Cara sayap menghasilkan daya angkat

Jurutera menulis daya angkat sayap sebagai satu persamaan ringkas:

L = ½ × ρ × V² × S × C_L

• ρ (huruf Yunani rho) ialah ketumpatan udara. Pada aras laut dalam atmosfera piawai, nilainya ialah 1.225 kg/m³. Nilainya berkurang dengan altitud.
• V ialah laju udara, iaitu laju pesawat relatif kepada udara, dalam m/s. Pesawat yang terbang melawan angin pada 10 m/s dengan laju 50 m/s berbanding permukaan tanah mempunyai laju udara 60 m/s.
• S ialah luas sayap dalam m². Pesawat mainan itu mempunyai 16 m².
• C_L ialah pekali angkat, iaitu nombor tanpa unit. Nilai ini merangkumi bentuk sayap dan sudutnya terhadap aliran udara.

Bahagian ½ρV² dipanggil tekanan dinamik q, dalam pascal. Pada 50 m/s di aras laut, q = 0.5 × 1.225 × 50² ≈ 1,531 Pa. Maka daya angkat hanyalah q × S × C_L. Dengan C_L = 0.4: L ≈ 1,531 × 16 × 0.4 ≈ 9,800 N, iaitu berat pesawat mainan itu. Jadi pada 50 m/s, pesawat itu boleh terbang mendatar dengan C_L = 0.4.

Fungsi setiap istilah.

• Laju dikuasakan dua. Gandakan laju dan daya angkat menjadi 4 kali ganda. Jadikan tiga kali ganda dan anda mendapat 9 kali ganda. Sebab itulah kapal terbang memerlukan laluan yang panjang di landasan.
• Ketumpatan berkadar terus. Separuh ketumpatan menghasilkan separuh daya angkat pada laju dan sudut yang sama. Di tempat tinggi, sayap mesti bergerak lebih laju atau menggunakan C_L yang lebih besar untuk membawa berat yang sama.
• Luas berkadar terus. Sayap yang lebih besar menghasilkan lebih banyak daya angkat pada laju yang sama. Flap meningkatkan kedua-dua luas berkesan dan C_L untuk pendaratan.

Sudut serang. Sudut serang α mengukur betapa curamnya sayap bertemu dengan udara yang datang: sudut ini diukur dari garis kord (garis bayangan dari sisi hadapan ke sisi belakang) hingga ke arah datangnya udara. Sudut ini bukan sudut kapal terbang berbanding ufuk. Dalam julat linear, pekali angkat meningkat secara berterusan apabila α meningkat. Dalam model ringkas yang digunakan di sini, C_L = 0.08 × (α + 5°), jadi sayap masih menghasilkan sedikit daya angkat pada α = 0° dan tidak menghasilkan daya angkat pada α = −5°. Melebihi kira-kira 15°, sayap menjadi pegun dan C_L berhenti meningkat (pelajaran 4).

Oleh sebab daya angkat mesti sama dengan berat, kapal terbang yang lebih perlahan memerlukan C_L yang lebih besar, dan oleh itu α yang lebih besar. Untuk kapal terbang ringkas (9,810 N, 16 m²) dalam penerbangan mendatar: 80 m/s memerlukan α ≈ −3°, 50 m/s memerlukan 0°, 40 m/s memerlukan 2.8°, 30 m/s memerlukan 8.9° dan 25 m/s memerlukan 15°, tepat ketika pegun.

Mengapa sayap boleh menghasilkan daya angkat? Ada dua penerangan, dan kedua-duanya ialah fizik yang sama dilihat dari dua sudut.

1. Sayap membelokkan udara ke bawah (Newton). Untuk menolak pesawat ke atas, sayap mesti menolak udara ke bawah. Daya angkat ialah kadar sayap memberikan momentum ke bawah kepada udara. Anggaran kasar untuk pesawat mainan pada 50 m/s: sayapnya (rentang kira-kira 11 m) mempengaruhi tiub udara selebar kira-kira itu, iaitu kira-kira 5,800 kg udara setiap saat. Untuk menghasilkan 9,810 N, aliran udara ke bawah purata adalah kira-kira 9,810 / 5,800 ≈ 1.7 m/s. Itu perlahan, tetapi jumlah udaranya banyak. (Ini ialah anggaran tertib magnitud daripada momentum, bukan nilai tepat.)

2. Tekanan lebih rendah di atas dan lebih tinggi di bawah (Bernoulli). Udara yang mengalir di atas permukaan atas yang melengkung bergerak lebih laju dan tekanannya menurun. Perbezaan tekanan antara kedua-dua sisi, apabila dijumlahkan pada seluruh sayap, ialah daya angkat.

Ini bukan dua penerangan yang bercanggah. Perbezaan tekanan ialah cara sayap menolak udara, dan pembelokan udara ke bawah ialah hasilnya. Flow Lab menunjukkan garis arus dan tekanan pada sayap dengan terperinci, jadi kursus ini tidak mengulanginya.