g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Uçak neden uçabiliyor? Bugüne kadar bilim adamlarının hala bir cevabı yok

İnanılmaz bir gerçek şu: Wright kardeşler uçağı gökyüzüne 100 yıldan daha uzun bir süre önce sürmüş olsalar da insanlar hala uçağın nasıl uçtuğunu bilmiyorlar.

Kesin bir matematiksel seviyeden, mühendisler yüksek irtifalarda uçabilen uçakları nasıl tasarlayacaklarını bilirler, ancak matematiksel formüller aerodinamik yükselmenin nedenini açıklayamaz. Bu sorunu açıklamak için, iki teori kısasa kısadır, ancak hiçbiri tam bir açıklama sağlayamaz.

Yazan | Ed Regis

Tercüme | Bai Chenyuan

Yorumcu | Wu Ziniu

Aerodinamikte yükselmeyi ne oluşturur? Çeşitli tarafların görüşleri bir fikir birliğine varmadı. Bilim adamları, kaldırma işlemini açıklamak için iki farklı teori önerdiler. Sorun şu ki, bu iki teknik olmayan teorinin kendi başlarına yanlış olmaması, ancak ikisi de asansörün tüm yönlerini açıklayabilecek tam bir teori önermiyor.

Aerodinamikteki yükselmeyi mükemmel bir şekilde açıklamak imkansız görünüyor. Açıklanamayan veya bilinmeyen problemler bırakmadan uçak kaldırma sürecinde tüm kuvvetleri, etkileyen faktörleri ve fiziksel koşulları dikkate almak gerekir Bu teori gerçekten var mı?

NASA'nın Ames Merkezindeki Akışkanlar Mekaniği Laboratuvarı'nda bilim adamları, bir tank deneyinde uçağın yüzeyindeki akış alanını test ediyor. Resim kredisi: Ian Allen

Kusurlu klasik teori

Şimdiye kadar, asansör için en popüler açıklama Bernoulli prensibi Bu, İsviçreli matematikçi Daniel Bernoulli tarafından 1738'de yayınlanan Hydrodynamica (Hydrodynamica) monografında önerilen bir ilkedir. Basitçe ifade etmek gerekirse, Bernoulli'nin prensibi şöyle der: Hız arttıkça sıvının basıncı azalacaktır ve bunun tersi de geçerlidir.

Bir uçağın kanatlarının üzerinde adı verilen özel bir çıkıntı vardır. kanat (Kanat Profili). Bu eğrilik nedeniyle, kıvrımlı üst yüzeyden geçen hava, kanadın düz alt yüzeyinden geçen havadan daha hızlıdır. Bilim adamları, Bernoulli ilkesine göre, kanadın üst yüzeyindeki sıvı hızındaki artışın buradaki hava basıncının düşmesine ve böylece yukarı doğru yükselmeye neden olduğuna inanıyor.

Rüzgar tüneli deneyleri (esas olarak duman partiküllerinin gösterdiği yörünge akış çizgilerini gözlemlemek), nozullar veya Venturi tüpleri (bir tür vakum üreten cihaz) ve diğer deneyler olsun, büyük miktarda ampirik veri verdiler. Bu veriler, Bernoulli ilkesinin doğruluğunu güçlü bir şekilde kanıtlamaktadır. Ancak, Bernoulli prensibi tek başına kaldırma işlemini tam olarak açıklayamaz. Gerçek deneyimler, hava akışının eğimli bir yüzeyde gerçekten daha hızlı olduğunu gösterse de, Bernoulli ilkesi akış hızının neden daha hızlı hale geldiğini açıklayamıyor. Diğer bir deyişle, Bu teorem, kanatların üzerindeki yüksek hızın nasıl üretildiğini açıklamaz.

Pek çok ağ platformunda ve hatta bazı ders kitaplarında iyi bilinen bir gösteri defalarca ortaya çıktı ve Bernoulli'nin ilkesini "gösterdiğini" iddia ediyor. Bu gösteride deneyci bir kağıt parçasını yatay olarak ağzının önüne koyar ve üst yüzeyini hava ile üfler, bu sırada kağıt yüzeyi yükselir. Bu, Bernoulli etkisinin var olduğunu gösterir. Ancak, kağıdın alt yüzeyini üflediğinizde, kağıt yüzeyi yine de yükselecektir. Kağıdın altındaki hava akışının kağıdı aşağı çekmesi gerektiğinden, kağıdın zıt sonuca sahip olması mantıklıdır.

Birleşik Krallık'taki Cambridge Üniversitesi'nde aerodinamik profesörü olan Holger Babinsky, bir taraftaki hava akışının kağıdın kıvrımlı yüzeyini yükselteceğine işaret etti. "Bunun nedeni kağıdın her iki tarafında hava hızının farklı olması değil. ". Bunu açıklamak için, tüm bunları doğrulamak için bir parça düz kağıt üfleyebilirsiniz. Örneğin, ne bir tarafa ne de diğer tarafa hareket edip etmediğini görmek için dikey olarak asılı bir kağıt parçasını üfleyin. Sonuçta, "hava hızındaki bariz farklılığa rağmen, kağıdın her iki tarafındaki basınç aynıdır."

Bernoulli ilkesinin ikinci dezavantajı şudur: Kanadın üzerindeki yüksek hızlı havanın neden daha yüksek bir basınçtan ziyade daha düşük bir basınç oluşturduğunu açıklamıyor. Sonuçta, kanat yukarı doğru hareket ettiğinde, hava sıkıştırılmalı ve kanadın üst kısmındaki basınç artmalıdır. Günlük hayatta, bu "darboğaz fenomeni" genellikle olayları hızlandırmak yerine yavaşlatır. Örneğin, bir otobanda, iki veya daha fazla şerit tek bir şeritte birleştirildiğinde, yoldaki araçlar daha hızlı gitmeyecek, ancak trafik akışı yavaşlayacak ve hatta trafik sıkışıklığı meydana gelebilir. Kanatların üst yüzeyinde akan hava molekülleri böyle değildir, ancak Bernoulli'nin prensibi bu fenomenin neden meydana geldiğini açıklamaz.

Üçüncü soru özellikle kritiktir: Bernoulli ilkesinin asansörle ilgili yorumunun yanlış olduğunu kanıtlayabilir: Eğimli bir üst yüzeye sahip bir uçak, ters döndüğünde bile uçabilir. Bu durumda kıvrımlı kanat yüzeyi alt yüzey olur. Bernoulli prensibine göre, kanadın alt yüzeyindeki basınç azalacaktır.Bu düşük basınçlı ortam yerçekimi hareketi ile birleştiğinde, uçağı uçmaya devam etmesi için desteklemek yerine aşağı doğru çekme etkisi yaratmalıdır. Bununla birlikte, ister simetrik kanatlı bir uçak (üst ve alt eğriliği eşittir), ister kanat yaklaşan rüzgarla buluştuğu ve uygun rüzgarla işbirliği yaptığı sürece, üst ve alt yüzeylerinde düz kanatları olan bir uçak olsun Köşeler ters çevrilebilir ve uçabilir. Bu, Bernoulli prensibinin tek başına asansörün nedenini açıklamak için yeterli olmadığı anlamına gelir.

Kanat Kaldırmanın Kusurlarını Açıklamak için Bernoulli Prensibini Kullanın

Bilim adamları, yükselmeyi açıklamak için Bernoullinin teorisini kullanmanın yanı sıra, Başka bir teori Bu gücün kaynağını açıklamak için: Newton'un kuvvet ve reaksiyon prensibi . Bu kanuna göre, kanatlar havayı aşağıya doğru ittiğinde, hava kütlesi yukarı doğru eşit büyüklükte ve ters yönde, yani kaldırma kuvveti üretecektir. Bu nedenle teori, kanadın havayı iterek kaldırma kuvveti oluşturmasıdır. Bu teori, eğimli veya düz, simetrik veya asimetrik herhangi bir şekle sahip kanatlar için geçerlidir. Aynı zamanda bu teori, normal şekilde uçan veya baş aşağı uçan uçaklar için de geçerlidir. Bu nedenle, Newton'un üçüncü yasasının, Bernoulli ilkesinden daha kapsamlı bir kaldırma açıklaması vardır ve daha fazla durumla başa çıkabilir.

