Senki sem tudja megmagyarázni, miért maradnak a repülőgépek a levegőben

Ezután Einstein magyarázatot adott, amely összenyomhatatlan, súrlódásmentes folyadék – vagyis ideális folyadék. Anélkül, hogy Bernoullit név szerint megemlítette volna, Bernoulli elvével összhangban álló beszámolót adott azzal, hogy a folyadék nyomása nagyobb ott, ahol annak sebessége lassabb, és fordítva. Ezeknek a nyomáskülönbségeknek a kihasználására Einstein olyan szárnyat javasolt, amelynek tetején kidudorodás volt, hogy az alakja megnövelje a levegő áramlási sebességét a kidudorodás felett, és így csökkenti a nyomást ott is. a folyadékelemzés ugyanolyan jól alkalmazható a valós folyadékáramokra. 1917-ben elmélete alapján Einstein tervezett egy szárnyat, amely később a macska hátsó szárnyaként vált ismertté, mivel hasonlított a nyújtó macska púpos hátához. A tervet a berlini LVG (Luftverkehrsgesellschaft) repülőgépgyártóhoz hozta, amely új repülőgépet épített köré. Egy tesztpilóta arról számolt be, hogy a vízi jármű úgy terpeszkedett a levegőben, mint “vemhes kacsa”. Sokkal később, 1954-ben, maga Einstein “fiatalos ostobaságnak” nevezte a repülésben tett kirándulását. Az az egyén, aki radikálisan új elméleteket adott nekünk, amelyek behatoltak mind a világegyetem legkisebb és legnagyobb alkotóelemeibe, mindazonáltal nem tudott pozitívan hozzájárulni a lift megértéséhez, vagy praktikus szárnyszárny-terv elkészítéséhez.

Út felé az emelés teljes elmélete

A repülőgép-tervezés modern tudományos megközelítései a számítási folyadékdinamika (CFD) szimulációk és az úgynevezett Navier-Stokes-egyenletek tartományai, amelyek teljes mértékben figyelembe veszik a valós levegő tényleges viszkozitását. . Ezen egyenletek megoldásai és a CFD-szimulációk kimenete nyomás-eloszlás előrejelzéseket, légáramlási mintákat és kvantitatív eredményeket adnak, amelyek a mai fejlett repülőgép-tervezés alapját képezik. Ennek ellenére önmagukban nem adnak fizikai és minőségi magyarázatot az emelésre.

Az utóbbi években azonban a vezető aerodinamikus Doug McLean megpróbált túllépni a puszta matematikai formalizmuson és megbirkózni a fizikai okokkal – and-effect kapcsolatok, amelyek a való élet minden megnyilvánulásában felemelkedést jelentenek. McLean, aki szakmai karrierjének nagy részét a Boeing Commercial Airplanesnél mérnökként töltötte, ahol CFD-kódok fejlesztésére szakosodott, új ötleteit a 2012-es Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics című dokumentumban tette közzé.

hogy a könyv több mint 500 oldalas, meglehetősen sűrű technikai elemzéseket tartalmaz, meglepő látni, hogy tartalmaz egy részt (7.3.3.) “A felvonó alapmagyarázata a műtét nélküli közönség számára elérhető címmel”. Ennek a 16 oldalnak az elkészítése nem volt könnyű McLean számára, aki a téma elsajátítója volt, sőt, “valószínűleg a könyv legnehezebb része volt megírni” – mondja a szerző. “Több revíziót látott, mint amennyit meg tudok számolni. Sosem voltam teljesen elégedett vele.”

McLean komplex emelési magyarázata az összes szokásos aerodinamika alapvető feltételezésével kezdődik: a szárny körüli levegő “a” folytonos anyag, amely deformálódik, és követi a szárnycsatorna kontúrjait. ” Ez a deformáció a szárny felett és alatt egyaránt mély folyadékáramlás formájában létezik. “A légcsatorna széles területen befolyásolja a nyomást az úgynevezett nyomásterületen” – írja McLean. “Az emelés előállításakor a diffúz alacsony nyomású felhő mindig kialakul a fedélzet felett, és a magas nyomású diffúz felhő általában alatta alakul ki. . Ahol ezek a felhők megérintik a szárnyat, ott azok a nyomáskülönbségek jelennek meg, amelyek a szárnyon fellendülnek. ”

A szárny lefelé nyomja a levegőt, ami a légáramlat lefelé fordulatát eredményezi. A szárny fölött a levegő Bernoulli elvének megfelelően felgyorsul. Ezen túlmenően a szárny alatt van egy magas nyomású terület, felül pedig egy alacsony nyomású terület. Ez azt jelenti, hogy a McLean emelési magyarázatában négy szükséges elem van: a légáram lefelé fordítása, a légáram sebességének növekedése, egy alacsony nyomású és egy nagy nyomású terület.

De ez e négy elem közötti kapcsolat, amely McLean beszámolójának legújszerűbb és legmeghatározóbb aspektusa. “Kölcsönös ok-okozati összefüggésben támogatják egymást, és egyik sem létezne a többiek nélkül” – írja. “A nyomáskülönbségek kifejtik az erőt a repülőgép szárnyán, miközben az áramlás lefelé fordulása és a az áramlási sebesség fenntartja a nyomáskülönbségeket.”Ez az összefüggés alkotja McLean magyarázatának ötödik elemét: a viszonosságot a másik négy között. Mintha ez a négy alkotóelem együttesen létrehozná önmagát és fenntartaná önmagát a kölcsönös teremtés és okság egyidejű cselekedeteivel.

Úgy tűnik, hogy ebben a szinergiában van egy kis varázslat. A McLean által leírt folyamat hasonlít ahhoz, hogy négy aktív szer felhúzza egymás bakancsát, hogy együttesen a levegőben tartsák magukat. Vagy, amint elismeri, “körkörös ok-okozat” esetről van szó. Hogyan lehetséges, hogy az interakció egyes elemei fenntartsák és megerősítsék az összes többit? És mi okozza ezt a kölcsönös, kölcsönös, dinamikus interakciót? McLean válasza: Newton második mozgástörvénye.

Newton második törvénye kimondja hogy egy test vagy egy folyadékcsomag gyorsulása arányos a rá kifejtett erővel. “Newton második törvénye azt mondja nekünk, hogy amikor a nyomáskülönbség nettó erőt vet fel egy folyékony csomagra, akkor annak a sebesség változását kell okoznia. vagy a csomag mozgásának iránya (vagy mindkettő) ”- magyarázza McLean. De kölcsönösen a nyomáskülönbség a csomag gyorsulása miatt függ és létezik.

Nem kapunk itt valamit a semmiért? McLean nemet mond: Ha a szárny nyugalomban lenne, a kölcsönösen erősítő tevékenység ezen klaszterének egyetlen része sem létezne. De az a tény, hogy a szárny a levegőben mozog, és mindegyik csomag az összes többit érinti, ezeket az együttfüggő elemeket létrehozza és fenntartja őket a repülés során.

Az emelés kölcsönösségének bekapcsolása

Az Understanding Aerodynamics megjelenése után hamarosan McLean rájött, hogy nem számolt el teljes mértékben az aerodinamikai emelés összes elemével, mert nem magyarázta meggyőzően, hogy mi okozza a szárny nyomásának a környezettől való megváltozását. Tehát 2018 novemberében McLean két részből álló cikket tett közzé a The Physics Teacher című cikkben, amelyben az aerodinamikai emelés “átfogó fizikai magyarázatát” javasolta.

Bár a cikk nagyrészt megismétli McLean korábbi érvelését, arra is kísérletet tesz, hogy jobban megmagyarázza, mi okozza a nyomásterület nem egyneműségét, és felveszi annak fizikai alakját. Különösen új érvelése kölcsönös interakciót vezet be az áramlási mező szintjén, így a nem egyenletes nyomásterület eredménye alkalmazott erő esetén a lefelé irányuló erő a levegőre gyakorolt hatást gyakorol a szárnyszárny által.

