Δυναμική ανύψωση

Δυναμική ανύψωση είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα από την κίνησή του μέσα από ένα ρευστό, όπως ένα φτερό αεροπλάνου, μια υδροπτωτική πτώση ή μια περιστρεφόμενη μπάλα. Μια περιστρεφόμενη μπάλα, για παράδειγμα, απομακρύνεται από την παραβολική της καμπύλη καθ' όλη τη διάρκεια του ταξιδιού της στον αέρα κατά τη διάρκεια ενός τέτοιου παιχνιδιού κρίκετ, τένις, μπέιζμπολ ή γκολφ.

• Η κανονική δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα ως αποτέλεσμα της κίνησής του μέσω κάποιου είδους ρευστού .
• Ας υποθέσουμε ότι ένα αντικείμενο ταξιδεύει μέσα από ένα τέτοιο ρευστό, και μάλιστα η κανονική δύναμη που ασκείται επίσης στο σώμα ως αποτέλεσμα της ταχύτητας του αντικειμένου που διέρχεται μέσα στο ρευστό.
• Τα αεροπλάνα είναι τα πιο κοινά παραδείγματα δυναμικής ανύψωσης.
• Όταν ένα αεροπλάνο αιωρείται, κινείται μέσα από ένα ρευστό, το οποίο σε αυτήν την περίπτωση είναι ο αέρας στην ατμόσφαιρα.
• Μια κανονική δύναμη εφαρμόζεται στο σώμα με κατεύθυνση προς τα πάνω (δηλαδή στη διαδρομή του σε αυτό το υγρό.
• Δυναμική ανύψωση είναι το όνομα που δόθηκε σε αυτήν τη δύναμη.

Με βάση την αρχή του Bernoulli, προσφέρεται μια εξήγηση για την παραλλαγή μιας περιστρεφόμενης και μη περιστρεφόμενης μπάλας. Οι γραμμές ροής που περιβάλλουν μια μη περιστρεφόμενη μπάλα κινούνται σε σχέση με το ρευστό (αέρα). Η αλλαγή της πίεσης σε σημεία μπροστά και πίσω από την μπάλα στις κατάλληλες θέσεις είναι μηδενική λόγω της συμμετρίας των γραμμών ροής, καθώς η ταχύτητα του ρευστού μπροστά και πίσω από την μπάλα στις αντίστοιχες θέσεις είναι η ίδια..

Ο αέρας τραβιέται κατά μήκος της επιφάνειας μιας περιστρεφόμενης μπάλας καθώς κινείται. Επειδή ο αέρας ταξιδεύει προς τα πίσω καθώς η μπάλα πετά προς τα εμπρός, η σχετική ταχύτητα του αέρα ακριβώς πάνω από την μπάλα είναι μεγαλύτερη από αυτή του αέρα κάτω από την μπάλα. Ως αποτέλεσμα, οι εξορθολογισμένοι αραιώνονται κάτω από την μπάλα και υπερπλήρουν πάνω από αυτήν. Η διακύμανση της ταχύτητας μεταξύ των δειγμάτων με βάση και γύρω από την μπάλα προκαλεί διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο όψεων, με αποτέλεσμα μια καθαρή προς τα πάνω ώθηση της μπάλας. Το φαινόμενο Magnus είναι η δυναμική ανύψωση που αισθάνεται η μπάλα ως αποτέλεσμα αυτού.

Φόρμουλα δυναμικής ανύψωσης

Η περιοχή μεταξύ του εξορθολογισμού έχει συρρικνωθεί ελαφρώς, όπως φαίνεται. Ως αποτέλεσμα, σύμφωνα με την Αρχή του Bernoulli, η μαθηματική έκφραση για σχεδόν το ίδιο είναι:

A1 V1 =A2 V2   🡪 (1)

Η εξίσωση συνέχειας είναι το όνομα που δίνεται σε αυτόν τον τύπο.

Η ταχύτητα αυξάνεται καθώς μειώνεται η απόσταση ή το κενό μεταξύ των γραμμών ροής. Μπορούμε να συμπεράνουμε από την έκφραση (1) ότι η περιοχή είναι αντίστροφη προς την ταχύτητα της γραμμής ροής, με υψηλή ταχύτητα που οδηγεί σε σχετικά χαμηλή ταχύτητα πίεσης με αποτέλεσμα υψηλή πίεση.

Τώρα μελετήστε τη διαδρομή πτήσης των φτερών και την κίνηση των μορίων του αέρα. Εάν τα φτερά κινούνται σε θετική κατεύθυνση x και τα μόρια του αέρα ρέουν δίπλα τους. Έτσι, εάν χρησιμοποιήσουμε την πτέρυγα ως περιοχή του διαστήματος μας, θα λάβουμε ρεύματα αέρα που κινούνται προς την κατεύθυνση των μορίων αέρα κατά μήκος του άξονα x. Οι γραμμές ροής στην επάνω επιφάνεια της αεροτομής πλησιάζουν η μία στην άλλη και χωρίζονται στην κάτω επιφάνεια της αεροτομής επειδή η διαδρομή κίνησης του πτερυγίου είναι κατά μήκος του άξονα x επειδή είναι διπλωμένα υπό γωνία.

