비행기가 공중에 머무르는 이유를 아무도 설명 할 수 없습니다

그런 다음 아인슈타인은 비압축성, 마찰이 없다고 가정 한 설명을 진행했습니다. 유체, 즉 이상적인 유체입니다. Bernoulli의 이름을 언급하지 않고 그는 속도가 느린 곳에서는 유체 압력이 더 크고 그 반대의 경우도 마찬가지라고 말하면서 Bernoulli의 원리와 일치하는 설명을했습니다. 이러한 압력 차이를 활용하기 위해 아인슈타인은 상단에 돌출부가있는 에어 포일을 제안하여 모양이 돌출부 위의 기류 속도를 증가시켜 압력을 감소시킵니다.

아인슈타인은 아마도 그의 이상이- 유체 분석은 실제 유체 흐름에 똑같이 잘 적용됩니다. 1917 년에 아인슈타인은 그의 이론을 바탕으로 뻗어있는 고양이의 혹등을 닮았 기 때문에 나중에 고양이 등의 날개로 알려지게 된 익형을 디자인했습니다. 그는 베를린에있는 항공기 제조업체 LVG (Luftverkehrsgesellschaft)에 설계를 가져와 새로운 비행 기계를 제작했습니다. 시험 조종사는 우주선이 “임신 한 오리”처럼 공중을 맴돌 았다고보고했다. 훨씬 후인 1954 년에 아인슈타인은 자신의 항공 여행을 “젊은 어리 석음”이라고 불렀습니다. 그럼에도 불구하고 우주의 가장 작은 구성 요소와 가장 큰 구성 요소 모두를 관통하는 근본적으로 새로운 이론을 제시 한 개인은 양력 이해에 긍정적 인 기여를하지 않았거나 실용적인 익형 설계를 내놓지 못했습니다.

향해 완전한 양력 이론

항공기 설계에 대한 현대 과학적 접근 방식은 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션과 소위 Navier-Stokes 방정식으로 실제 공기의 실제 점도를 충분히 고려합니다. . 이러한 방정식의 솔루션과 CFD 시뮬레이션의 출력은 오늘날 고도로 발전된 항공기 설계의 기초가되는 압력 분포 예측, 기류 패턴 및 정량적 결과를 산출합니다. 그럼에도 불구하고 그들은 스스로 양력에 대한 물리적, 질적 설명을 제공하지 않습니다.

그러나 최근 몇 년 동안 공기 역학을 선도하는 Doug McLean은 순수한 수학적 형식주의를 넘어 물리적 원인을 파악하려고 시도했습니다. 실생활의 모든 표현에서 상승을 설명하는 효과 관계. CFD 코드 개발을 전문으로하는 Boeing Commercial Airplanes에서 엔지니어로 대부분의 전문 경력을 쌓은 McLean은 2012 년 텍스트 Understanding Aerodynamics : Arguing from the Real Physics에서 새로운 아이디어를 발표했습니다.

고려하기 이 책이 500 페이지가 넘는 상당히 조밀 한 기술 분석을 다루고 있다는 점에서 “비 기술적 청중이 접근 할 수있는 에어 포일의 리프트에 대한 기본 설명”이라는 제목의 섹션 (7.3.3)이 포함되어 있다는 것은 놀랍습니다. 이 16 페이지를 제작하는 것은 주제의 대가 인 McLean에게 쉽지 않았으며 실제로 “아마도이 책에서 가장 쓰기 어려운 부분”이었습니다. “내가 셀 수있는 것보다 더 많은 수정을 보았습니다. 나는 그것에 완전히 만족하지 않았습니다.”

McLean의 리프트에 대한 복잡한 설명은 모든 일반적인 공기 역학의 기본 가정에서 시작됩니다. 날개 주변의 공기는 “a 익형의 윤곽을 따라 변형되는 연속 재료.” 그 변형은 날개 위와 아래 모두에 깊은 유체 흐름의 형태로 존재합니다. McLean은 “익형은 압력 장이라고하는 넓은 영역의 압력에 영향을 미칩니다. 양력이 생성되면 항상 낮은 압력의 확산 구름이 익형 위에 형성되고 일반적으로 아래에 고압의 확산 구름이 형성됩니다. . 이 구름이 익형에 닿는 곳은 익형에 양력을 가하는 압력 차이를 구성합니다.”

날개가 공기를 아래로 밀어내어 공기 흐름이 아래쪽으로 향합니다. 날개 위의 공기는 Bernoulli의 원리에 따라 가속됩니다. 또한 날개 아래에는 고압 영역이 있고 위에는 저압 영역이 있습니다. 이는 McLean의 리프트 설명에 4 가지 필수 구성 요소가 있음을 의미합니다. 기류의 하향 회전, 기류의 속도 증가, 저압 영역 및 고압 영역입니다.

하지만 그렇습니다. McLean의 설명에서 가장 새롭고 독특한 측면 인이 네 가지 요소 간의 상호 관계. “그들은 상호 인과 관계로 서로를지지하며 다른 것 없이는 존재하지 않을 것입니다.”라고 그는 썼습니다. 유속은 압력 차이를 유지합니다.”McLean의 설명의 다섯 번째 요소 인 다른 네 가지 간의 상호 관계를 구성하는 것은 바로 이러한 상호 관계입니다. 이 네 가지 구성 요소는 마치 상호 생성과 인과 관계의 동시 적 행위에 의해 집단적으로 존재하고 스스로를 유지하는 것과 같습니다.

이 시너지에는 마법의 힌트가있는 것 같습니다. McLean이 설명하는 과정은 4 명의 활성 에이전트가 서로의 부트 스트랩을 끌어 올려 공동으로 공중에 유지하는 것과 유사합니다. 또는 그가 인정한 것처럼 그것은 “순환 적 인과 관계”의 경우이다. 상호 작용의 각 요소가 다른 모든 요소를 유지하고 강화하는 것은 어떻게 가능합니까? 그리고이 상호적이고 상호 적이며 역동적 인 상호 작용의 원인은 무엇입니까? McLean의 답변 : 뉴턴의 운동 제 2 법칙

뉴턴의 제 2 법칙은 다음과 같습니다. 물체 또는 유체의 가속도는 그것에 가해지는 힘에 비례합니다. “뉴턴의 두 번째 법칙은 압력 차이가 유체 구획에 순 힘을 가할 때 속도의 변화를 유발해야한다고 말합니다. 또는 소포 움직임의 방향 (또는 둘 다)”이라고 McLean은 설명합니다. 그러나 상호 적으로 압력 차는 소포의 가속도에 따라 달라지며 존재합니다.

여기서 아무것도 얻을 수없는 것이 아닌가요? McLean은 아니오라고 말합니다 : 날개가 정지되어 있었다면 상호 강화 활동 클러스터의 어떤 부분도 존재하지 않을 것입니다. 그러나 날개가 공중을 통해 이동하고 각 구획이 다른 모든 구획에 영향을 미치기 때문에 이러한 상호 의존적 요소가 존재하게되며 비행 내내 유지됩니다.

양력의 상호성 켜기

공기 역학의 이해가 출판 된 직후, McLean은 공기 역학적 양력의 모든 요소를 완전히 설명하지 않았 음을 깨달았습니다. 왜냐하면 그는 날개의 압력이 주변으로부터 변화하는 원인을 설득력있게 설명하지 않았기 때문입니다. 그래서 2018 년 11 월에 McLean은 The Physics Teacher에 2 부로 구성된 기사를 게재하여 공기 역학적 양력에 대한 “종합적인 물리적 설명”을 제안했습니다.

이 기사는 McLean의 이전 주장을 대체로 다시 설명하지만 또한 압력 장을 불균일하게 만드는 원인에 대한 더 나은 설명을 추가하고 그것이하는 물리적 모양을 가정합니다. 특히 그의 새로운 주장은 유동장 수준에서 상호 작용을 도입하여 불균일 한 압력 장이 결과가됩니다. 적용된 힘의, 에어 포일에 의해 공기에 가해지는 하향 힘.

McLean의 섹션 7.3.3과 그의 후속 기사가 양력에 대한 완전하고 정확한 설명을 제공하는 데 성공했는지 여부는 해석에 개방적입니다. 공기 역학적 양력에 대해 명확하고 간단하며 만족스러운 설명을 생성하기 어려운 이유가 있습니다. 한 가지 이유는 유체 흐름이 고체 물체, 특히 유체의 움직임보다 더 복잡하고 이해하기 어렵습니다. 날개의 앞쪽 가장자리에서 분리되고 위쪽과 아래쪽을 따라 서로 다른 물리적 힘을받는 흐름 리프트에 관한 일부 분쟁은 사실 자체가 아니라 그 사실을 해석하는 방법과 관련이 있으며, 이는 실험으로 결정할 수없는 문제를 포함 할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 몇 가지 문제 만 있습니다. 설명이 필요한 미결 사항. 기억 하시겠지만, 양력은 익형의 상단과 하단 사이의 압력 차이의 결과입니다. 우리는 이미 익형의 바닥 부분에서 일어나는 일에 대해 받아 들일만한 설명을 가지고 있습니다. 다가오는 공기가 날개를 수직 (양력 생성)과 수평 (항력 생성)으로 밀어냅니다. 상향 밀기는 날개 아래에 더 높은 압력의 형태로 존재하며,이 더 높은 압력은 단순한 뉴턴의 작용과 반응의 결과입니다.

그러나 날개 상단에서는 상황이 상당히 다릅니다. 공기 역학적 양력의 일부인 저압 영역이 존재합니다. 그러나 베르누이의 원리 나 뉴턴의 제 3 법칙이 그것을 설명하지 않는다면 무엇을할까요? 우리는 유선에서 날개 위의 공기가 익형의 아래쪽 곡률에 밀접하게 밀착된다는 것을 알고 있습니다. 하지만 왜 날개의 윗면을 가로 지르는 공기 구획이 아래쪽 곡률을 따라야합니까? 왜 그들은 그것과 분리되어 똑바로 돌아갈 수 없습니까?

Massachusetts Institute of Technology의 유체 역학 교수이자 Flight Vehicle Aerodynamics의 저자 인 Mark Drela는 다음과 같이 대답합니다. “소포가 일시적으로 에어 포일 윗면에 접선으로 날아 가면 말 그대로 그 아래에 진공이 생성됩니다.”라고 그는 설명합니다. “이 진공은 대부분이 진공을 채울 때까지 즉, 에어 포일에 접선으로 이동할 때까지 소포를 빨아들입니다. . 이것은 소포가 익형 모양을 따라 움직 이도록하는 물리적 메커니즘입니다. 소포를 곡선 경로로 유지하기 위해 약간의 부분적인 진공이 남아 있습니다.”

위의 인접한 소포에서 이러한 공기 소포를 끌어 내거나 끌어 내리는 것이 날개 꼭대기에 더 낮은 압력 영역을 생성합니다.그러나 또 다른 효과는이 동작을 수반합니다 : 날개 위의 더 높은 기류 속도. “인양 날개에 대한 감압은 또한 상류에서 접근 할 때 공기 소포를 수평으로 당기기때문에 날개 위로 도착할 때 속도가 더 빨라집니다. 압력 감소의 부작용으로 볼 수 있습니다.”

그러나 항상 그렇듯이 비 기술적 수준에서 리프트를 설명 할 때 다른 전문가가 또 다른 대답을 할 것입니다. 케임브리지 공기 역학 학자 Babinsky는 “저는 존경하는 동료 인 Mark Drela와 의견이 일치하지 않는 것이 싫지만 진공의 생성이 설명 이었다면, 그럼에도 불구하고 흐름이 표면에서 분리되는 이유를 설명하기 어렵습니다. 문제는 빠르고 쉬운 설명이 없다는 것입니다.”

Drela 자신은 자신의 설명이 어떤면에서 불만족 스럽다고 인정합니다. “한 가지 명백한 문제는 보편적으로 받아 들여질 설명이 없다는 것입니다. ”라고 그는 말합니다. 그럼 우리는 어디로가는 걸까요? 사실상, 우리가 시작한 바로 그 곳에서 : “이에 대한 간단한 한 줄 대답은 없습니다.”라고 말한 John D. Anderson과 함께.