Nikt nie może wyjaśnić, dlaczego samoloty pozostają w powietrzu

Następnie Einstein przystąpił do wyjaśnienia, które zakładało nieściśliwe, pozbawione tarcia płyn – to znaczy idealny płyn. Nie wymieniając Bernoulliego z imienia i nazwiska, przedstawił sprawozdanie, które jest zgodne z zasadą Bernoulliego, mówiąc, że ciśnienie płynu jest większe, gdy jego prędkość jest wolniejsza i odwrotnie. Aby wykorzystać te różnice ciśnień, Einstein zaproponował płat z wybrzuszeniem na górze, tak że kształt zwiększyłby prędkość przepływu powietrza nad wybrzuszeniem, a tym samym zmniejszyłby ciśnienie również tam.

Einstein prawdopodobnie pomyślał, że jego ideał- analiza płynów miałaby równie dobre zastosowanie do rzeczywistych przepływów cieczy. W 1917 roku, na podstawie swojej teorii, Einstein zaprojektował płat, który później stał się znany jako tylne skrzydło kota ze względu na podobieństwo do garbatego grzbietu rozciągającego się kota. Projekt przekazał producentowi samolotów LVG (Luftverkehrsgesellschaft) w Berlinie, który zbudował wokół niego nową maszynę latającą. Pilot testowy zgłosił, że statek kołysał się w powietrzu jak „ciężarna kaczka”. Znacznie później, w 1954 roku, sam Einstein nazwał swoją wyprawę w aeronautykę „młodzieńczym szaleństwem”. Osobie, która dała nam radykalnie nowe teorie, które przenikały zarówno do najmniejszych, jak i największych elementów wszechświata, nie udało się jednak wnieść pozytywnego wkładu w zrozumienie mechanizmu nośnego ani wymyślić praktycznego projektu płata.

W kierunku Kompletna teoria podnoszenia

Współczesne naukowe podejścia do projektowania samolotów są domeną symulacji obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) i tak zwanych równań Naviera-Stokesa, które w pełni uwzględniają rzeczywistą lepkość powietrza . Rozwiązania tych równań i wyniki symulacji CFD pozwalają przewidzieć rozkład ciśnienia, wzorce przepływu powietrza i wyniki ilościowe, które są podstawą dzisiejszych wysoce zaawansowanych projektów samolotów. Jednak same w sobie nie dają fizycznego, jakościowego wyjaśnienia siły nośnej.

Jednak w ostatnich latach czołowy aerodynamik Doug McLean próbował wyjść poza czysty formalizm matematyczny i uporać się z fizyczną przyczyną – relacje i efekty, które odpowiadają za windę we wszystkich jej rzeczywistych przejawach. McLean, który większość swojej kariery zawodowej spędził jako inżynier w Boeing Commercial Airplanes, gdzie specjalizował się w tworzeniu kodu CFD, opublikował swoje nowe pomysły w tekście Zrozumieć aerodynamikę z 2012 roku: Argumentując z prawdziwej fizyki.

Rozważając że książka obejmuje ponad 500 stron dość gęstej analizy technicznej, zaskakujące jest zobaczenie, że zawiera ona sekcję (7.3.3) zatytułowaną „Podstawowe wyjaśnienie dźwigu na płatowcu, dostępny dla nietechnicznej publiczności”. Wytworzenie tych 16 stron nie było łatwe dla McLeana, mistrza tematu, w istocie było to „prawdopodobnie najtrudniejsze do napisania części książki” – mówi autor. „Widział więcej poprawek, niż mogę zliczyć. Nigdy nie byłem z niego do końca zadowolony.”

Złożone wyjaśnienie McLeana dotyczące siły nośnej zaczyna się od podstawowego założenia całej zwykłej aerodynamiki: powietrze wokół skrzydła działa jak „ ciągły materiał, który odkształca się, dopasowując się do konturów płata ”. Odkształcenie to występuje w postaci głębokiego strumienia płynu zarówno nad, jak i pod skrzydłem. „Profil płata wpływa na ciśnienie w dużym obszarze w tak zwanym polu ciśnienia” – pisze McLean. „Kiedy powstaje siła nośna, rozproszona chmura niskiego ciśnienia zawsze tworzy się nad płatem, a rozproszona chmura wysokiego ciśnienia zwykle tworzy się poniżej . Tam, gdzie te chmury dotykają płata, stanowią różnicę ciśnień, która wywiera siłę nośną na płat. ”

