несучі крила

"Людина не має крил і по відношенню ваги свого

тіла до ваги м'язів він у 72 рази слабкіше птиці ....

Але я думаю, що він полетить, спираючись не на силу

своїх м'язів, а на силу свого розуму. "

Термінологія

Щоб однозначно розуміти один-одного при міркуваннях, розглянемо основні поняття геометрії профілю крила. Поперечний переріз крила площиною, паралельній площині його симетрії називається «профілем». Типовий профіль крила виглядає так:

Максимальна відстань між крайніми точками профілю - b, називається хордою профілю. Найбільша висота профілю - c, називається товщиною профілю. а її відстань від передньої точки - координатою максимальної товщини. Лінію, точки якої рівновіддалені від верхньої і нижньої утворюють профілю - l, називають середньою лінією профілю. Її максимальна відстань від хорди - f, називається кривизною профілю. а видалення від передньої точки - координатою максимальної кривизни. Носик профілю утворений якоїсь кривою лінією, мінімальний радіус якої позначають - r, це радіус округлення носика профілю. Оскільки якісно треба порівнювати різні профілі різних розмірів, домовилися всі зазначені величини вимірювати щодо хорди профілю. Найчастіше при цьому навіть опускають слово «відносна». Просто, якщо товщина профілю вказана в%, то всім ясно, що це відношення реальної товщини до величини хорди профілю. На даному малюнку верхня лінія, що утворює профіль однієї форми, а нижня - інший. Такий профіль називається несиметричним. Якщо ж, одна утворює, є дзеркальним відображенням іншої, то профіль називається симетричним. Неважко здогадатися, що кривизна симетричного профілю дорівнює нулю.

Картина обтікання профілю

Всім відомо, що крило створює підйомну силу, тільки тоді, коли воно рухається відносно повітря. Тобто характер обтікання повітрям верхньої і нижньої поверхонь крила безпосередньо створює підйомну силу. Як це відбувається?

Розглянемо профіль крила в потоці повітря:

Тут лінії течії елементарних цівок повітря позначені тонкими лініями. Профіль до ліній течії знаходиться під кутом атаки а - це кут між хордою профілю і незбурених лініями течії. Там, де лінії течії зближуються, швидкість потоку зростає, а абсолютний тиск падає. І навпаки, де вони стають рідше, швидкість течії зменшується, а тиск зростає. Звідси виходить, що в різних точках профілю повітря тисне на крило з різною силою. Різницю між місцевим тиском у поверхні профілю і тиском повітря в невозмущенном потоці можна представити у вигляді стрілок, перпендикулярних контуру профілю, так що напрямок і довжина стрілок пропорційна цій різниці. Тоді картина розподілу тиску за профілем буде виглядати так:

Тут добре видно, що на нижній утворює профілю є надлишковий тиск - підпір повітря. На верхній же, - навпаки, розрядження. Причому воно більше там, де вище швидкість обтікання. Примітно тут те, що величина розрядження на верхній поверхні в кілька разів перевищує підпір на нижній. Векторна сума всіх цих стрілок і створює аеродинамічну силу R, з якої повітря діє на рухоме крило:

Розклавши цю силу на вертикальну Yі горизонтальну X компоненти, ми отримаємо підйомну силу крила і силу його лобового опору. З картини розподілу тиску видно, що левова частка підйомної сили утворюється не з підпору на нижньої твірної профілю, а з розрядження на верхній, що спростовує вельми поширена помилка початківців моделістів.

