Ingen kan forklare hvorfor fly holder seg i luften

Einstein fortsatte deretter med å gi en forklaring som antok en ukomprimerbar, friksjonsfri væske — det vil si en ideell væske. Uten å nevne Bernoulli ved navn, ga han en redegjørelse som er i samsvar med Bernoullis prinsipp ved å si at væsketrykket er større der hastigheten er lavere, og omvendt. For å dra nytte av disse trykkforskjellene, foreslo Einstein en flyfolie med en bule på toppen slik at formen ville øke luftstrømningshastigheten over buen og dermed redusere trykket der også.

Einstein trodde sannsynligvis at hans ideal- væskeanalyse vil gjelde like godt for virkelige væskestrømmer. I 1917, på grunnlag av teorien hans, designet Einstein en bærefilm som senere ble kjent som en kattens ryggfløy på grunn av dens likhet med den humpede ryggen til en tøyende katt. Han tok designet til flyprodusenten LVG (Luftverkehrsgesellschaft) i Berlin, som bygde en ny flymaskin rundt den. En testpilot rapporterte at fartøyet vandret rundt i luften som «en gravid and». Mye senere, i 1954, kalte Einstein sin utflukt til luftfart en «ungdommelig dårskap.» Individet som ga oss radikalt nye teorier som trengte gjennom både de minste og de største komponentene i universet, klarte likevel å gi et positivt bidrag til forståelsen av løft eller å komme opp med en praktisk bæreprofildesign.

Mot a Complete Theory of Lift

Moderne vitenskapelige tilnærminger til flydesign er provinsen beregningsvæskedynamikk (CFD) simuleringer og de såkalte Navier-Stokes-ligningene, som tar fullt hensyn til den faktiske viskositeten til ekte luft . Løsningene til disse ligningene og utdataene fra CFD-simuleringene gir forutsigelser om trykkfordeling, luftstrømningsmønster og kvantitative resultater som er grunnlaget for dagens svært avanserte flydesign. Likevel gir de ikke i seg selv en fysisk, kvalitativ forklaring på løft.

De siste årene har den ledende aerodynamikeren Doug McLean imidlertid forsøkt å gå utover ren matematisk formalisme og komme til å ta tak i den fysiske årsaken- og effekt forhold som står for løft i alle dens virkelige manifestasjoner. McLean, som tilbrakte mesteparten av sin profesjonelle karriere som ingeniør i Boeing Commercial Airplanes, hvor han spesialiserte seg på CFD-kodeutvikling, publiserte sine nye ideer i 2012-teksten Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Tatt i betraktning at boken går til mer enn 500 sider med ganske tett teknisk analyse, er det overraskende å se at den inneholder et avsnitt (7.3.3) med tittelen «En grunnleggende forklaring på løft på en bunke, tilgjengelig for et ikke-teknisk publikum.» Å produsere disse 16 sidene var ikke lett for McLean, en mester i emnet, og det var faktisk «sannsynligvis den vanskeligste delen av boka å skrive,» sier forfatteren. «Det så flere revisjoner enn jeg kan telle. Jeg var aldri helt fornøyd med det.»

McLeans komplekse forklaring på heis starter med den grunnleggende antagelsen om all vanlig aerodynamikk: luften rundt en ving fungerer som «en kontinuerlig materiale som deformeres for å følge konturene av bunken. ” Den deformasjonen eksisterer i form av en dyp del av væskestrømmen både over og under vingen. «Bomben påvirker trykket over et bredt område i det som kalles et trykkfelt,» skriver McLean. «Når det blir produsert løft, dannes det alltid en diffus sky av lavt trykk over bunnfolien, og en diffus sky av høyt trykk dannes vanligvis under . Der disse skyene berører bunnplaten, utgjør de trykkforskjellen som utøver løft på bunken. ”

Vingen skyver luften ned, noe som resulterer i en nedadgående sving av luftstrømmen. Luften over vingen er fart i samsvar med Bernoullis prinsipp. I tillegg er det et område med høyt trykk under vingen og et område med lavt trykk over. Dette betyr at det er fire nødvendige komponenter i McLeans forklaring på løft: en nedadgående dreining av luftstrømmen, en økning i luftstrømens hastighet, et område med lavt trykk og et område med høyt trykk.

Men det er det innbyrdes forholdet mellom disse fire elementene som er det mest nye og særegne aspektet av McLeans beretning. “De støtter hverandre i et gjensidig forhold mellom årsak og virkning, og ingen ville eksistere uten de andre,” skriver han. strømningshastighet opprettholder trykkforskjellene.”Det er dette innbyrdes forhold som utgjør et femte element i McLeans forklaring: gjensidigheten blant de andre fire. Det er som om disse fire komponentene kollektivt fører til seg selv og opprettholder seg ved samtidige handlinger av gjensidig opprettelse og årsakssammenheng.

Det ser ut til å være et snev av magi i denne synergien. Prosessen som McLean beskriver ser ut som om fire aktive agenter trekker opp hverandres støvelstropper for å holde seg i luften kollektivt. Eller, som han erkjenner, er det et tilfelle av «sirkulær årsak og virkning.» Hvordan er det mulig for hvert element i interaksjonen å opprettholde og forsterke alle de andre? Og hva som forårsaker denne gjensidige, gjensidige, dynamiske interaksjonen? McLeans svar: Newtons andre lov om bevegelse.

Newtons andre lov sier at akselerasjonen til et legeme, eller en væskepakke, er proporsjonal med kraften som utøves på den. «Newtons andre lov forteller oss at når en trykkdifferanse pålegger en nettokraft på en væskepakke, må den forårsake en endring i hastigheten eller retning (eller begge deler) av pakkens bevegelse, ”forklarer McLean. Men gjensidig avhenger trykkforskjellen på og eksisterer på grunn av parsellens akselerasjon.

Får vi ikke noe for ingenting her? McLean sier nei: Hvis vingen var i ro, ville ingen del av denne klyngen av gjensidig forsterkende aktivitet eksistere. Men det faktum at vingen beveger seg gjennom luften, med hver pakke som påvirker alle de andre, bringer disse medavhengige elementene til eksistens og opprettholder dem under hele flyturen.

Slå på gjensidigheten av heis

Rett etter publiseringen av Understanding Aerodynamics, skjønte McLean at han ikke hadde fullstendig redegjort for alle elementene i aerodynamisk løft, fordi han ikke overbevisende forklarte hva som forårsaker at trykket på vingen endres fra omgivelsene. Så i november 2018 publiserte McLean en todelt artikkel i The Physics Teacher der han foreslo «en omfattende fysisk forklaring» av aerodynamisk løft.

Selv om artikkelen i stor grad gjengir McLeans tidligere argumentasjonslinje, forsøker også å legge til en bedre forklaring på hva som forårsaker at trykkfeltet er ikke-enhetlig og å anta den fysiske formen som det gjør. Spesielt introduserer hans nye argument en gjensidig interaksjon på strømningsfeltnivået slik at det ikke-enhetlige trykkfeltet er et resultat av en påført styrke, den nedadgående kraften som utøves på luften av bæreflaten.

Hvorvidt McLeans avsnitt 7.3.3 og hans oppfølgingsartikkel er vellykket med å gi en fullstendig og korrekt redegjørelse for løft, er åpen for tolkning Det er grunner til at det er vanskelig å produsere en klar, enkel og tilfredsstillende redegjørelse for aerodynamisk løft. For det første er væskestrømmer mer komplekse og vanskeligere å forstå enn bevegelsene til faste gjenstander, spesielt væske strømmer som skiller seg ved vingens fremkant og er utsatt for forskjellige fysiske krefter langs toppen og bunnen. Noen av tvister om løft involverer ikke fakta i seg selv, men snarere hvordan disse fakta skal tolkes, noe som kan innebære spørsmål som det er umulig å bestemme ved eksperiment.

Likevel er det på dette punktet bare noen få utestående forhold som krever forklaring. Løft, som du husker, er et resultat av trykkforskjellene mellom topp- og bunndelene på en bæreprofil. Vi har allerede en akseptabel forklaring på hva som skjer i bunnen av en bæreprofil: den møtende luften skyver på vingen både vertikalt (produserer løft) og horisontalt (produserer luftmotstand). Det oppadgående skyvet eksisterer i form av høyere trykk under vingen, og dette høyere trykket er et resultat av enkel newtonske handlinger og reaksjoner.

Ting er imidlertid ganske forskjellige øverst på vingen. Et område med lavere trykk eksisterer der som også er en del av den aerodynamiske løftekraften. Men hvis verken Bernoullis prinsipp eller Newtons tredje lov forklarer det, hva gjør det? Vi vet fra strømlinjeformet at luften over vingen fester seg tett til den nedadrettede krumningen på bunnbladet. Men hvorfor må pakkene med luft som beveger seg over vingens toppflate følge dens nedadgående krumning? Hvorfor kan de ikke skille seg fra det og fly rett tilbake?

Mark Drela, professor i væskedynamikk ved Massachusetts Institute of Technology og forfatter av Flight Vehicle Aerodynamics, gir et svar: «Hvis pakkene et øyeblikk fløy av tangens til overflaten på bæreflaten, det ville bokstavelig talt oppstå et vakuum under dem, «forklarer han.» Dette vakuumet vil da suge ned pakkene til de for det meste fyller ut vakuumet, dvs. til de beveger seg tangent til bunken igjen. . Dette er den fysiske mekanismen som tvinger pakkene til å bevege seg langs bunnformen. Det gjenstår et lite delvis vakuum for å opprettholde pakkene i en buet bane. ”

Dette trekker bort eller trekker ned luftpakningene fra de nærliggende pakkene ovenfor, er det som skaper området med lavere trykk på vingen.Men en annen effekt følger også denne handlingen: høyere luftstrømningshastighet på vingen. «Det reduserte trykket over en løftevinge» trekker også horisontalt «på luftpakker når de nærmer seg fra oppstrøms, slik at de har høyere hastighet når de kommer over vingen,» sier Drela. «Så den økte hastigheten over løftevingen kan sees på som en bivirkning av det reduserte trykket der. ”

Men som alltid, når det gjelder å forklare løft på ikke-teknisk nivå, vil en annen ekspert ha et annet svar. Cambridge aerodynamiker Babinsky sier: «Jeg hater å være uenig med min anerkjente kollega Mark Drela, men hvis opprettelsen av et vakuum var forklaringen, er det vanskelig å forklare hvorfor strømmen noen ganger skiller seg fra overflaten. Men han har rett i alt annet. Problemet er at det ikke er noen rask og enkel forklaring. «

Drela innrømmer selv at forklaringen hans er utilfredsstillende på noen måter.» Et åpenbart problem er at det ikke er noen forklaring som vil bli allment akseptert. ,» han sier. Så hvor forlater det oss? I virkeligheten akkurat der vi startet: med John D. Anderson, som sa: «Det er ikke noe enkelt svar på dette.»