Kukaan ei voi selittää, miksi lentokoneet pysyvät ilmassa
Sitten Einstein antoi selityksen, jonka oletettiin olevan puristamaton, kitkaton neste – eli ihanteellinen neste. Mainitsematta Bernoullia nimeltä, hän antoi Bernullin periaatteen mukaisen kertomuksen sanomalla, että nestepaine on suurempi siellä, missä sen nopeus on hitaampi, ja päinvastoin. Näiden paine-erojen hyödyntämiseksi Einstein ehdotti ilmatyynyä, jonka päällä on kohouma, jotta muoto lisäisi ilmavirtausta pullistuman yläpuolelle ja vähentäisi siten myös siellä olevaa painetta.
Einstein luultavasti ajatteli, että hänen ideaali- nesteanalyysi soveltuu yhtä hyvin todellisiin nestevirtoihin. Vuonna 1917 Einstein suunnitteli teoriansa pohjalta kantokannen, joka myöhemmin tuli tunnetuksi kissan takasiiveksi, koska se muistuttaa venyvän kissan kumpuinta selkää. Hän toi suunnitelman Berliinin lentokonevalmistajalle LVG: lle (Luftverkehrsgesellschaft), joka rakensi sen ympärille uuden lentokoneen. Testilentäjä kertoi, että alus kahlasi ilmassa kuin ”tiukka ankka”. Paljon myöhemmin, vuonna 1954, Einstein itse kutsui ilmailuretkiään ”nuorekas hulluus”. Henkilö, joka antoi meille radikaalisti uusia teorioita, jotka tunkeutuivat sekä maailmankaikkeuden pienimpiin että suurimpiin osiin, ei kuitenkaan edistänyt myönteisesti hissin ymmärtämistä tai keksinyt käytännöllistä kantolevyn suunnittelua.
Kohti Täydellinen nousun teoria
Nykyaikaisia tieteellisiä lähestymistapoja lentokoneiden suunnitteluun ovat laskennallisen nestedynamiikan (CFD) simulaatioiden maakunta ja ns. Navier-Stokes-yhtälöt, joissa otetaan täysin huomioon todellisen ilman todellinen viskositeetti. . Näiden yhtälöiden ratkaisut ja CFD-simulaatioiden tulos antavat paine-jakaumaennusteet, ilmavirtauskuviot ja kvantitatiiviset tulokset, jotka ovat perustana nykypäivän erittäin edistyneille lentokonemalleille. Silti he eivät yksinään anna fyysistä, laadullista selitystä hissille.
Viime vuosina johtava aerodynaamikko Doug McLean on kuitenkin yrittänyt ylittää pelkän matemaattisen formalismin ja tarttua fyysiseen syy- ja -vaikutussuhteet, jotka aiheuttavat nousun kaikissa sen tosielämän ilmentymissä. McLean, joka vietti suurimman osan työurastaan insinöörinä Boeing Commercial Airplanesissa, jossa hän erikoistui CFD-koodikehitykseen, julkaisi uudet ideansa vuoden 2012 tekstissä Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.
että kirjassa on yli 500 sivua melko tiheää teknistä analyysiä, on yllättävää nähdä, että se sisältää osan (7.3.3) nimeltä ”Perusselitys lentokannen nostimesta, joka on saavutettavissa teknilliselle yleisölle”. Näiden 16 sivun tuottaminen ei ollut helppoa aiheen mestarille McLeanille; todellakin se oli ”luultavasti vaikein osa kirjoittaa”, kirjoittaja sanoo. ”Se näki enemmän versioita kuin voin laskea. En ollut koskaan täysin tyytyväinen siihen.”
McLeanin monimutkainen selitys hissistä alkaa kaiken tavallisen aerodynamiikan perusoletuksesta: siiven ympärillä oleva ilma toimii ”a jatkuva materiaali, joka muodostaa muodonmuutoksen noudattaen kantokiven muotoja. Tämä muodonmuutos esiintyy syvän nestevirtauksen muodossa sekä siiven ylä- että alapuolella. ”Lentokorkeus vaikuttaa paineeseen laajalla alueella niin kutsutulla painekentällä”, McLean kirjoittaa. ”Kun hissi syntyy, diffuusi matalapaineinen pilvi muodostuu aina kantokappaleen yläpuolelle, ja diffuusi korkeapaineinen pilvi muodostuu yleensä alle . Kun nämä pilvet koskettavat kantokantaa, ne muodostavat paine-eron, joka nostaa kantolevyä. ”
Siipi työntää ilman alas, mikä johtaa ilmavirran kääntymiseen alaspäin. Siiven yläpuolella oleva ilma kiihtyy Bernoullin periaatteen mukaisesti. Lisäksi siiven alapuolella on korkeapaineinen alue ja yläpuolella matalapaineinen alue. Tämä tarkoittaa, että McLeanin selityksessä nostosta on neljä välttämätöntä komponenttia: ilmavirran kääntäminen alaspäin, ilmavirran nopeuden kasvu, matalapaineinen alue ja korkeapaineinen alue.
Mutta se on näiden neljän elementin keskinäinen suhde on McLeanin kertomuksen uusin ja erottuvin osa. ”Ne tukevat toisiaan vastavuoroisessa syy-seuraussuhteessa, eikä mikään olisi olemassa ilman muita”, hän kirjoittaa. ”Paine-erot kohdistavat nostovoimaa lentokantaan samalla kun virtauksen kääntäminen alaspäin ja muutokset virtausnopeus ylläpitää paine-eroja.”Juuri tämä keskinäinen suhde on viides osa McLeanin selitystä: vastavuoroisuus neljän muun välillä. Näyttää siltä, että nämä neljä komponenttia yhdessä tuovat itsensä olemassaoloon ja ylläpitävät itseään samanaikaisella keskinäisen luomisen ja syy-yhteyden avulla.
Tässä synergiassa näyttää olevan vihje taikaa. Prosessi, jonka McLean kuvailee, näyttää olevan samanlainen kuin neljä aktiivista ainetta, jotka vetävät toistensa kengännauhoja pitääkseen itsensä ilmassa yhdessä. Tai, kuten hän myöntää, kyseessä on ”pyöreä syy-seuraus”. Kuinka jokaisen vuorovaikutuksen osan on mahdollista ylläpitää ja vahvistaa kaikkia muita? Ja mikä aiheuttaa tämän keskinäisen, vastavuoroisen, dynaamisen vuorovaikutuksen? McLeanin vastaus: Newtonin toinen liikelaki.
Newtonin toinen laki toteaa että ruumiin tai nestepaketin kiihtyvyys on verrannollinen siihen kohdistuvaan voimaan. ”Newtonin toinen laki kertoo meille, että kun paine-ero asettaa nettovoiman nestepaketille, sen on muutettava nopeutta tai paketin liikkeen suunta (tai molemmat) ”, McLean selittää. Mutta vastavuoroisesti paine-ero riippuu paketin kiihtyvyydestä ja on olemassa.
Emmekö saa mitään turhaan? McLean sanoo ei: Jos siipi olisi levossa, mitään osaa tästä klusterista, joka vahvistaa toisiaan, ei olisi olemassa. Mutta tosiasia, että siipi liikkuu ilmassa, jolloin jokainen paketti vaikuttaa kaikkiin muihin, tuo nämä toisistaan riippuvat elementit olemassaoloon ja ylläpitää niitä koko lennon ajan.
Noston vastavuoroisuuden kytkeminen päälle
Pian Understanding Aerodynamics -lehden julkaisemisen jälkeen McLean huomasi, ettei hän ollut ottanut täysin huomioon kaikkia aerodynaamisen hissin elementtejä, koska hän ei selittänyt vakuuttavasti, mikä saa siipipaineet muuttumaan ympäröivistä. Joten marraskuussa 2018 McLean julkaisi kaksiosaisen artikkelin The Physics Teacher -artikkelissa, jossa hän ehdotti ”kattavaa fyysistä selitystä” aerodynaamisesta nostosta.
Vaikka artikkelissa toistetaan suurelta osin McLeanin aiemmat väitteet, se yrittää myös lisätä paremman selityksen siitä, mikä aiheuttaa painekentän epäyhtenäisyyden, ja ottaa sen fyysisen muodon.Erityisesti hänen uusi argumenttinsa tuo käyttöön keskinäisen vuorovaikutuksen virtauskentän tasolla siten, että epätasainen painekenttä on tulos Käytetyn voiman aluskanavan ilmaan kohdistama alaspäin suuntautuva voima.
