dets hastighed er langsommere, og omvendt. For at drage fordel af disse trykforskelle foreslog Einstein en flyvefolie med en bule ovenpå, således at formen ville øge luftstrømshastigheden over buen og dermed mindske trykket der også.

Einstein mente sandsynligvis, at hans ideal- væskeanalyse ville gælde lige så godt for virkelige væskestrømme. I 1917 designede Einstein på baggrund af sin teori en bæreflade, der senere blev kendt som en katsrygg-fløj på grund af dens lighed med den bukkede ryg af en strækkende kat. Han bragte designet til flyproducenten LVG (Luftverkehrsgesellschaft) i Berlin, som byggede en ny flyvemaskine omkring det. En testpilot rapporterede, at fartøjet vandrede rundt i luften som “en gravid and”. Længe senere, i 1954, kaldte Einstein selv sin udflugt til luftfart en “ungdommelig dårskab.” Det individ, der gav os radikalt nye teorier, der trængte ind i både de mindste og de største komponenter i universet, undlod ikke desto mindre at yde et positivt bidrag til forståelsen af løft eller at komme med et praktisk design af flyvefolien.

Mod a Complete Theory of Lift

Moderne videnskabelige tilgange til flydesign er provinsen beregningsfluid dynamics (CFD) simuleringer og de såkaldte Navier-Stokes ligninger, der tager fuldt hensyn til den faktiske viskositet af ægte luft . Løsningerne til disse ligninger og output fra CFD-simuleringer giver forudsigelser om trykfordeling, luftstrømningsmønstre og kvantitative resultater, der er grundlaget for nutidens meget avancerede flydesign. Alligevel giver de ikke i sig selv en fysisk, kvalitativ forklaring på løft.

I de senere år har den førende aerodynamiker Doug McLean imidlertid forsøgt at gå ud over ren matematisk formalisme og få fat i den fysiske årsag- og effekt-forhold, der tegner sig for løft i alle dens virkelige manifestationer. McLean, der tilbragte det meste af sin professionelle karriere som ingeniør hos Boeing Commercial Airplanes, hvor han specialiserede sig i CFD-kodeudvikling, offentliggjorde sine nye ideer i 2012-teksten Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Overvejer at bogen løber på mere end 500 sider med temmelig tæt teknisk analyse, er det overraskende at se, at den indeholder et afsnit (7.3.3) med titlen “En grundlæggende forklaring på løft på en bæreflade, tilgængelig for et ikke-teknisk publikum.” At producere disse 16 sider var ikke let for McLean, en mester i emnet; det var faktisk “sandsynligvis den sværeste del af bogen at skrive,” siger forfatteren. “Det så flere revisioner, end jeg kan tælle. Jeg var aldrig helt tilfreds med det.”

McLeans komplekse forklaring på lift starter med den grundlæggende antagelse om al almindelig aerodynamik: luften omkring en fløj fungerer som “en kontinuerligt materiale, der deformeres for at følge bølgeformens konturer. ” Denne deformation findes i form af en dyb strøm af væskestrøm både over og under vingen. ”Airfoilen påvirker trykket over et bredt område i det, der kaldes et trykfelt,” skriver McLean. ”Når der produceres løft, dannes der altid en diffus sky med lavt tryk over flyfolien, og en diffus sky af højt tryk dannes normalt under . Når disse skyer rører ved bærefladen, udgør de den trykforskel, der udøver løft på båndet. ”

Vingen skubber luften ned, hvilket resulterer i en nedadgående drejning af luftstrømmen. Luften over vingen fremskyndes i overensstemmelse med Bernoullis princip. Derudover er der et område med højt tryk under vingen og et område med lavt tryk over. Dette betyder, at der er fire nødvendige komponenter i McLeans forklaring af løft: en nedadgående drejning af luftstrømmen, en stigning i luftstrømens hastighed, et område med lavt tryk og et område med højt tryk.

Men det er det indbyrdes forhold mellem disse fire elementer, der er det mest nye og særprægede aspekt af McLeans beretning. ”De støtter hinanden i et gensidigt forhold mellem årsag og virkning, og ingen ville eksistere uden de andre,” skriver han. ”Trykforskellene udøver løftkraften på bærefladen, mens strømmen vender nedad og ændringer i flowhastighed opretholder trykforskellene.”Det er denne indbyrdes sammenhæng, der udgør et femte element i McLeans forklaring: gensidigheden blandt de andre fire. Det er som om disse fire komponenter kollektivt bringer sig selv til og opretholder sig selv ved samtidige handlinger af gensidig skabelse og årsagssammenhæng.

Der synes at være et strejf af magi i denne synergi. Processen, som McLean beskriver, ligner fire aktive agenter, der trækker hinandens bootstraps op for at holde sig i luften kollektivt. Eller som han erkender, er det et tilfælde af “cirkulær årsag og virkning.” Hvordan er det muligt for hvert element af interaktionen at opretholde og forstærke alle de andre? Og hvad forårsager denne gensidige, gensidige, dynamiske interaktion? McLeans svar: Newtons anden bevægelseslov.

Newtons anden lov siger at accelerationen af et legeme eller en væskepakke er proportional med den kraft, der udøves på det. “Newtons anden lov fortæller os, at når en trykforskel pålægger en nettokraft på en fluidpakke, skal den medføre en ændring i hastigheden eller retning (eller begge dele) af pakkens bevægelse, ”forklarer McLean. Men gensidigt afhænger trykforskellen af og eksisterer på grund af pakkens acceleration.

