Nimeni nu poate explica de ce rămân avioanele în aer

Einstein a continuat apoi să ofere o explicație care presupunea o incompresiune, fără fricțiuni fluid – adică un fluid ideal. Fără să-l menționeze pe Bernoulli pe nume, el a dat o relatare care este în concordanță cu principiul lui Bernoulli, spunând că presiunea fluidului este mai mare acolo unde viteza sa este mai lentă și invers. Pentru a profita de aceste diferențe de presiune, Einstein a propus un profil aerian cu o umflătură deasupra, astfel încât forma să crească viteza fluxului de aer deasupra umflăturii și astfel să scadă presiunea și acolo.

Einstein probabil a crezut că idealul său analiza fluidelor s-ar aplica la fel de bine fluxurilor de fluide din lumea reală. În 1917, pe baza teoriei sale, Einstein a proiectat un profil aerian care mai târziu a devenit cunoscut sub numele de aripă de spate a unei pisici datorită asemănării sale cu spatele cocos al unei pisici care se întindea. El a adus designul producătorului de aeronave LVG (Luftverkehrsgesellschaft) din Berlin, care a construit o mașină de zbor nouă în jurul său. Un pilot de testare a raportat că ambarcațiunea se plimba în aer ca „o rață însărcinată”. Mult mai târziu, în 1954, Einstein însuși a numit excursia sa în aeronautică o „nebunie tânără”. Individul care ne-a oferit teorii radical noi, care au pătruns atât în cele mai mici, cât și în cele mai mari componente ale universului, nu a reușit totuși să aducă o contribuție pozitivă la înțelegerea liftului sau să vină cu un design practic al aerului.

Spre o Teorie completă a ridicării

Abordările științifice contemporane ale proiectării aeronavelor sunt provincia simulărilor dinamicii de fluid computaționale (CFD) și așa-numitele ecuații Navier-Stokes, care țin cont pe deplin de vâscozitatea reală a aerului real . Soluțiile acestor ecuații și rezultatele simulărilor CFD produc predicții de distribuție a presiunii, modele de flux de aer și rezultate cantitative care stau la baza proiectelor de avioane extrem de avansate de astăzi. Totuși, ei nu oferă de la sine o explicație fizică și calitativă a ridicării.

În ultimii ani, totuși, liderul aerodinamician Doug McLean a încercat să depășească formalismul matematic și să facă față cauzei fizice. relațiile și efectul care explică creșterea în toate manifestările sale din viața reală. McLean, care și-a petrecut cea mai mare parte a carierei profesionale ca inginer la Boeing Commercial Airplanes, unde s-a specializat în dezvoltarea codurilor CFD, și-a publicat noile idei în textul din 2012 Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

că cartea rulează la mai mult de 500 de pagini de analize tehnice destul de dense, este surprinzător să vedem că include o secțiune (7.3.3) intitulată „O explicație de bază a ridicării pe un aripă aeriană, accesibilă unui public non-tehnic”. Producerea acestor 16 pagini nu a fost ușoară pentru McLean, un maestru al subiectului; într-adevăr, a fost „probabil cea mai grea parte a cărții de scris”, spune autorul. „A văzut mai multe revizuiri decât pot conta. Nu am fost niciodată pe deplin mulțumit de asta.”

Explicația complexă a lui McLean despre ridicare începe cu presupunerea de bază a tuturor aerodinamicii obișnuite: aerul din jurul unei aripi acționează ca „un material continuu care se deformează pentru a urma contururile profilului aerian. ” Această deformare există sub forma unei adâncimi de flux de fluid atât deasupra cât și sub aripă. „Foaia aeriană afectează presiunea pe o zonă largă în ceea ce se numește câmp de presiune”, scrie McLean. „Când se produce ridicarea, întotdeauna se formează un nor difuz de presiune scăzută deasupra foliei aeriene, iar un nor difuz de presiune înaltă se formează de obicei sub . În cazul în care acești nori ating flota aeriană, acestea constituie diferența de presiune care exercită ridicarea asupra floturii aeriene. ”

Aripa împinge aerul în jos, rezultând o rotație descendentă a fluxului de aer. Aerul de deasupra aripii este accelerat în conformitate cu principiul lui Bernoulli. În plus, există o zonă de presiune ridicată sub aripă și o regiune de presiune scăzută deasupra. Aceasta înseamnă că există patru componente necesare în explicația lui McLean despre ridicare: o rotire descendentă a fluxului de aer, o creștere a vitezei fluxului de aer, o zonă de presiune scăzută și o zonă de presiune ridicată.

Dar este relația dintre aceste patru elemente, care este cel mai nou și distinctiv aspect al relatării lui McLean. „Acestea se susțin reciproc într-o relație reciprocă cauză-efect și niciuna nu ar exista fără celelalte”, scrie el. „Diferențele de presiune exercită forța de ridicare asupra aripii, în timp ce rotirea descendentă a fluxului și schimbările în viteza de curgere susține diferențele de presiune.„Această relație este cea care constituie un al cincilea element al explicației lui McLean: reciprocitatea între celelalte patru. Este ca și cum aceste patru componente colectiv se aduc la existență și se susțin, prin acte simultane de creație reciprocă și cauzalitate.

Pare să existe un indiciu de magie în această sinergie. Procesul pe care McLean îl descrie pare asemănător cu patru agenți activi care se ridică unul pe celălalt pentru a se menține în aer în mod colectiv. Sau, după cum recunoaște, este un caz de „cauză-efect circulară”. Cum este posibil ca fiecare element al interacțiunii să susțină și să le consolideze pe toate celelalte? Și ce cauzează această interacțiune reciprocă, dinamică? Răspunsul lui McLean: a doua lege a mișcării lui Newton.

A doua lege a lui Newton afirmă că accelerația unui corp, sau a unui pachet de fluid, este proporțională cu forța exercitată asupra acestuia. „A doua lege a lui Newton ne spune că atunci când o diferență de presiune impune o forță netă asupra unui pachet de fluid, trebuie să provoace o schimbare a vitezei sau direcția (sau ambele) a mișcării coletului ”, explică McLean. Dar reciproc, diferența de presiune depinde și există din cauza accelerării coletului.

Nu primim ceva degeaba aici? McLean spune că nu: dacă aripa ar fi în repaus, nu ar exista nicio parte din acest grup de activități care se întăresc reciproc. Dar faptul că aripa se mișcă prin aer, fiecare parcelă afectând toate celelalte, aduce aceste elemente co-dependente în existență și le susține pe tot parcursul zborului.

Activarea Reciprocității Ridicării

La scurt timp după publicarea Understanding Aerodynamics, McLean și-a dat seama că nu a explicat pe deplin toate elementele ascensiunii aerodinamice, deoarece nu a explicat în mod convingător ceea ce face ca presiunile de pe aripă să se schimbe din mediul ambiant. Așadar, în noiembrie 2018, McLean a publicat un articol din două părți în The Physics Teacher în care propunea „o explicație fizică cuprinzătoare” a ridicării aerodinamice.

Deși articolul reafirmă în mare măsură argumentul anterior al lui McLean, acesta de asemenea, încearcă să adauge o explicație mai bună a ceea ce face ca câmpul de presiune să fie neuniform și să-și asume forma fizică pe care o face. În special, noul său argument introduce o interacțiune reciprocă la nivelul câmpului de flux, astfel încât câmpul de presiune neuniform să fie un rezultat a unei forțe aplicate, forța descendentă exercitată în aer de către aripa aeriană.