Έτσι, σύμφωνα με την εξίσωση (1), η διαφορά πίεσης παράγει μια αόρατη δύναμη που λειτουργεί στην κατεύθυνση y, και αυτή η δύναμη δεν είναι τίποτα άλλο από την ανύψωση. Το Dynamic Lift είναι το όνομα που δόθηκε σε αυτόν τον ανελκυστήρα.

Το Dynamic Lift μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως:

F=ΔPA 🡪 (2)

Εφαρμογή

Πολλές βιομηχανίες, όπως η αεροδυναμική και πολλά αθλήματα με μπάλα, βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στη δυναμική ανύψωση. Κατά την κατασκευή στροφείων και αεροπλάνων, λαμβάνεται υπόψη η δυναμική ανύψωση.

Όταν κινείται προς τα πλάγια στον αέρα, είναι ένα συμπαγές εξάρτημα που έχει σχήμα έτσι ώστε να δημιουργεί μια ανοδική δυναμική ανύψωση. Η διατομή των φτερών ενός αεροπλάνου μοιάζει με αεροτομή με γραμμές γύρω από αυτό, όπως θυμόμαστε. Όταν κινείται αντίθετα στον άνεμο, η θέση του φτερού σε σχέση με την κατεύθυνση του ρεύματος αναγκάζει τις γραμμές ροής πάνω από το φτερό να συσσωρεύονται μαζί περισσότερες από αυτές κάτω από αυτό. Η κορυφή της ροής είναι πιο γρήγορη από την κάτω. Η δυναμική ανύψωση των φτερών προκαλείται επομένως από μια ώθηση προς τα πάνω.

Η αρχή του Bernoulli μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει τη δυναμική ανύψωση, η οποία είναι μια δύναμη που προέκυψε ως αποτέλεσμα μιας διαφοράς πίεσης μεταξύ δύο θέσεων σε ένα αντικείμενο. Εξετάστε το φτερό ενός αεροπλάνου ως παράδειγμα. Το φτερό του αεροπλάνου βρίσκεται σε μέτρια γωνία ως προς τον οριζόντιο άξονα καθώς κινείται με σταθερή ταχύτητα κατά μήκος ενός οριζόντιου άξονα κατά τη διάρκεια της πτήσης. Οι γραμμές αέρα συσσωρεύονται και συσσωρεύονται προς την άνω επιφάνεια του πτερυγίου ως αποτέλεσμα αυτής της γωνίας, μειώνοντας την περιοχή μεταξύ δύο οποιωνδήποτε γραμμών ροής στο πάνω μέρος της πτέρυγας σε αντίθεση με το κάτω μέρος. Ως αποτέλεσμα της μειωμένης περιοχής, η ταχύτητα του αέρα αυξάνεται κοντά στην κορυφή, σύμφωνα με την εξίσωση συνέχειας.

Μαθαίνουμε από την αρχή του Bernoulli ότι καθώς η ταχύτητα τείνει να αυξάνεται, η πίεση πρέπει να πέσει. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η πίεση στο κάτω μέρος του πτερυγίου είναι υψηλότερη από ό,τι στο επάνω μέρος, και αυτή η διαφορά πίεσης προκαλεί την εμφάνιση μιας δύναμης στα φτερά που είναι αντίθετη με τη βαρυτική έλξη. Αυτή η δύναμη είναι γνωστή ως δυναμική ανύψωση και είναι υπεύθυνη για τη διατήρηση του αεροπλάνου στον αέρα.

Ένα κυρτό μπέιζμπολ είναι ένα άλλο παράδειγμα δυναμικής ανύψωσης. Όταν ένας στάμνα πετάει μια μπάλα του μπέιζμπολ, συνήθως την περιστρέφει. Αυτό το γύρισμα προκαλεί μια διαφορά πίεσης μεταξύ των διαφορετικών άκρων του μπέιζμπολ, η οποία αναγκάζει την μπάλα να σηκώνεται δυναμικά, οδηγώντας την σε μια καμπύλη διαδρομή.

Συμπέρασμα:

Μάθαμε από την προηγούμενη εξήγηση ότι η μείωση της περιοχής μεταξύ των γραμμών ροής βελτιώνει την ταχύτητα και μάθαμε επίσης από την εξίσωση συνέχειας ότι η μείωση της περιοχής αυξάνει τον όγκο, γεγονός που αυξάνει την ταχύτητα ροής του εξορθολογισμένου στο επάνω τμήμα. Επειδή η ταχύτητα στην επάνω επιφάνεια είναι μεγαλύτερη, η πίεση θα είναι μικρότερη, ενώ θα είναι σημαντικά μεγαλύτερη στην κάτω περιοχή. Καθώς η διαφορά μεγαλώνει, μια δύναμη σηκώνει τα φτερά και βοηθά το αεροπλάνο να συνεχίσει να πετάει.