Ancak teorinin kendisi açısından, Kuvvet ve tepki kuvveti, kanadın tepesindeki düşük basınç alanını açıklayamaz. Ve bu alanın varlığının kanadın bükülüp bükülmemesi ile hiçbir ilgisi yoktur. Sadece uçak yere inip uçmayı bıraktığında, kanadın üzerindeki alçak basınç alanı kaybolacak, üst ve alt kısım aynı hale gelecek ve çevredeki hava basıncına geri dönecektir. Ancak uçak uçtuğu sürece alçak basınç bölgesi aerodinamikte göz ardı edilemeyecek bir faktördür ve uçağın neden uçabildiğini açıklamak için açıklanması gerekir.

Bu nedenle, ister Bernoulli prensibi ister Newton'un üçüncü yasası olsun, bunlar kendi bakış açılarından doğrudur ve ikisi çelişkili değildir. Bununla birlikte, sorun şu ki, hiçbir teori kaldırmayı tam olarak açıklayamaz ve ikisinin kombinasyonu işe yaramaz çünkü ikisi de bir şeyi gözden kaçırır.

Teori geliştirme geçmişi

Biliyorsunuz, ne Bernoulli ne de Newton uçakların kalkmasını açıklamak için kendi teorilerini kullanmayı düşünmedi. Kendi yaşamları uçuş çağından hala çok uzaktır. Wright kardeşler uçağı gökyüzüne uçurmayı başardıklarında, çağdaş bilim insanlarının acilen aerodinamikteki yükselişi anlamaları ve uçuşun arkasındaki sırları açıklamaları gerekiyordu.Bu iki teori yeniden keşfedildi ve uygulandı.

20. yüzyılın başlarında, birkaç İngiliz bilim adamı asansör teknolojisini ve ilgili matematik teorilerini geliştirdi. Havanın mükemmel bir sıvı olduğuna, yani sıkıştırılamaz ve sıfır viskoziteye sahip olduğuna inanıyorlar. Bu, havanın gerçek özelliklerinden farklı olsa da, mekanik ekipmanın uçuşunu anlaması ve kontrol etmesi gereken bilim adamları için anlaşılabilir bir durumdur çünkü matematiksel hesaplamaları daha basit ve daha doğrudan hale getirecektir. Ancak bu basitleştirme aynı zamanda uygun bir fiyat gerektirir: ideal bir sıkıştırılamaz gazda, hesaplanan kanat matematiksel olarak ne kadar başarılı olursa olsun, pratik uygulamalarda çeşitli kusurlar gösterecektir.

Albert Einstein (Albert Einstein) da kendini asansör sorunlarının incelenmesine adadı. 1916'da Einstein, sıkıştırılamaz ve sürtünmesiz sıvıya (yani ideal sıvı hipotezine) dayanan bir açıklama yaptı. Bernoullinin adından söz edilmemesine rağmen, temelde Bernoullinin prensibiyle tutarlı bir açıklama yaptı. Sıvı basıncının hızın daha yavaş olduğu yerlerde daha yüksek olduğunu ve bunun tersi olduğunu söyledi. Bu basınç farklılıklarından yararlanmak için Einstein, kanadın tepesinde hafif bir çıkıntı olan bir tasarım önerdi.Bu şekil, çıkıntıdaki hava akış hızını artırabilir ve böylece buradaki basıncı azaltabilir.

Einstein, ideal akışkanlara dayalı analizin gerçek dünyadaki akışkanlar için de aynı ölçüde geçerli olduğunu düşünebilir. 1917'de teori temelinde Einstein, kedinin arka kanadı adı verilen bir tür kanat tipi tasarladı (çünkü şekli bir kedinin geren beline benziyor). Ardından tasarım önerisini Berlin merkezli uçak üreticisi LVG'ye getirdi. Şirket, tasarım planı çerçevesinde yeni bir uçak yaptı. Ancak test pilotu, uçağın havada "hamile bir ördek" gibi sallantıda olduğunu bildirdi. 1954'te Einstein, havacılık endüstrisine kısa süreli katılımının daha çok "gençlerin aptalca davranışı" olduğunu belirtti.

Tam bir kaldırma teorisi mi?

Bugün, uçakları tasarlamanın bilimsel yöntemi, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (Hesaplamalı akışkan dinamiği, CFD) simülasyonları ve hesaplamaları, gerçek havanın gerçek viskozitesinin Navier-Stokes denklemlerini tam olarak dikkate alır. CFD simülasyonu ile elde edilen sonuçlar ve yukarıdaki denklemin çözümü, basınç dağılım modelini tahmin edebilir ve hava akış modelini ve kantitatif sonuçları verebilir. Günümüz uçak tasarım alanı çok ilerlemiştir ve bu teknolojilerin sektörün temeli olduğu söylenebilir. Ancak, kendileri asansörün fiziksel ve niteliksel bir açıklamasını yapmazlar.

Son yıllarda, ünlü Amerikalı aerodinamikçi Doug McLean saf matematiği aşmaya çalıştı ve uçuş sırasında fiziksel ilişkiyle ilgilenmeye başladı.Bu ilişki, gerçekte asansörün çeşitli özelliklerini açıklayabilir. . 2012'de kitabında kanat kaldırmanın yeni bir yorumunu önerdi.

Kaldırmayı açıklarken, McLean aynı zamanda aerodinamikteki en temel varsayımdan yola çıktı: Kanat çevresindeki hava, "farklı kanat şekillerine göre deforme olan sürekli bir ortamdır." Bu deformasyon, kanatların altında ve üstünde görünen sıvılar şeklinde olacaktır. McLean şunları yazdı: "Basınç alanı adı verilen geniş bir alanda, kanat, hava basıncını etkileyecektir." Kaldırma oluştuğunda, her zaman kanat üzerinde düşük basınçlı bir difüzyon hava kütlesi oluşur ve genellikle kanat altında yüksek basınç oluşur. Difüzyon hava kütlesi. Bu hava kütleleri kanat üzerine etki ettiklerinde kanatta kaldırma oluşturan bir basınç farkı oluştururlar.

Süreç boyunca kanatlar havayı aşağı doğru iter ve hava akışının aşağıya doğru yön değiştirmesine neden olur. Kanatların üzerindeki hava, Bernoulli prensibine göre hızlandırılır. Kanat altında yüksek basınç alanı ve kanat üstünde alçak basınç alanı vardır. Bu, McLeanın lift yorumlamasında şu anlama gelir: 4 gerekli bileşen: hava akışı aşağı doğru döner, hava akış hızı artar, düşük basınç alanı ve yüksek basınç alanı .

Bu dört unsur arasındaki karşılıklı ilişkinin, McLean'ın anlatısındaki en yeni ve benzersiz yer olduğu söylenebilir. Şöyle yazdı: "Birbirlerini nedensel bir ilişki içinde destekliyorlar ve herhangi biri diğer üçü olmadan görünemez." Basınç farkı, hava akışının aşağı doğru dönmesi ve akış hızının değişmesi onu korurken, kanat üzerinde bir yükselme uygular. Diferansiyel basınç. McLean tarafından açıklanan beşinci unsur, bu karşılıklı etki sisteminde ortaya çıkıyor: 4 element arasındaki etkileşim . Görünüşe göre bu dört unsur, birbirini korumak için aynı anda ortaya çıkmalı, birbirini etkilemeli ve ikna etmelidir.