Dacă secțiunea 7.3.3 a lui McLean și articolul său de urmărire au reușit să ofere o relatare completă și corectă a ridicării este deschis interpretării Există motive pentru care este dificil să se producă o relatare clară, simplă și satisfăcătoare a ridicării aerodinamice. În primul rând, fluxurile de fluide sunt mai complexe și mai greu de înțeles decât mișcările obiectelor solide, în special fluidele. fluxuri care se separă la marginea de aripă a aripii și sunt supuse unor forțe fizice diferite de-a lungul vârfului și al josului. Unele dintre disputele privind ridicarea implică nu faptele în sine, ci mai degrabă modul în care aceste fapte trebuie interpretate, ceea ce poate implica probleme care sunt imposibil de decis prin experiment.

Cu toate acestea, în acest moment există doar câteva chestiuni restante care necesită explicații. Liftul, după cum vă veți aminti, este rezultatul diferențelor de presiune dintre părțile superioare și inferioare ale unui profil aerian. Avem deja o explicație acceptabilă pentru ceea ce se întâmplă în partea de jos a unui profil aerian: aerul care se apropie împinge pe aripă atât vertical (producând ridicarea), cât și orizontal (producând rezistență). Împingerea ascendentă există sub formă de presiune mai mare sub aripă, iar această presiune mai mare este rezultatul unei simple acțiuni și reacții newtoniene.

Cu toate acestea, lucrurile sunt destul de diferite în partea de sus a aripii. Există o regiune cu presiune mai mică care face parte, de asemenea, din forța de ridicare aerodinamică. Dar dacă nici principiul lui Bernoulli, nici a treia lege a lui Newton nu îl explică, ce înseamnă? Știm din fluxurile aeriene că aerul de deasupra aripii aderă îndeaproape la curbura descendentă a planetei. Dar de ce parcelele de aer care se deplasează pe suprafața superioară a aripii trebuie să urmeze curbura ei descendentă? De ce nu se pot separa de el și zbura direct înapoi?

Mark Drela, profesor de dinamică a fluidelor la Massachusetts Institute of Technology și autor al Flight Vehicle Aerodynamics, oferă un răspuns: „Dacă coletele sunt momentan a zburat tangent la suprafața superioară a profilului aerian, ar exista literalmente un vid creat sub ele „, explică el.” Acest vid ar aspira apoi pachetele până când acestea vor umple în cea mai mare parte vidul, adică până când se vor deplasa din nou tangente la profilul aerodinamic. . Acesta este mecanismul fizic care forțează coletele să se deplaseze de-a lungul formei aerodinamice. Rămâne un ușor vid parțial pentru a menține coletele pe o cale curbată. ”

Această atragere sau tragerea în jos a acelor colete de aer din coletele vecine de deasupra este ceea ce creează zona de presiune mai mică deasupra aripii.Dar un alt efect însoțește și această acțiune: viteza mai mare a fluxului de aer în vârful aripii. „Presiunea redusă asupra unei aripi de ridicare„ trage pe orizontală ”și asupra coletelor de aer pe măsură ce se apropie din amonte, astfel încât acestea au o viteză mai mare până când ajung deasupra aripii”, spune Drela. „Deci viteza crescută deasupra aripii de ridicare poate fi privit ca un efect secundar al presiunii reduse acolo. ”

Dar ca întotdeauna, atunci când vine vorba de explicarea ascensiunii la nivel netecnic, un alt expert va avea un alt răspuns. Aerodinamicianul Cambridge Babinsky spune: „Urăsc să nu fiu de acord cu stimatul meu coleg Mark Drela, dar dacă crearea unui vid ar fi explicația, atunci este greu să explic de ce uneori fluxul se separă totuși de suprafață. Dar el are dreptate în orice altceva. Problema este că nu există o explicație rapidă și ușoară. „

Însuși Drela recunoaște că explicația sa este nesatisfăcătoare în anumite privințe.” O problemă aparentă este că nu există nicio explicație care să fie acceptată universal ,” el spune. Deci, unde ne lasă asta? De fapt, chiar de unde am început: cu John D. Anderson, care a declarat: „Nu există un răspuns simplu la acest lucru.”