Får vi ikke noget for ingenting her? McLean siger nej: Hvis vingen var i ro, ville ingen del af denne klynge af gensidigt forstærkende aktivitet eksistere. Men det faktum, at vingen bevæger sig gennem luften, hvor hver pakke påvirker alle de andre, bringer disse medafhængige elementer i eksistens og opretholder dem under hele flyvningen.

At tænde for gensidigheden af lift

Kort efter offentliggørelsen af Understanding Aerodynamics indså McLean, at han ikke fuldt ud havde taget højde for alle elementerne i aerodynamisk lift, fordi han ikke overbevisende forklarede, hvad der forårsager, at trykket på vingen skifter fra omgivelserne. Så i november 2018 offentliggjorde McLean en todelt artikel i The Physics Teacher, hvor han foreslog “en omfattende fysisk forklaring” af aerodynamisk løft.

Selvom artiklen stort set gentager McLeans tidligere argumentation, er den forsøger også at tilføje en bedre forklaring på, hvad der får trykfeltet til at være uensartet og antage den fysiske form, det gør. Især introducerer hans nye argument en gensidig interaktion på strømningsfeltniveauet, så det ikke-ensartede trykfelt er et resultat af en anvendt kraft, den nedadgående kraft, der udøves af luftfladen.

Hvorvidt McLeans afsnit 7.3.3 og hans opfølgningsartikel er vellykkede i at give en fuldstændig og korrekt redegørelse for løft er åben for fortolkning Der er grunde til, at det er vanskeligt at producere en klar, enkel og tilfredsstillende redegørelse for aerodynamisk løft. For det første er væskestrømme mere komplekse og sværere at forstå end bevægelser fra faste genstande, især væske strømme, der adskiller sig ved vingens forkant og er udsat for forskellige fysiske kræfter langs toppen og bunden. Nogle af tvisterne om løft involverer ikke selve fakta, men snarere hvordan disse fakta skal fortolkes, hvilket kan involvere spørgsmål, som det er umuligt at afgøre ved eksperiment.

Ikke desto mindre er der på dette tidspunkt kun nogle få udestående forhold, der kræver forklaring. Løft er, som du husker, resultatet af trykforskellene mellem den øverste og nederste del af en bæreflade. Vi har allerede en acceptabel forklaring på, hvad der sker i den nederste del af en bæreflade: den modstående luft skubber på vingen både lodret (producerer løft) og vandret (producerer træk). Det opadgående skub eksisterer i form af højere tryk under vingen, og dette højere tryk er et resultat af enkel newtonske handling og reaktion.

Ting er dog helt forskellige øverst på vingen. Der findes et område med lavere tryk, der også er en del af den aerodynamiske løftekraft. Men hvis hverken Bernoullis princip eller Newtons tredje lov forklarer det, hvad gør det så? Vi ved fra strømlinjeformet, at luften over vingen klæber tæt til den nedadrettede krumning af bærefladen. Men hvorfor skal luftpakkerne bevæge sig over vingens øverste overflade følge dens nedadgående krumning? Hvorfor kan de ikke adskille sig fra det og flyve lige tilbage?

Mark Drela, professor i væskedynamik ved Massachusetts Institute of Technology og forfatter til Flight Vehicle Aerodynamics, giver et svar: “Hvis pakkerne kortvarigt fløj af tangent til den øverste overflade af bærefladen, der ville bogstaveligt talt være et vakuum, der blev oprettet under dem, ”forklarer han.” Dette vakuum suger derefter pakkerne, indtil de for det meste udfylder vakuumet, dvs. indtil de bevæger sig tangent til bærefladen igen . Dette er den fysiske mekanisme, der tvinger pakkerne til at bevæge sig langs bæreformens form. Et let delvist vakuum er tilbage for at opretholde pakkerne i en buet sti. ”

Denne trækning eller trækning af disse luftpakker fra deres nærliggende pakker ovenfor er det, der skaber området med lavere tryk oven på vingen.Men en anden effekt ledsager også denne handling: den højere luftstrømshastighed oven på vingen. “Det reducerede tryk over en løftefløj trækker også vandret på luftpakker, når de nærmer sig opstrøms, så de har en højere hastighed, når de ankommer over vingen,” siger Drela. “Så den øgede hastighed over løftevingen kan ses som en bivirkning af det reducerede tryk der. ”

Men som altid, når det kommer til at forklare løft på ikke-teknisk niveau, vil en anden ekspert have et andet svar. Cambridge aerodynamiker Babinsky siger, “Jeg hader at være uenig med min værdsatte kollega Mark Drela, men hvis oprettelsen af et vakuum var forklaringen, er det svært at forklare, hvorfor strømmen undertiden ikke desto mindre adskiller sig fra overfladen. Men han har ret i alt andet. Problemet er, at der ikke er nogen hurtig og nem forklaring. “

Drela indrømmer selv, at hans forklaring på nogle måder er utilfredsstillende.” Et åbenbart problem er, at der ikke er nogen forklaring, der vil blive accepteret universelt ,” han siger. Så hvor forlader det os? Faktisk lige hvor vi startede: med John D. Anderson, der sagde: “Der er ikke noget simpelt one-liner-svar på dette.”