Siła nośna: Różnice pomiędzy wersjami

'''Siła nośna''' – [[siła]] działająca na [[ciało (fizyka)|ciało]] poruszające się w [[płyn|ośrodku]]ie (gazie lub cieczy), prostopadła do kierunku ruchu. Najbardziej reprezentatywnym przykładem wykorzystania siły nośnej jest siła nośna [[Skrzydło (lotnictwo)|skrzydła samolotu]].

Siła nośna jest [[Składowa wektora|składową]] [[siła aerodynamiczna|siły aerodynamicznej]] powstającej przy ruchu [[ciało (fizyka)|ciała]] w [[płyn]]ieośrodku względem tego płynuośrodku, prostopadłą do kierunku ruchu.

: ρ – [[gęstość]] [[płyn]]uośrodka (powietrze na poziomie morza 1,225 [kg/m³]),

: V – [[prędkość]] ciała względem płynuośrodka [m/s].

'''Siła nośna powstaje gdy ciało poruszające się względem płynuośrodku zmienia całkowitą ilość ruchu ([[pęd (fizyka)|pęd]]) otaczającego to ciało płynuośrodku w kierunku prostopadłym do tego ruchu.'''

Ciało działa wtedy na płynośrodek siłą określoną przez drugą zasadę dynamiki. PłynOśrodek w reakcji działa na opływane ciało siłą o takiej samej wartości, ale przeciwnym zwrocie (trzecia zasada dynamiki).

Jeżeli zmiana ruchu płynuośrodku następuje w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu ciała względem płynuośrodku, to z zasad dynamiki wynika:

: <math>m</math> – masa płynuośrodku, którego prędkość uległa zmianie,

: <math>V_z</math> – średnia zmiana prędkości płynuośrodku w kierunku prostopadłym do ruchu ciała,

Nie znając ‘m’ ani ‘<math>V_z</math>’, nie można z tego wzoru obliczyć siły nośnej. Można jednak oszacować jakiego rzędu jest wielkość obszaru płynuośrodku, który bierze udział w jej powstawaniu. W czasie ‘t’ przez obszar ten przepływa masa płynuośrodku ‘m’, a zatem biorąc pod uwagę poprzednią zależność:

Siła działająca na ciało poruszające się w płynieośrodku zależy zatem nie tylko od bezpośredniego otoczenia ciała, ale od obszaru płynuośrodka znacznie większego od rozmiarów poruszającego się ciała.

Gdyby zmiana prędkości ’<math>V_z</math>’ polegała na przyroście modułu tej składowej od zera do ‘<math>V_z</math>’, za skrzydłem pozostawał by poruszający się w kierunku prostopadłym do wytwarzanej siły nośnej z prędkością ‘<math>V_z</math>’ strumień powietrza, którego masa powiększała by się w każdej sekundzie o ‘m’. Ten przyrost [[Energia kinetyczna|energii kinetycznej]] płynuośrodka '''stwarzałby''' [[opór indukowany]] przez siłę nośną określony (w przybliżeniu) zależnością:

=== Teoria ruchu płynuośrodka opływającego ciało ===

Ruch opływającego ciało płynuośrodku opisuje [[mechanika płynów]], stosująca zasady Newtona i prawa termodynamiki już do elementów płynuośrodku poruszającego się w określonym warunkami brzegowymi obszarze. Rozwiązanie jej ogólnych równań, a tym samym wyznaczenie prędkości, ciśnień, gęstości i temperatury płynuośrodka w funkcji współrzędnych i czasu uznaje się za jeden z najważniejszych problemów współczesnej fizyki.

Zastosowanie komputerów o dużych mocach obliczeniowych pozwala obliczyć cyfrowo parametry płynuośrodku z dostateczną dokładnością w wymaganym obszarze i określić na przykład działające na konstrukcję samolotu ciśnienia i temperatury płynuośrodka, co pozwala także określić wszystkie interesujące siły i momenty.

W przypadku [[Płyn idealny|płynu doskonałego]] i [[przepływ]]u płaskiego, co odpowiada nieskończenie dużemu wydłużeniu skrzydła, moduły składowych ‘<math>V_z</math>’ (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 płynuośrodka w kierunku prostopadłym do kierunku niezakłóconego przepływu między płaszczyzną X1–X1 a X2–X2 (rys. 2) powoduje (za pośrednictwem ciśnienia płynuośrodka) 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 płynuośrodka 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 płynówośrodków takich, jak powietrze i woda, wartości współczynnika Cz są w rzeczywistości zbliżone.

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 płynuośrodka, 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.

Doświadczenia wykazują, że w opływie płynemośrodkiem lepkim za płatem wytwarzającym siłę nośną występuje cienki obszar silnie zawirowanego płynuośrodka, który może być uważany za „powierzchnię wirową”. Rozdziela się ona w pewnej odległości od płata wzdłuż płaszczyzny symetrii i zwija w dwa tak zwane wiry krawędziowe. Suma wirowości po każdej stronie płaszczyzny symetrii, mierzona wartością cyrkulacji (oznaczonych kolorem czerwonym na rys. 6), jest równa wartości cyrkulacji wokół profilu (oznaczonej kolorem zielonym na tym rysunku) w płaszczyźnie symetrii, gdzie cyrkulacja ta osiąga maksimum.

Mechanizm powstawania tego oporu pokazany jest graficznie na rys. 7, gdzie niezdefiniowany wektor Viz to prędkość płynuośrodka przed płatem, indukowana przez wiry związane.

[[Plik:Sila nosna kaczka.svg|thumb|left|Rys. 11. W przypadku opływu płynemośrodkiem błędny model – cząsteczki uderzając w dolną część płata, powodują powstawanie siły nośnej]]

Taki model poprawnie przypisuje powstawanie siły nośnej zmianie pędu ośrodka w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu, ale pomija oddziaływanie płynuośrodka z górną częścią płata.

To założenie jest słuszne przy ruchu ciała w płynieośrodku z prędkością znacznie większą od prędkości dźwięku (np. podczas pierwszej fazy powrotu statku kosmicznego na ziemię) oraz przy opływie profilu przez medium nieciągłe – strumień piłeczek pingpongowych, piasku. Przy opływie ośrodkiem ciągłym i dla prędkości porównywalnych lub mniejszych od prędkości dźwięku założenie to jest zupełnie niesłuszne i obliczana w ten sposób siła nośna jest kilkakrotnie niższa od rzeczywistej.