Siła nośna - siła działająca na ciało poruszające się w płynie, prostopadła do kierunku ruchu. Najbardziej reprezentatywnym przykładem wykorzystania siły nośnej jest siła nośna skrzydła samolotu.
Siła nośna działa na skrzydła i usterzenie samolotu (rys.1), łopaty śmigła lub wirnika śmigłowca, na żagiel jachtu, jego ster, kil lub miecz, na łopatki turbin i sprężarek. Działa na lecące pociski i rakiety, określała też tor zejścia przy powrocie kapsuły dowodzenia Apollo. Dodatkowe skrzydła samochodów wyścigowych, wytwarzając siłę nośną skierowaną w dół, powodują zwiększanie docisku do jezdni, zwiększając przyczepność.
Siła nośna jest niekiedy czynnikiem szkodliwym i trzeba podejmować specjalne kroki, aby uniknąć jej wpływu. Na przykład kominy na Wyspach Brytyjskich, gdzie częste są silne wiatry, mają specjalne spiralne kołnierze z blachy, aby uniknąć pulsującej siły mogącej rozkołysać komin. Nie jest to bynajmniej siła oporu, ale zmienna (w takt odrywania się od komina zawirowań powietrza), prostopadła do kierunku wiatru siła, a więc – według przyjętej definicji – siła nośna.
Mechanizm powstawania siły nośnej
W przypadku płynu doskonałego i przepływu płaskiego, co odpowiada nieskończenie dużemu wydłużeniu skrzydła, moduły składowych ‘Vz’( o których mowa w punkcie „Ogólne wnioski na podstawie zasad dynamiki Newtona”) są w stanie ustalonym identyczne. W tym przypadku różnica całkowitej ilości ruchu przepływającego płynu w kierunku prostopadłym do kierunku niezakłóconego przepływu między płaszczyzną X1-X1 a X2-X2 (rys.2) powoduje (oczywiście za pośrednictwem ciśnienia płynu) powstanie siły nośnej. Wartość tej siły przy opływie cieczą doskonałą z prędkością dużo niższą od prędkości dźwięku dana jest teoretycznym wzorem Żukowskiego dla profilu Żukowskiego:
Obliczenie energii płynu w płaszczyznach X1-X1 i X2-X2 wskazuje, że w przypadku cieczy doskonałej i przepływu płaskiego nie zachodzi zmiana energii cieczy na skutek generowania siły nośnej, czyli brak powodowanego w ten sposób oporu .
Dla innych profili i płynów takich, jak powietrze i woda, wartości współczynnika Cz są w rzeczywistości zbliżone.
Przepływ wokół profilu wytwarzającego siłę nośną charakteryzuje się powstaniem szczególnych pól ciśnień i prędkości, przy czym pole prędkości musi mieć różną od zera cyrkulację.
Na poglądowym szkicu (rys.2) przedstawiony jest przepływ płaski wokół profilu wytwarzającego siłę nośną. Pokazany jest tu układ ciśnień i związane z nim pole prędkości, które oznaczać się musi (gdy istnieje siła nośna) istnieniem cyrkulacji, będącej charakterystyczną cechą takiego pola prędkości, którego składową jest ruch okrężny; cyrkulacja jest wtedy sumą iloczynów składowej prędkości stycznej do pokazanej na rysunku niebieskiej obejmującej profil krzywej przez długości odpowiadających elementarnych odcinków tej krzywej (i jest taka sama dla każdej innej krzywej zamkniętej obejmującej ten profil). Pokazany na rys.2 przebieg linii prądu i rozkład ciśnień dotyczy stanu ustalonego.
Bezpośrednio po rozpoczęciu ruchu z daną prędkością i kątem natarcia przepływ jest bezcyrkulacyjny i siła nośna nie występuje (rys.3). Taki przepływ jest jednak niestabilny; na krawędzi spływu zachodzi gwałtowna zmiana kierunku ruchu płynu, co prowadzi do formowania się tak zwanego wiru początkowego (rys.4), który w pewnym momencie odrywa się i oddala wraz z przepływem od profilu, w wyniku czego - jako swoista reakcja -wokół profilu pojawia się cyrkulacja i omówiony wyżej stan ustalony, charakteryzujący się między innymi tak zwanym "spływem na ostrzu", czyli gładkim przejściem krawędzi spływu profilu (rys.5). Ilość ruchu okrężnego wokół profilu, określona wartością cyrkulacji i proporcjonalnej do niej siły nośnej, ma ten sam moduł lecz przeciwny kierunek, jak ilość ruchu okrężnego oddalającego się wiru startowego.
Każda zmiana prędkości lub kąta natarcia powoduje powstanie i oderwanie się wiru, zmniejszającego lub zwiększającego cyrkulację i siłę nośną.
Pojęcie cyrkulacji ma istotne znaczenie dla zrozumienia procesu powstawania siły nośnej i jest też przydatne dla niektórych obliczeń; szczegółowiej ta sprawa omówiona jest w artykule powstawanie siły nośnej.
Siła nośna przy prędkości naddźwiękowej
Powstawanie siły nośnej przy prędkości naddźwiękowej wyjaśnia się (i w prostszych przypadkach oblicza) stosunkowo prosto na podstawie własności gazów doskonałych oraz fal uderzeniowych i rozrzedzeniowych. Współczynnik siły nośnej Cz jest tu też w przybliżeniu liniowo zależny od kąta natarcia, lecz jego pochodna względem tego kąta jest zdecydowanie mniejsza niż w przepływie z małymi prędkościami i szybko maleje wraz ze wzrostem prędkości.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz