Lift

O schemă calitativă tipică în care sunt reprezentate principalele forțe care acționează asupra unei aeronave: ridicare (L), tracțiune (D), greutate (W) și tracțiune (T). V indică direcția aparentă a vântului.

Liftul (adesea prescurtat cu litera L, din cuvântul englezesc Lift) este componenta forței aerodinamice globale calculată în direcția perpendiculară pe direcția relativă a vântului.

În mod obișnuit asociat cu aripa unui avion , ridicarea este generată și de mișcarea palelor principale ale rotorului unui elicopter , de pânzele și chila unui velier sau de hidrofoiluri . În mecanica de zbor este forța care permite unei aeronave sau unei păsări să se mențină în zbor, atunci când aceasta este mai mare sau egală cu forța de greutate .

Geneza ridicării pe un profil aerian

Același subiect în detaliu: Airfoil .

Profilul aripii:
α : incidență geometrică
c : frânghie
1 : linia de ridicare zero
2 : muchia de conducere
3 : cerc oscilant al muchiei anterioare
4 : grosime
5 : curbură
6 : spate
7 : muchia de ieșire
8 : linie de arcuire mijlocie
9 : burta.

Tendința coeficientului de presiune pe două profiluri aeriene pentru două unghiuri de atac:
1 : profil simetric cu incidență de ridicare zero
2 : profil asimetric cu incidență de ridicare zero
3 : profil simetric cu incidența ridicării pozitive
4 : profil asimetric cu incidență de ridicare pozitivă.
De asemenea, s-au trasat vectorii de ridicare (indicați cu L , ridicare ).

Forța aerodinamică totală este generată de diferența de presiune dintre suprafața superioară și inferioară a corpului. Pentru a explica această diferență de presiune, pot fi utilizate diferite legi fizice fundamentale, cum ar fi principiile dinamicii , teorema lui Bernoulli , legea conservării masei (fizică) și a impulsului (care este o formulare a celei de-a doua legi a dinamicii). Drept urmare, există diferite interpretări fizice cu diferite grade de rigoare științifică și complexitate ^[1] .

Mai târziu vom lua în considerare o aripă aeriană sau, care este același, o aripă tridimensională de deschidere infinită, cufundată într-un curent uniform. Forța aerodinamică totală va fi generată de diferența de presiune dintre burtă (porțiunea inferioară a perimetrului profilului de la marginea anterioară până la marginea finală) și spate (porțiunea perimetrală superioară a profilului).

Interpretare generală: reacție la o deviere

Mișcarea relativă a aeronavei în raport cu aerul afectează o anumită masă de fluid. În special, masa de aer pe unitate de timp care investește corpul este dată de produsul densității aerului pentru viteza de zbor ( viteza asimptotică ) și pentru o zonă de „trecere” care este în esență forma corpului funcție și, în special pentru o aeronavă, a suprafeței aripii. Prin urmare, putem pune:

{\dot {m}}=\rho \cdot V\cdot A\cdot K_{m}

{\ displaystyle {\ dot {m}} = \ rho \ cdot V \ cdot A \ cdot K_ {m}}

{{\ dot m}} = \ rho \ cdot V \ cdot A \ cdot K_ {m}

Geometria aripii și poziția acesteia față de viteza asimptotică sunt de natură să inducă o accelerație descendentă în aer, care este în general variabilă de-a lungul anvergurii aripilor.

Valoarea medie a variației vitezei verticale induse (denumită și tehnic " spălare descendentă ") depinde de geometria aripii și, pentru unghiuri mici de atac , este aproximativ liniară cu aceasta.

Trebuie remarcat faptul că această deviere a fluxului descendent apare nu numai pentru că este forțată să schimbe direcția datorită părții inferioare a aripii, ci și datorită acelor linii de curgere care „înconjoară” partea din spate a curbei superioare a aerului în curbare (vezi și Efectul Coandă ). De fapt, în starea aerodinamică de blocare , în timp ce contribuția debitului superior este mai mică (datorită pierderii laminarității), variația celui inferior este încă prezentă, cu rezultatul că ridicarea nu se anulează, dar este aproximativ înjumătățit: acest lucru este suficient pentru a pune călărețul în dificultate, dar cu o senzație nu la fel de clară ca cea a unei căderi libere „reale”.

Prin urmare, avem:

{\Delta V}=K_{v}\cdot V\cdot \mathrm {sen} {\alpha }

{\ displaystyle {\ Delta V} = K_ {v} \ cdot V \ cdot \ mathrm {sen} {\ alpha}}

{\ Delta V} = K_ {v} \ cdot V \ cdot {\ mathrm {sen}} {\ alpha}

adică

{\Delta V}\simeq K_{v}\cdot V\cdot {\alpha }

{\ displaystyle {\ Delta V} \ simeq K_ {v} \ cdot V \ cdot {\ alpha}}

{\ Delta V} \ simeq K_ {v} \ cdot V \ cdot {\ alpha}

in care $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ este unghiul de atac, V este viteza de zbor, în timp ce constanta $K_{v}$ ${\ displaystyle K_ {v}}$ $K_ {v}$ depinde în continuare de geometria aripii (și în special, în acest caz, de raportul de aspect ).

Pentru a treia lege a lui Newton , se obține o forță opusă variației vitezei descendente și proporțională cu densitatea aerului, cu pătratul vitezei de zbor, cu unghiul de atac plus un anumit număr de constante, în funcție de forma „ aripă (sau mai general, din corp):

L={\dot {m}}\cdot {\Delta V}

{\ displaystyle L = {\ dot {m}} \ cdot {\ Delta V}}

L = {{\ dot m}} \ cdot {\ Delta V}

De obicei se utilizează un coeficient adimensional numit coeficient de ridicare , definit ca:

C_{L}={\frac {L}{{\frac {1}{2}}\rho \,V^{2}\,S}}

{\ displaystyle C_ {L} = {\ frac {L} {{\ frac {1} {2}} \ rho \, V ^ {2} \, S}}}

C_ {L} = {\ frac {L} {{\ frac {1} {2}} \ rho \, V ^ {2} \, S}}

in care:

ρ este densitatea aerului (1,225 kg / m³ la nivelul mării)
V este viteza de zbor;
S este suprafața aripii ;
L este forța de ridicare produsă.

Interpretare globală alternativă: diferențial de presiune statică

Generarea de ridicare poate fi atribuită distribuției presiunii în jurul corpului care trece prin fluid.

Pe o aripă, producția de ridicare se datorează diferențelor de presiune dintre burtă și spate. Această diferență de presiune generează o forță aerodinamică F rezultată a cărei componentă ortogonală la direcția de mișcare este ridicarea L , în timp ce componenta paralelă și opusă vitezei este forța de tracțiune D.

Tendința coardei coeficientului de presiune pe un profil aerian cu coarda egală cu 1 metru. Zona inclusă în curbă reprezintă forța rezultată. Valorile lui Cp <0 sunt reprezentative pentru o forță ascendentă

De obicei, pentru o aripă compusă din două jumătăți simetrice, această forță se află în planul de simetrie:

\mathbf {F} =\mathbf {L} +\mathbf {D} =\oint _{\partial \Omega }p\mathbf {n} \;ds

{\ displaystyle \ mathbf {F} = \ mathbf {L} + \ mathbf {D} = \ oint _ {\ partial \ Omega} p \ mathbf {n} \; ds}

{\ mathbf {F}} = {\ mathbf {L}} + {\ mathbf {D}} = \ oint _ {{\ partial \ Omega}} p {\ mathbf {n}} \; ds

in care:

F este vectorul forței aerodinamice,
L este vectorul de ridicare,
D este vectorul de rezistență indus ,
$\partial \Omega$ ${\ displaystyle \ partial \ Omega}$ $\ partial \ Omega$ este frontiera domeniului integrării,
p este presiunea,
n este vectorul unitar normal la suprafață.

Mai precis, combinația de unghi de atac , curbură și grosime a aripii produce o tendință de presiune pe suprafața sa, care are ca rezultat o forță aerodinamică. De fapt, forma aripii aeriene modifică câmpul de mișcare din jurul său, provocând o schimbare a vitezei tangențiale locale pe suprafața profilului: de-a lungul extrado-ului, vitezele sunt mai mari decât cele de-a lungul intrados-ului.

Simplificând condițiile acestei interpretări cu excluderea factorilor, oricât de importanți, cum ar fi vâscozitatea aerului, obținem un model ireal, dar confortabil, prin utilizarea ecuației Bernoulli . Aceasta este utilizată în mod istoric pentru a oferi o înțelegere grosieră, dar eficientă, a distribuției presiunii în jurul profilului personalului mai interesat de utilizarea ascensorului decât de proiectare (piloți, tehnicieni etc.). De fapt, permite conectarea vitezei pe profil la presiune într-un mod ușor de înțeles: acolo unde particulele de fluid au o viteză mai mare, există o scădere a presiunii și invers. Se obține astfel o folie aeriană "aspirată" în sus, unde cea mai mare contribuție la ridicare este dată de depresiunea dorsală.

Limitele acestui mod de procedare stau în ipotezele din amonte de scrierea ecuației Bernoulli într-un regim incompresibil, printre care amintim staționaritatea fluxului, incompresibilitatea (în regim subsonic deci) și absența vâscozității (fluid ideal ).

Cu toate acestea, rămâne un instrument valid pentru estimarea preliminară a performanței unei aripi în condiții non "extreme" (unghiuri de atac reduse, viteze mici etc.) datorită prezenței metodelor de inginerie pentru evaluarea separată a efectelor vâscozității și compresibilitate.

Aplicarea ipotezei fluidelor nevâscoase duce, totuși, la o incertitudine matematică și la absurdități fizice. Pentru a simula efectele fricțiunii și inerției (legate și de efectul Coandă ) și a închide problema matematică, se impune așa-numita condiție Kutta . De exemplu, o condiție Kutta corespunde impunerii că liniile curente împărțite de un aripă se reunesc la marginea din spate .

Teoria circulației

O altă modalitate de a explica geneza forței de ridicare își ia reperul din raționamentul aproape exclusiv matematic. Deși mult mai precisă decât precedentele, această demonstrație nu este foarte intuitivă; aici sunt expuse doar punctele esențiale.

Discuția presupune cunoașterea teoremelor lui Helmholtz privind conservarea vorticității (sau, prin extensie, a unui tub vortex într-un câmp fluid-dinamic) și a teoremei Kutta-Žukovskij , care ne permite să dovedim că un corp lovit de un curentul fluid al vitezei atribuite, în jurul căruia există o circulație diferită de zero, suferă acțiunea unei forțe normale vitezei și a direcției obținute prin rotirea vectorului vitezei cu 90 ° în direcția opusă direcției circulației în sine (vezi și efectul Magnus ).

Circulația poate fi definită ca circulația vitezei aerului de-a lungul unui „circuit” închis care închide corpul (acest lucru permite definirea cantității de vorticitate în jurul corpului).

Aplicând acest argument în cazul unei foi aeriene lovite de un curent fluid, obținem nașterea unei forțe „purtătoare” (pe unitate de deschidere) îndreptată în sus și a cărei intensitate este dată de:

{l}=-{\rho }V\Gamma \,

{\ displaystyle {l} = - {\ rho} V \ Gamma \,}

{l} = - {\ rho} V \ Gamma \,

in care $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ este densitatea aerului, $V.$ ${\ displaystyle V}$ $V.$ este viteza curentului "asimptotic", e $\Gamma$ ${\ displaystyle \ Gamma}$ $\Gamă$ este valoarea circulației .

Cu toate acestea, în acest moment este necesar să se facă câteva considerații: conform teoremei lui Kutta-Žukovskij, valoarea ascensorului produs de un aerofil într-un fluid ideal este legată de valoarea circulației în jurul acestuia, dar pentru teoremele Helmholtz ale conservarea vorticității, trebuie, prin urmare, să presupunem o prezență a vorticității de la începutul mișcării. Dar în această stare profilul este în repaus, câmpul de mișcare este, prin urmare, irotațional și circulația în jurul profilului este zero (vezi și paradoxul lui D'Alembert ).

Această problemă poate fi depășită considerând că modelul ideal de fluid este un model limită care poate fi vizat pentru valori tot mai mici ale coeficientului de vâscozitate, deși pentru un profil aerian efectele vâscoase nu pot fi neglijate nici în imediata vecinătate a corpului. .

De fapt, atunci când un corp începe să se miște într-un fluid inițial în repaus, „câmpul” care se realizează în primele momente este irotațional, dar fluidul din imediata vecinătate a corpului este „real”. În special, în cazul unei folii aeriene, se formează un vârtej în partea superioară a marginii finale (cunoscut și în acest caz sub numele de vortex de pornire ) datorită separării debitului cauzată de „ocolirea” traseului ascuțit muchie.de fluidul care vine din burta profilului (vezi și starea Kutta ).

În timpul fazei de accelerație, acest vortex, care este instabil, este transportat în aval și, prin urmare, „disipat” de mișcarea principală a fluidului.