Skrzydło wypycha powietrze w dół, powodując skierowanie przepływu powietrza w dół. Powietrze nad skrzydłem jest przyspieszane zgodnie z zasadą Bernoulliego. Ponadto pod skrzydłem znajduje się obszar wysokiego ciśnienia, a powyżej obszar niskiego ciśnienia. Oznacza to, że istnieją cztery niezbędne elementy w wyjaśnieniu siły nośnej przez McLeana: obrót w dół przepływu powietrza, wzrost prędkości przepływu powietrza, obszar niskiego ciśnienia i obszar wysokiego ciśnienia.

Ale tak jest. wzajemna zależność między tymi czterema elementami, która jest najbardziej nowatorskim i charakterystycznym aspektem relacji McLeana. „Wspierają się nawzajem w związku przyczynowo-skutkowym i żadna nie istniałaby bez innych” – pisze. „Różnice ciśnień wywierają siłę nośną na płat, podczas gdy obrót w dół przepływu i zmiany w prędkość przepływu wytrzymuje różnice ciśnień.„To właśnie ta wzajemna zależność stanowi piąty element wyjaśnienia McLeana: wzajemność między pozostałymi czterema. To tak, jakby te cztery składniki wspólnie powstały i podtrzymały się poprzez jednoczesne akty wzajemnego tworzenia i przyczynowości.

Wydaje się, że w tej synergii jest ślad magii. Proces, który opisuje McLean, wydaje się być podobny do tego, że czterech aktywnych agentów podciąga się sobie nawzajem, aby wspólnie utrzymać się w powietrzu. Lub, jak przyznaje, jest to przypadek „cyklicznej przyczyny i skutku”. W jaki sposób każdy element interakcji może podtrzymywać i wzmacniać wszystkie inne? I co powoduje tę wzajemną, wzajemną, dynamiczną interakcję? Odpowiedź McLeana: druga zasada dynamiki Newtona.

Drugie prawo Newtona stanowi że przyspieszenie ciała lub paczki płynu jest proporcjonalne do siły wywieranej na nie. ”Drugie prawo Newtona mówi nam, że kiedy różnica ciśnień narzuca siłę netto na paczkę z płynem, musi powodować zmianę prędkości lub kierunek (lub oba) ruchu paczki ”- wyjaśnia McLean. Ale na odwrót, różnica ciśnień zależy od przyspieszenia paczki i istnieje z tego powodu.

Czy nie dostajemy tu czegoś za nic? McLean mówi, że nie: gdyby skrzydło było w spoczynku, żadna część tego skupiska wzajemnie się wzmacniających działań nie istniałaby. Ale fakt, że skrzydło porusza się w powietrzu, a każda paczka wpływa na wszystkie inne, powoduje powstanie tych współzależnych elementów i utrzymuje je przez cały lot.

Włączanie wzajemności podnoszenia

Wkrótce po publikacji Understanding Aerodynamics McLean zdał sobie sprawę, że nie uwzględnił w pełni wszystkich elementów siły nośnej aerodynamicznej, ponieważ nie wyjaśnił w przekonujący sposób, co powoduje zmianę ciśnienia na skrzydle z otoczenia. Dlatego w listopadzie 2018 roku McLean opublikował dwuczęściowy artykuł w The Physics Teacher, w którym zaproponował „kompleksowe fizyczne wyjaśnienie” siły nośnej aerodynamicznej.

Chociaż artykuł w dużej mierze stanowi powtórzenie wcześniejszej argumentacji McLeana, próbuje również lepiej wyjaśnić, co powoduje, że pole ciśnienia jest niejednorodne i przyjąć fizyczny kształt, który ma. W szczególności jego nowy argument wprowadza wzajemne oddziaływanie na poziomie pola przepływu, tak aby wynikało niejednorodne pole ciśnienia. siły przyłożonej, skierowanej w dół siły wywieranej na powietrze przez płat.