Bu sinerjide bir tür sihir var gibi görünüyor. McLean'ın tanımına göre, sadece havada bir arada kalmalarına yardımcı olmak için dört aktif birey gibi. Başka bir deyişle, kendisinin de kabul ettiği gibi, bu bir "döngüsel nedensellik" vakasıdır. Bununla birlikte, "birbiriyle etkileşim halindeki faktörlerin her biri diğer faktörleri nasıl korur ve güçlendirir?" Bu dinamik etkileşim, karşılıklılık ve karşılıklı etki sistemine ne sebep olur? McLeanın cevabı: Newton'un ikinci yasası .

Newton'un ikinci yasası, bir nesnenin veya sıvının ivmesinin, nesneye uygulanan kuvvetle orantılı olduğunu belirtir. McLean şunları söyledi: "Newton'un ikinci yasası bize, bir basınç farkı sıvı kütlesine bir kuvvet uyguladığında, bunun kaçınılmaz olarak sıvı kütlesinin hızının veya yönünün (veya her ikisinin) değişmesine neden olacağını söylüyor." Ancak tersine, bir basınç farkı var. Boyut değişikliklerinin aynı zamanda sıvı kütlesinin ivmesiyle de belirlenir.

Bu süreçte ince havadan biraz enerji kazandık mı? McLean öyle olmadığına inanıyor, eğer kanatlar duruyorsa, bu karşılıklı güçlendirici sistemdeki faktörlerin hiçbiri olmayacak. Sadece kanat havada hareket ettiğinde, her bir akışkan kütlesi diğer tüm akışkan kütlelerini etkileyecektir. Tüm uçuş süreci, bu karşılıklı olarak uyarıcı ve birbirine bağımlı faktörlerin varlığını destekler.

Geliştirilmiş kaldırma teorisi

Bu açıklamayı sunduktan kısa bir süre sonra McLean, aerodinamikte kaldırma ile ilgili tüm faktörleri tam olarak dikkate almadığını fark etti, çünkü kanadın üzerindeki basıncın çevredeki ortamdan neden farklı olduğunu açıklamak ikna edici değildi. Bu nedenle McLean, The Physics Teacher dergisinin Kasım 2018 sayısında aerodinamikte asansörün "kapsamlı bir açıklamasını" sunan bir makale yayınladı.

Bu makale McLeanın önceki argümanlarını büyük ölçüde yinelese de, basınç alanının eşitsizliğine neyin neden olduğunu ve neden bu benzersiz fiziksel formu sunduğunu daha iyi açıklamak için başka girişimlerde bulundu. . Ayrıca, yeni argümanı da Akış alanı (Akış alanı) seviyesi etkileşimi, bu tekdüze olmayan basınç alanına kanadın havaya uyguladığı aşağı yönlü kuvvetin yani bir tür kuvvetin neden olduğuna inanılmaktadır.

İster kitabında ister sonraki makalelerinde, McLean'ın asansörün mekanizmasını tam ve doğru bir şekilde açıklayıp açıklamadığı daha fazla açıklanmalı ve tartışılmalıdır. Ayrıca çeşitli nedenlerden dolayı aerodinamik kaldırmanın net, basit ve tatmin edici bir açıklamasını vermenin zor olduğunu görebiliriz.

Öyle olsa bile, daha fazla açıklamamız gereken çözülmemiş birkaç konu var. Kaldırma ile ilgili olarak, bunun kanadın üst ve alt yüzeyleri arasındaki basınç farkının bir sonucu olduğunu hatırlayabilmelisiniz. için Kanat profilinin alt yüzeyi Durum için zaten kabul edilebilir bir açıklamamız var: Karşıdan gelen hava kanatları sıkıştırır, dikey yönde kaldırma kuvveti oluşturur ve yatay yönde sürükler. Kanadın alt yüzeyini yukarıya doğru sıkıştıran kuvvet, lokal yüksek hava basıncı şeklinde ortaya çıkar. basit ifadeyle, Bu yüksek hava basıncı, etki ve tepki kuvvetlerinin sonucudur.

ancak, Kanadın üst yüzeyi Durum oldukça farklı. Kaldırma sağlamanın önemli bir parçası olan alçak basınç alanı vardır. Ancak, ne Bernoulli ilkesi ne de Newton'un üçüncü yasası bunu açıklayamıyorsa, bunu ne açıklayabilir? Simülasyon deneyindeki aerodinamik bilgilerden, kanadın üzerindeki havanın, kanat profilinin aşağı doğru eğrisiyle yakından bağlantılı olduğunu öğrenebiliriz. Peki neden kanadın üst yüzeyinden akan hava kütlesinin çıkıntının ardından aşağı doğru bükülen kanat boyunca akması gerekiyor? Neden onu bırakıp direk geri uçamıyorsun?

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde akışkanlar dinamiği profesörü olan Mark Drela, şu cevabı verdi: "Bu akışkan kümeler bir an için kanadın üst yüzeyinden saparsa, kanatla kanat arasındaki boşluk oluşacaktır. "Vakum" diye açıkladı, "bu vakum sıvı kütlesini vakum neredeyse dolana kadar emer, yani akış yönleri kanada tekrar teğet olana kadar. Bu, sıvı kütlesini kanat şekli boyunca hareket etmeye zorlar. Kanat profilinin fiziksel mekanizması. Yerel olarak hafif bir vakum ortamının varlığı, sıvı kütlesinin kanadın kavisli yüzeyi boyunca akmasına neden olabilir. "

Hava kütlesinin eğilmesi ve içeri çekilme süreci, kanadın üst yüzey alanında düşük bir basınca neden olmuştur. Bu süreç aynı zamanda başka bir etkiyi de tetikler: hava kanadın üst yüzeyinde daha hızlı akar. Dreira, "Kanadın üzerindeki hava akımı kanata yaklaştığında, kanadın üst yüzeyindeki düşük basınçlı hava kütlesi, hava akışını yatay yönde 'çekecektir. Bu nedenle, hava kanada ulaştığında daha hızlı hareket edecektir." Dedi. "Bu nedenle, kanadın üzerindeki hava hızındaki artış, basınç azaltmanın ikincil bir etkisi olarak görülebilir."

Ancak her zaman olduğu gibi, farklı uzmanlar asansörü açıklarken farklı yanıtlar verecektir. Cambridge Üniversitesi'nde aerodinamikçi olan Babinsky şunları söyledi: "Meslektaşım Dreira'ya saygı duyuyorum, bu yüzden onun görüşlerine karşı çıkmak konusunda çok isteksizim. Ancak, boşluk görünümü asansörün nedeniyse, bu çok Hava akışının neden bazen kanat yüzeyinden akmadığını açıklamak zor. Elbette, diğer açılardan da haklı. Bu soru için basit ve hızlı bir açıklama olmayabilir. "

Dreira, açıklamasının bazı açılardan tatmin edici olmadığını kabul etti. Dedi ki: "Açık bir sorun, hiçbir açıklamanın evrensel olarak kabul edilmeyeceğidir." Görünüşe göre bugüne kadar bu sorunun basit bir cevabı yok.

Bu makalenin tercümanı: Bai Chenyuan, Tsinghua Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi'nde doktora sonrası araştırmacıdır.

Bu makale incelemesi: Wu Ziniu, Tsinghua Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi'nde esas olarak aerodinamik, vorteks teorisi ve uygulamaları araştıran bir profesördür.

Bu makale, WeChat kamu hesabı "Global Science" (ID: huanqiukexue) yetkisiyle çoğaltılmıştır.

Yeniden yazdırmak için lütfen newmedia@huanqiukexue.com ile iletişime geçin