Vortexul de pornire, care poseda o circulație în sens invers acelor de ceasornic, a generat, totuși, ca o consecință a îndepărtării sale, pentru teorema de conservare a vorticității Helmholtz, o circulație egală și opusă (adică în sensul acelor de ceasornic) în jurul planului aerian, care pentru teorema lui Kutta Žukovskij „în cele din urmă” generează o forță (ridicare) îndreptată în sus.

În cele din urmă, circulația în jurul profilului apare ca o reacție la cea asociată cu vortexul de pornire în timpul fazei de accelerație. În fluxul real (deci vâscos) în timpul mișcării, vârtejurile cu axa paralelă cu direcția anvergurii aripilor sunt produse în mod continuu în straturile limită ale spatelui și burții aripii.

În practică, modelul ideal al debitului poate fi considerat valabil pentru calcularea circulației în jurul corpurilor, dar este necesar să se introducă „vârtejuri ideale” pe suprafața profilului pentru a ține cont de vâscozitatea din imediata vecinătate a profilului și pentru a simulează circulațiile produse de vârtejurile bunăvoinței.

Cu aceste ipoteze, fluxul staționar în jurul unui profil aerian poate fi, prin urmare, schematizat cu suprapunerea unei mișcări uniforme de curgere rectilinie și un câmp „numai circulație” în jurul profilului.

Puncte notabile

Punctul de aplicare a forței aerodinamice, forța rezultată din sistemul de forțe elementare care acționează asupra corpului, cu privire la care momentul mecanic rezultat este deci zero, se numește centrul de presiune .

Când contribuția tracțiunii la momentul mecanic aerodinamic este neglijabilă, centrul aerodinamic coincide cu punctul de aplicare al ascensorului, astfel încât momentul mecanic față de acesta este zero.

Centrul aerodinamic , numit și focalizare sau punct neutru , este punctul în care coeficientul de moment care acționează asupra corpului (care nu este la incidențe mari) rămâne în general constant pe măsură ce incidența variază. Având în vedere rezultanta forțelor aerodinamice aplicate în acest moment, va fi, de asemenea, necesar să se ia în considerare un moment aerodinamic aplicat în general nu zero (este un sistem de forțe echivalent cu sistemul de forțe efectiv aplicat).

Mitul aceluiași timp de călătorie

Debit potențial în jurul unui profil cu un unghi de atac de 8 °. Viteza de curgere pe partea din spate a profilului este mai mare decât cea de pe burtă, iar particulele de fluid separate la marginea anterioară nu se reunesc cu marginea de ieșire.

Există o explicație incorectă, dar foarte populară a generării ascensoarelor, cunoscută sub numele de aceeași teorie a timpului de deplasare .

Conform acestei teorii, două particule fluide împerecheate care sunt împărțite la un profil solid trebuie să se reunească în mod necesar la marginea de ieșire.

Deoarece, atunci, timpul de deplasare a celor două particule de pe spate și de pe burta profilului trebuie să fie același, aerul care trece pe spate trebuie să aibă o viteză mai mare și, prin urmare, se spune, pentru principiul Bernoulli ( sau, de asemenea, datorită efectului Venturi ) o presiune mai mică decât cea prezentă pe burtă.

Această explicație este greșită, în primul rând, deoarece două particule fluide nu apar în spate și în burtă în același timp și, în al doilea rând, pentru că ar necesita o mare diferență de curbură între spate și burtă, ducând la concluzii paradoxale.

De fapt, mitul aceluiași timp de călătorie este negat de teoria circulației: dacă două particule ar călători, respectiv, înapoi și burtă, cu un profil aerodinamic în același timp, nu ar exista circulație și, prin urmare, nu va fi ridicată. Se ridică în sus numai dacă timpul de deplasare pe spate este mai mic decât cel de pe burtă, generând o circulație diferită de zero.

Ceea ce generează ascensiune ascendentă este abaterea liniilor curente în jos ( Efect Coandă ). Această abatere este în mare parte guvernată de prezența unui unghi de atac.

Aplicații tehnice

Lift în aeronautică

Forțe care acționează asupra unui profil aerian într-un caz aeronautic tipic.

Ridicarea este forța responsabilă de susținerea unui avion , deoarece se opune forței de greutate .

Alte forțe care acționează asupra unui avion includ forța (generată de motor și responsabilă în primul rând de avans) și rezistența aerodinamică în direcția opusă mișcării.