Czy sekcja 7.3.3 McLeana i jego artykuł uzupełniający są skuteczne w dostarczaniu pełnego i poprawnego opisu siły nośnej, jest otwarte do interpretacji i debata. Istnieją powody, dla których trudno jest stworzyć jasny, prosty i zadowalający opis siły nośnej aerodynamicznej. Po pierwsze, przepływy płynów są bardziej złożone i trudniejsze do zrozumienia niż ruchy ciał stałych, zwłaszcza cieczy przepływy, które rozdzielają się na krawędzi natarcia skrzydła i podlegają różnym siłom fizycznym wzdłuż górnej i dolnej części. Niektóre spory dotyczące podnoszenia dotyczą nie samych faktów, ale raczej tego, jak te fakty należy interpretować, co może obejmować kwestie, których nie można rozstrzygnąć eksperymentalnie.

Niemniej jednak w tym momencie jest tylko kilka nierozstrzygnięte sprawy wymagające wyjaśnienia. Podnoszenie, jak pamiętasz, jest wynikiem różnicy ciśnień między górną i dolną częścią płata. Mamy już akceptowalne wyjaśnienie tego, co dzieje się w dolnej części profilu: nadlatujące powietrze naciska na skrzydło zarówno pionowo (powodując siłę nośną), jak i poziomo (powodując opór). Pchnięcie w górę występuje w postaci wyższego ciśnienia poniżej skrzydła, a to wyższe ciśnienie jest wynikiem prostej akcji i reakcji Newtona.

Jednak w górnej części skrzydła sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Istnieje tam obszar niższego ciśnienia, który jest również częścią aerodynamicznej siły podnoszącej. Ale jeśli ani zasada Bernoulliego, ani trzecie prawo Newtona tego nie wyjaśniają, to co? Wiemy z linii opływowych, że powietrze nad skrzydłem ściśle przylega do zakrzywienia płata skierowanego w dół. Ale dlaczego paczki powietrza poruszające się po górnej powierzchni skrzydła muszą podążać za jego krzywizną w dół? Dlaczego nie mogą się od niego oddzielić i odlecieć prosto z powrotem?

Mark Drela, profesor dynamiki płynów z Massachusetts Institute of Technology i autor Aerodynamiki pojazdów lotniczych, odpowiada: „Jeśli paczki zostaną odleciał stycznie do górnej powierzchni płata, pod nimi powstałby dosłownie podciśnienie ”, wyjaśnia.„ Ta próżnia zasysałaby paczki, aż w większości wypełniłyby próżnię, tj. do momentu, gdy ponownie przesunęłyby się stycznie do profilu . Jest to fizyczny mechanizm, który zmusza paczki do przemieszczania się wzdłuż kształtu płata. Pozostaje niewielka częściowa próżnia, aby utrzymać paczki na zakrzywionej ścieżce. ”

To odciągnięcie lub ściągnięcie paczek powietrznych z sąsiednich paczek powyżej jest tym, co tworzy obszar niższego ciśnienia na szczycie skrzydła.Ale tej akcji towarzyszy również inny efekt: wyższa prędkość przepływu powietrza na szczycie skrzydła. „Zmniejszone ciśnienie nad skrzydłem podnoszącym„ ciągnie również poziomo ”paczki powietrzne, gdy zbliżają się z góry, dzięki czemu osiągają większą prędkość, zanim znajdą się nad skrzydłem” – mówi Drela. „Więc zwiększona prędkość nad skrzydłem podnoszącym może być postrzegane jako efekt uboczny zmniejszonego ciśnienia.

Ale jak zawsze, jeśli chodzi o wyjaśnienie wzrostu na poziomie nietechnicznym, inny ekspert będzie miał inną odpowiedź. Aerodynamik z Cambridge Babinsky mówi: „Nienawidzę nie zgadzać się z moim szanowanym kolegą Markiem Drelą, ale jeśli wyjaśnieniem było powstanie próżni, to trudno jest wyjaśnić, dlaczego czasami przepływ mimo wszystko oddziela się od powierzchni. wszystko inne. Problem polega na tym, że nie ma szybkiego i łatwego wyjaśnienia. ”

Sam Drela przyznaje, że jego wyjaśnienie jest pod pewnymi względami niezadowalające.„ Jednym z widocznych problemów jest to, że nie ma wyjaśnienia, które byłoby powszechnie akceptowane ,” on mówi. Więc gdzie to nas prowadzi? W efekcie dokładnie tam, gdzie zaczęliśmy: od Johna D. Andersona, który stwierdził: „Nie ma na to prostej, jednoznacznej odpowiedzi”.