On selvää, onko McLeanin kohta 7.3.3 ja hänen jatkoartikkelinsa täydellinen ja oikea kuvaus nostosta On syitä, joiden vuoksi on vaikea tuottaa selkeää, yksinkertaista ja tyydyttävää selvitystä aerodynaamisesta nostosta. Ensinnäkin nestevirrat ovat monimutkaisempia ja vaikeampia ymmärtää kuin kiinteiden esineiden, etenkin nesteen, liikkeet. virtaukset, jotka erottuvat siiven etureunasta ja joihin kohdistuu erilaisia fyysisiä voimia ylhäältä ja alhaalta. Jotkut nostamista koskevista kiistoista eivät koske itse tosiasioita, vaan pikemminkin sitä, miten nämä tosiasiat tulkitaan, mikä voi sisältää asioita, joita on mahdotonta päättää kokeilulla.
Siitä huolimatta tässä vaiheessa on vain muutama selvittämättömät asiat. Kuten muistat, hissi on seurausta aluksen ylä- ja alaosien välisestä paine-erosta. Meillä on jo hyväksyttävä selitys sille, mitä tapahtuu etukannen alaosassa: tulevaa ilmaa työntyy siipeen sekä pystysuoraan (tuottaa hissiä) että vaakasuoraan (tuottaa vastusta). Ylöspäin työntö tapahtuu siipien alapuolella olevan korkeamman paineen muodossa, ja tämä korkeampi paine on seurausta yksinkertaisesta Newtonin toiminnasta ja reaktiosta.
Asiat ovat kuitenkin aivan erilaisia siiven yläosassa. Siellä on alemman paineen alue, joka on myös osa aerodynaamista nostovoimaa. Mutta jos Bernoullin periaate ja Newtonin kolmas laki eivät selitä sitä, mitä tekee? Virtaviivoista tiedämme, että siiven yläpuolella oleva ilma tarttuu tiiviisti kantolevyn alaspäin kaarevuuteen. Mutta miksi siipien yläpinnan yli liikkuvien ilmapakettien on noudatettava sen kaarevuutta alaspäin? Miksi he eivät voi erota siitä ja lentää suoraan takaisin?
Mark Drela, Massachusettsin teknillisen instituutin nestedynamiikan professori ja lentokoneiden aerodynamiikan kirjoittaja, tarjoaa vastauksen: ”Jos paketit ovat hetkellisesti lensi pois tangentista kantolevyn yläpintaan, niiden alle syntyisi kirjaimellisesti tyhjiö ”, hän selittää.” Tämä tyhjiö imisi sitten paketit alas, kunnes ne enimmäkseen täyttävät tyhjiön, ts. kunnes ne liikkuvat taas kantolevyn tangentiksi. . Tämä on fyysinen mekanismi, joka pakottaa paketit liikkumaan kantolevyn muotoa pitkin. Pieni osittainen alipaine on jäljellä pakettien pitämiseksi kaarevalla polulla. ”
Tämä näiden lentopakettien vetäminen pois tai vetäminen alaspäin naapuripaketeistaan yllä luo alemman paineen alueen siiven yläpuolelle.Mutta tähän toimintaan liittyy myös toinen vaikutus: suurempi ilmavirtaus siiven yläpuolella. ”Nostosiiven yli laskettu paine” vetää myös vaakatasossa ”ilmapaketteja lähestyttäessä ylävirtaa, joten nopeus on suurempi, kun ne saapuvat siiven yläpuolelle”, Drela sanoo. ”Joten lisääntynyt nopeus nostosiiven yläpuolella voidaan pitää alennetun paineen sivuvaikutuksena siellä. ”
Mutta kuten aina, kun on kyse hissin selittämisestä ei-teknisellä tasolla, toisella asiantuntijalla on toinen vastaus. Cambridgen aerodynaaminen asiantuntija Babinsky sanoo: ”Vihaan olla eri mieltä arvostetun kollegani Mark Drelan kanssa, mutta jos tyhjiön syntyminen olisi selitys, niin on vaikea selittää, miksi virtaus kuitenkin joskus erottuu pinnasta. Mutta hän on oikeassa kaikki muu. Ongelmana on, että ei ole nopeaa ja helppoa selitystä. ”
Drela itse myöntää, että hänen selityksensä on jollain tavalla epätyydyttävä.” Yksi ilmeinen ongelma on, että ei ole mitään selitystä, joka hyväksytään yleisesti. ,” hän sanoo. Joten missä se jättää meidät? Itse asiassa siitä, mistä aloitimme: John D.Andersonin kanssa, joka sanoi: ”Tähän ei ole yksinkertaista yhden linjan vastausta.”