Organul responsabil de dezvoltarea ridicării pe un avion este aripa , în timp ce planurile de coadă orizontale (numite și stabilizatoare orizontale) generează ridicare (în sus sau în jos) pentru a echilibra cuplul creat de forța aerodinamică a aripii aplicată în centrul de presiune, și prin forța de greutate aplicată în centrul de greutate.

Un profil aerian al cărui scop este susținerea trebuie studiat în așa fel încât să devieze fluidul în jos, uneori cu constrângerea menținerii unei rezistențe aerodinamice reduse (de exemplu, pentru un zbor de croazieră), uneori urmărind generarea aceluiași lift la viteza cea mai mică posibilă (de exemplu, la aterizare).

Se vorbește, de asemenea, de ridicare în hidrodinamică în cazul „aripilor” submarine, de exemplu utilizate în hidrofoiluri .

Deportanță

Curbele de forță ale autoturismelor de-a lungul anilor, cu Cz1 valoarea este raportată la puntea față, cu Cz2 valoarea la puntea spate

Dacă ascensorul este îndreptat în jos în loc de în sus, acest lucru este denumit în jargon ca forță de forță .

Downforce este utilizat în sectorul auto atunci când vehiculele ating viteze mari pentru a asigura aderența anvelopei la sol. De fapt, forța de frecare pe care o anvelopă o poate dezvolta este direct proporțională atât cu coeficientul de frecare , care depinde în principal de compusul din cauciuc, de temperatură și de tipul de sol, cât și de sarcina normală care acționează asupra anvelopelor (ale roților motoare) , adică de la forța perpendiculară pe sol. Prin urmare, ideea este de a crește această forță normală adăugând la componenta statică, dată de greutatea mașinii, o componentă numită „aerodinamică”, deoarece este generată de forțe aerodinamice direcționate în jos. Prin urmare, sarcina totală care acționează asupra anvelopelor va fi dată de suma sarcinii statice și a sarcinii aerodinamice.

Pentru a obține acest efect, se aplică elere specifice (atât în față în față, cât și în spate în spate), care exploatează același principiu ca și aripile aeronavei, dar în direcția opusă. Când inginerii de cale modifică incidența eleronelor mașinii, fac acest lucru pentru a modifica contribuția sarcinii aerodinamice (deci a forței de forță) în funcție de caracteristicile căii de cale (înfășurată sau nu), de atitudinea necesară sau de condițiile de mediu a solului (uscat sau umed). Pentru a realiza acest lucru, volanul este înclinat astfel încât să devieze aerul în sus.

O altă metodă de creare a forței de forță este utilizarea unui fund plat al mașinii împreună cu utilizarea așa-numitelor fuste laterale și a unui extractor spate (cunoscutul difuzor spate), pentru a crea un vid sub mașină prin accelerarea flux de fluid aeriform între pământ și fundul mașinii în raport cu cel de deasupra acestuia, întotdeauna conform principiului Bernoulli .

În general, avantajul aerodinamic al forței de forță este în principal în colțurile în care forțele de inerție care provoacă forțele centrifuge tind să facă instabile atât traiectoria, cât și aderența și pentru care, prin urmare, o creștere a greutății totale a mașinii reușește să o mențină mai aderentă sau zdrobită la pamant. Avantajul este, totuși, și în ceea ce privește stabilitatea în linie dreaptă: fără aripa din spate, mașina ar risca să decoleze. Cu toate acestea, cel mai frecvent dezavantaj este că, cu cât este mai mare incidența eleronelor și, prin urmare, sarcina aerodinamică și aderența în general, cu atât forța aerodinamică de creștere crește cu o scădere a vitezei maxime în secțiunile drepte și un consum mai mare. Din acest motiv, soluțiile de mai mare sau mai mică de compromis (comerț off) sunt , în general , adoptate în conformitate cu caracteristicile tehnice ale traseului.

Notă

^ Ed Regis, Enigma ascensiunii , în Le Scienze , n. 620, aprilie 2020.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « lift »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre lift

linkuri externe

( EN ) Portanza , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Animația unui fluid în jurul unui profil aerian , pe diam.unige.it .
( EN ) Tutorial NASA, cu animații , la grc.nasa.gov .
Aerodinamica automobilelor

Controlul autorității	Tezaur BNCF 56384 · LCCN (EN) sh85076855 · BNF (FR) cb13543062j (data)

Portalul de astronautică	Portalul aviației
Portalul de fizică	Portal de inginerie

[1] Ed Regis, Enigma ascensiunii , în Le Scienze , n. 620, aprilie 2020.

[1]