Подемна сила: дефиниция, как работи и приложения в аеродинамиката

Силата на подем, подемната сила или просто подемната сила е сумата от всички сили върху дадено тяло, които го принуждават да се движи перпендикулярно на посоката на потока.

Най-разпространеният вид подемна сила е тази на крилото на самолета. Но има и много други често срещани приложения, като например витлата на самолетите и лодките, роторите на хеликоптерите, лопатките на вентилаторите, платната на платноходките и вятърните турбини.

Въпреки че общото значение на термина "повдигане" предполага действие "нагоре", повдигането може да бъде във всяка посока. Например при платно подемната сила е хоризонтална, а при крило на състезателен автомобил подемната сила е надолу.

Съществуват редица начини за обяснение на производството на асансьори; някои от тях са по-сложни от други, а за някои е доказано, че са неверни. Най-простото обяснение е, че крилото отклонява въздуха надолу, а реакцията избутва крилото нагоре.

Как работи подемната сила — основни принципи

Подемната сила произлиза от разпределението на налягането около тялото, когато то взаимодейства с поток от флуид (въздух или вода). Крилото или друг аеродинамичен профил променя посоката и скоростта на потока, което води до разлика в налягането между горната и долната му повърхност. Тази разлика в налягането създава нетична сила, чиято компонента, перпендикулярна на посоката на потока, се нарича подемна сила.

Физични обяснения — два удобни подхода

• Нютоновска гледна точка (импулс и реакция): Крилото отклонява въздуха надолу; по третия закон на Нютон реакцията създава сила върху крилото в обратна посока (нагоре). Това обяснение подчертава промяната в импулса на флуида.
• Бернулиева/налягово-разпределителна гледна точка: Деформиранието на потока около профила предизвиква промени в скоростта, а според уравнението на Бернули по-голяма скорост води до по-ниско статично налягане. Разлика в наляганията между горната и долната повърхност води до подем.

И двата подхода са съвместими и често се използват заедно: Нютоновото обяснение акцентира върху отклоняването и импулса, а Бернули описва как промяната в скоростта на потока се свързва с налягането.

Уравнение на подемната сила

В инженерната практика подемът често се оценява чрез емпиричното уравнение:

L = 1/2 · ρ · V² · S · C_L

• L — подемна сила (Нютони)
• ρ — плътност на въздуха (kg/m³)
• V — относителна скорост на въздушния поток спрямо крилото (m/s)
• S — площ на крилото (m²)
• C_L — коефициент на подем, безразмерна величина, която зависи от формата на профила, ъгъла на атака и числа на Рейнолдс

Коефициентът на подем C_L се определя експериментално (в тунел) или чрез числени модели и показва колко ефективно крилото превръща кинетичната енергия на потока в подем при дадени условия.

Други теоретични резултати

За двумерно течение около профил е полезна теоремата на Kutta–Joukowski, която свързва подема с циркулацията Γ на потока:

L' = ρ · V · Γ (подем на единица дължина). Това пояснява ролята на въртенето/циркулацията, генерирано от профила и граничния слой.

Фактори, влияещи на подемната сила

• Ъгъл на атака (angle of attack): ъгълът между хоризонталната проекция на крилото и вектора на относителната скорост; увеличаването му обикновено увеличава C_L до определена критична стойност.
• Форма на профила и крилната геометрия: кривина (camber), относителна дебелина, стреловидност и разпределение на площта влияят силно върху подема и съпротивлението.
• Скорост и плътност на въздуха: подемът нараства пропорционално на ρ и на квадрата на V.
• Граничен слой и ниво на турболентност: състоянието на граничния слой (ламинарен или турбулентен) и възможното отделяне на потока (separation) определят дали крилото ще работи ефективно или ще изпадне в застопоряване (stall).

Застопоряване (stall) и отрицателен подем

Когато ъгълът на атака премине критична стойност, поточните слоеве не могат да следват контура на профила и настъпва отделяне на потока. Това води до рязко намаляване на C_L и увеличаване на съпротивлението — явлението се нарича застопоряване (stall). Оперативно, пилотите следят ъгъла на атака и индикатори за скорост, за да не попаднат в тази зона.

Подемната сила може да бъде и насочена "надолу" — това се използва при спойлери и въздушни елементи на състезателните автомобили, за да притиска машината към пътя и да увеличи сцеплението.

Приложения и измерване

• Самолети: главно крилата носят подема, но управленните повърхности и двигателя също влияят на разпределението на налягането.
• Хеликоптери и витла: роторните лопатки действат като въртящи се крила; подемът се контролира чрез промяна на ъгъла на лопатката.
• Платна и ветрогенератори: при платната подемната сила е основно хоризонтална и задвижва лодката; при вятърните турбини лопатките превръщат подемното и моментното действие във въртене и електрическа енергия.
• Инструменти за измерване: вятърни тунели, натоварващи стативи, аеродинамни балансни системи и CFD (числено моделиране) се използват за определяне на C_L, разпределението на налягането и характеристиките на подема.

Често срещани погрешни схващания

• „Equal transit time“ мит: идеята, че потокът над горната повърхност трябва да стигне до края на крилото едновременно с потока от долната повърхност и че това е причината за по-голямата скорост и по-ниско налягане — е опровергана. В действителност въздушните частици не пристигат синхронно и скоростите се определят от по-сложната динамика на потока и граничните условия.
• Подем = само „избутване нагоре“: това е опростено описание; важно е да се разбере ролята на налягането, циркулацията и промяната на импулса в генерирането на подем.

Практически бележки

В проектирането на крила и летателни апарати се търси баланс между висока стойност на C_L (за добро издигане при излитане и кацане) и ниско съпротивление при крейсерски полет. Инженерите използват комбинация от форма, щитове, закрилки и системи за контрол, за да оптимизират работната област и да предотвратят застопоряване.

Подемната сила е фундаментално явление в аеродинамиката, активно използвано в много области — от авиация до възобновяема енергия и морски приложения — и нейното правилно разбиране е ключово за безопасността и ефективността на множество технологии.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява подемната сила?

В: Кой е най-разпространеният вид подемна сила?

В: Какви са някои други често срещани приложения на подемната сила?

В: Може ли подемната сила да бъде във всяка посока?

В: Как се обяснява създаването на подемна сила?

Въпрос: Всички ли обяснения на създаването на подемна сила са точни?

Въпрос: Какво е въздействието на подемната сила върху движението на тялото?

Търсене по буква