Az, hogy McLean 7.3.3. szakasza és az azt követő cikk sikeres-e a teljes és helyes beszámoló elkészítéséhez, értelmezhető-e. Vannak olyan okok, amelyek miatt nehéz egyértelmű, egyszerű és kielégítő beszámolót készíteni az aerodinamikai emelésről. Egyrészt a folyadékáramlás bonyolultabb és nehezebben érthető, mint a szilárd tárgyak, különösen a folyadék mozgása. áramlások, amelyek a szárny elülső pereménél elválnak, és a felső és az alján különböző fizikai erőknek vannak kitéve. A vitatással kapcsolatos viták egy része nem magukat a tényeket vonja maga után, hanem azt, hogy ezeket a tényeket hogyan kell értelmezni, ami olyan kérdéseket vonhat maga után, amelyeket lehetetlen kísérletileg eldönteni.

Mindazonáltal ezen a ponton csak néhány van megoldatlan ügyek, amelyek magyarázatot igényelnek. Az emelés, amint emlékezni fog rá, a légcsatorna felső és alsó része közötti nyomáskülönbségek eredménye. Már van elfogadható magyarázatunk arra, hogy mi történik a légcsatorna alsó részén: a beáramló levegő függőlegesen (emelést produkál) és vízszintesen (ellenállást produkálva) nyomja a szárnyat. A felfelé tolás a szárny alatt nagyobb nyomás formájában létezik, és ez a nagyobb nyomás egyszerű newtoni cselekvés és reakció eredménye.

A szárny tetején azonban egészen más a helyzet. Van egy alacsonyabb nyomású régió, amely szintén része az aerodinamikai emelőerőnek. De ha sem Bernoulli elve, sem Newton harmadik törvénye nem magyarázza meg, mit csinál? Áramvonalakból tudjuk, hogy a szárny feletti levegő szorosan tapad a szárny lefelé görbületéhez. De miért kell a szárny felső felületén áthaladó légcsomagoknak követniük lefelé görbületét? Miért nem válhatnak el tőle és nem tudnak egyenesen visszarepülni?

Mark Drela, a Massachusettsi Műszaki Intézet folyadékdinamikai professzora és a Repülőjármű-aerodinamika szerzője választ ad: “Ha a csomagok pillanatnyilag elrepült a légcsatorna felső felületének érintőjével, szó szerint vákuum keletkezik alattuk “- magyarázza.” Ez a vákuum akkor szívja le a csomagokat, amíg azok többnyire meg nem töltik a vákuumot, vagyis amíg újra nem érintik meg a légcsatornát. . Ez az a fizikai mechanizmus, amely arra kényszeríti a parcellákat, hogy mozogjanak a szárnyszárny alakja mentén. Enyhe részleges vákuum marad a parcellák görbe ösvényen tartásához. ”

Ez a légcsomagok elhúzása vagy lehúzása a szomszédos parcellákból a fenti oldalra hozza létre az alacsonyabb nyomás területét a szárny tetején.De egy másik hatás is kíséri ezt az akciót: a nagyobb légáramlási sebesség a szárny tetején. “Az emelő szárny fölött csökkentett nyomás vízszintesen” húzza “a légcsomagokat is, amikor az áramlási irány felé közelednek, így nagyobb sebességgel rendelkeznek, mire a szárny fölé érnek” – mondja Drela. “Tehát a megnövekedett sebesség az emelő szárny felett az ottani csökkentett nyomás mellékhatásaként tekinthető. ”

De mint mindig, amikor a felvonó elmozdítását nem technikai szinten kell megtenni, egy másik szakértőnek újabb válasza lesz. A cambridge-i aerodinamikus Babinsky azt mondja: “Utálok nem érteni egyet tisztelt kollégámmal, Mark Drelával, de ha a vákuum létrehozása lenne a magyarázat, akkor nehéz megmagyarázni, miért néha mégis elválik az áramlás a felszíntől. De igaza van minden más. A probléma az, hogy nincs gyors és könnyű magyarázat. ”

Drela maga is elismeri, hogy magyarázata bizonyos szempontból nem kielégítő.” Az egyik nyilvánvaló probléma az, hogy nincs olyan magyarázat, amelyet általánosan elfogadnának. ,” mondja. Tehát hol hagy bennünket? Valójában ott, ahol elkezdtük: John D. Andersonnal, aki kijelentette: “Erre nincs egyszerű egyvonalas válasz.”