Точка прикладання сили R залежить від характеру розподілу тиску по поверхні профілю. При зміні кута атаки, розподіл тиску теж буде змінюватися. Разом з ним буде змінюватися і векторна сума всіх сил по абсолютній величині, напрямку і точці прикладання. До речі, останню називають центром тиску. З ним тісно пов'язане поняття фокуса профілю. У симетричних профілів ці точки співпадають. У несиметричних положення центру тиску на хорді при зміні кута атаки змінюється, що дуже ускладнює розрахунки. Щоб їх спростити, було введено поняття фокусу. При цьому рівнодіюча аеродинамічних сил розділили нема на дві компоненти, а на три - до підйомної силі і силі лобового опору додався ще момент крила. Такий, начебто нелогічний прийом дозволив, помістивши точку прикладання підйомної сили в фокусі профілю, зафіксувати його положення і зробити його незалежним від кута атаки. Прийом зручний, тільки не треба забувати про який з'явився при цьому моменті крила.

Розрядження на верхній частині профілю можна не тільки виміряти приладами, але і при певних умовах побачити на власні очі. Як відомо, при різкому розширенні повітря, що міститься в ньому волога може миттєво конденсуватися в крапельки води. Хто бував на авіашоу, міг бачити, як під час різкого маневрування літака, з верхньої поверхні крила зриваються струмені білої пелени. Це і є водяна пара, сконденсувалася при розрядження в дрібні крапельки води, які дуже швидко знову випаровуються і стають невидимими.

Розмір має значення!

Чи залежить характер обтікання від розмірів профілю і фактичної швидкості руху крила щодо повітря? Так, і дуже сильно. Пов'язано це з фізичними властивостями повітря, головними з яких є пружність, щільність і в'язкість.

Пружність (ще кажуть, стисливість) важлива тільки при швидкостях руху, порівнянних зі швидкістю звуку. У моделизме такі швидкості зустрічаються лише на кінцях лопатей повітряного гвинта. Оскільки ми займаємося зараз крилом, про це властивість повітря можемо забути.

Масова щільність повітря є головною причиною виникнення підйомної сили крила. Уже на другому малюнку видно, що напряму ліній обтікання повітря до крила і після нього дещо не збігаються. Тобто крило скошує потік повітря вниз. Оскільки потік має певну масою, то за законом збереження імпульсу на крило діє сила R. Звідси випливає проста залежність, ніж повітря щільніше, тим за інших рівних умов більше підйомна сила. На великій висоті щільність повітря знижується, але для моделей це не важливо, - вони так високо не літають. А ось збільшення щільності повітря при зниженні його температури помітно вже для моделей. Один і той же літак взимку зможе виконати петлю меншого радіуса, ніж влітку.

Тут цікаво звернути увагу на точку В. До неї протягом повітря в прикордонному шарі плавне, без перемішування пріслойних цівок. Таке протягом називається ламінарним. У ньому практично немає маленьких повітряних вихорів, що перемішують повітря з сусідніх шарів. У точці В починаєтьсяосвіта пріслойних вихорів, що перемішують повітря з сусідніх шарів. Таке протягом називається турбулентним. Можна так побудувати форму утворює профілю, що на його більшої верхній частині протягом повітря буде ламінарним, а точка В зрушиться назад за профілем. Такі профілі називають ламінарізованнимі. Яке протягом краще для моделі? Тут однозначної відповіді на всі випадки життя немає. Ламінарний плин в порівнянні з турбулентним має свої переваги і недоліки. Тут назвемо лише гідність - при ламінарному плині тертя поверхні крила об повітря менше. Значить і менше лобове опір. Про недоліки ламинарного обтікання поговоримо пізніше.

Для моделі пілотажкі з хордою крила 0,3 метра і швидкістю 20 метрів в секунду виходить Re = 400000. Обтікання профілю буде виглядати так:

Дуже схоже? Так, але профіль не той. А що буде, якщо планерний профіль розігнати до цих швидкостей? Або навпаки, пілотажний профіль поставити на планер F1? Це ми розглянемо також пізніше. А зараз подивимося, як порахувати підйомну силу і лобове опір крила.

Скоко точно в грамах?

Зовсім обійтися без формул не вийде. Та й не цікаво це. Наведемо лише дві.

Підйомна сила крила: