Komor vagy sem, mindannyian alkalmanként elfordultunk a repülőgép ablaka elől, amikor láttuk, hogy a repülőgép szárnyai többször rángatóztak, és véleményünk szerint a szükségesnél jobban mozogtak. Igen, több százszor hallottuk, hogy a repülőgép a legbiztonságosabb közlekedési eszköz a világon; hogy minden 2,4 millió járatból csak egy végződik tragédiával, és hogy a turbulencia legalább 40 év alatt nem okozott balesetet.

teljesen

Akkor miért zavar minket annyira a szárnyak hirtelen mozgása? Mint sok más esetben, a válasz abban is rejlik, hogy nem tudunk arról, hogy egy repülőgép miként marad a levegőben. Ezért kérdeztük magunktól; Milyen furcsa erő teszi lehetővé a repülőgép számára, hogy 10 000 méteres magasságban tartsa fenn több ezer kilométeren keresztül, anélkül, hogy erőszakos lökés a legkisebb veszélyt jelentené a pilótázásra?

Ha nem tudja, hogyan válaszoljon erre a kérdésre biztosan, ne aggódjon; a tudományos közösség sem.

És ez az, hogy bár a repüléstechnikai mérnökök több mint képesek repülésre alkalmas repülőgépek építésére (amint ezt a repüléstörténet elmúlt 80 éve bizonyítja), nem annyira, hogy elmagyarázzák, hogy az aerodinamikai lift pontosan hogyan jön létre, vagy a felfelé irányuló erő, amely körülbelül 100 tonnás fémváznak a levegőben való tartózkodását teszi lehetővé.

Különböző elméletek léteznek ebben a tekintetben, amelyek ugyan eléggé megalapozott magyarázatot kínálnak arra, hogy ez az erő miért keletkezik, de az évek során hibásnak vagy legalábbis elégtelennek minősítették őket, mivel sok végét kötetlenül hagyják. Bár teljesítik tájékoztató funkciójukat (és ezért szerepelnek a kevésbé képzett olvasóknak szóló tankönyvekben és enciklopédiákban), ezen egyetemes magyarázatok egyike sem önmagában érvényes magyarázat.

Hogyan tervezzünk repülésre alkalmas repülőgépeket, ha nem tudjuk megmagyarázni, hogyan csinálják?

Ezen a ponton elgondolkodhat azon, hogyan lehet egy tökéletesen működő kereskedelmi repülőgépet megtervezni, és ugyanakkor, nem képes szigorúan megmagyarázni, hogyan keletkezik az az erő, amely a sík felszállása során felemelkedik.

Nagyon könnyű; a fizika (és különösen a folyadékmechanika) kiemelkedően kísérleti tudomány, amelyben sokszor kísérletek megelőzik az elméletet. Először megfigyelnek egy jelenséget és elvégeznek méréseket; később kísérleteket hajtanak végre és matematikai modelleket dolgoznak ki a kísérletek által szolgáltatott adatok magyarázatára, végül elméletek és törvények dolgoznak ki.

Más szavakkal, a 18. és 19. századi fizikusok és matematikusok vizsgálati munkája olyan matematikai képleteket nyújtott számunkra, amelyek kísérletekkel (Navier-Stokes-egyenletek) képesek nagyon pontos és kimutatható jóslatok megfogalmazására. Sokszor azonban nem vagyunk képesek ilyen hatékony és egyértelmű matematikai nyelv fordítására, a szemünk számára érthető és ésszerű nyelvre, gyakran korlátozza az, amit szabad szemmel megfigyelhetünk, és mi nem.

Hagyományos magyarázatok, vagy mit mondanak a középiskolai tankönyvek

Mindenekelőtt arra kell emlékezni a levegő folyadék és mint ilyen, bizonyos ellenállást mutat az ellene ható szilárd testekkel szemben, hasonlóan a tengervízhez, amikor egy hajó ütközik ellene (ennek a másodpercnek egyszerűen nagyobb a sűrűsége).

Gyakran azt gondolják, hogy ami a repülőgépet a levegőben tartja, az a motor ereje, de még mindig hipotetikus és valószínűtlen esetben, ha a motor meghibásodik, a gép nem zuhan le. Míg a motor ellensúlyozza az elölről (ellenállás) generált ellenállást, addig a szárnyak ellensúlyozzák a lefelé keletkező ellenállást (súly).

Vagyis a motor teljesítménye lehetővé teszi a gép számára, hogy elérjen egy bizonyos sebességet, de a szárnyak azok, amelyek sajátos alakjukból adódóan elegendő erőt generálnak ahhoz, hogy ellensúlyozzák a sík és a benne tartózkodók súlyát (kb. 100 tonna). Végül ahhoz, hogy a repülőgép a levegőben maradjon, tökéletes egyensúlyt kell kialakítani négy egymással szemben álló erő (súlyemelés és tolóhúzás) között. Amikor ez az egyensúly bekövetkezik, a repülőgép belép az utazási szakaszba.

A lényegi hagyományos magyarázat az Bernoulli tétele, holland-svájci matematikus, statisztikus, fizikus és orvos, aki a 18. században élt. E magyarázat szerint a légmolekulák, amikor találkoznak a szárnnyal, kénytelenek elválni. A szárny alakja miatt (vastagabb és elöl lekerekített) a szárnyon haladó molekuláknak annak érdekében, hogy újra találkozhassanak az alján utazó molekulákkal, rövidebb idő alatt ugyanolyan távolságot kell megtenniük, ami növeli a sebesség. Bernoulli törvénye szerint minél nagyobb a sebesség, annál alacsonyabb a nyomás, ami azt jelenti, hogy alacsony szárnyú területünk van a szárnyon, és alatta van egy nagynyomású terület, amely felfelé hajtja a szárnyat.

Bernoulli tétele azonban túl nagy jelentőséget tulajdonít a szárny görbületének és a sík helyzetének., figyelmen kívül hagyva, hogy vannak olyan repülőgépek, amelyek képesek teljesen lapos szárnyakkal repülni, és repülés közben 180 fokkal elfordulni, és a levegőben maradni. Ezenkívül számos vizsgálat kimutatta, hogy a repülőgép szárnyán áthaladó levegő a szárny alatt haladó levegő előtt eléri a szárny végét, és ezzel a másodperccel nem csatlakozik újra.

"Bernoulli elmélete tudatlanságból terjedt el, tekintettel arra, hogy egyszerű magyarázatot kell adni az első repülőgépes repülésekre 1903-ban" - magyarázza. Carlos Sanmiguel, a madridi Carlos III Egyetem folyadékmechanikai doktora. „A repülőgépek aerodinamikáját próba-hiba módszerrel tanulták meg, mivel születése a formális elmélet kidolgozását megelőzően zajlott, és nem voltak olyan egyenletek, amelyek lehetővé tennék a számításokat az előzetes szakaszban. A repülőgépgyártás általában mindig nagyon empirikus volt. A Wright testvérek gépe instabil repülőgép volt ”- teszi hozzá Carlos.

Newton mozgástörvényei, a folyadékok viselkedése alapján átfogalmazva, ezek a lift hagyományos magyarázatai. A cselekvés és a reakció elve szerint minden cselekvés ellentétes cselekvésnek felel meg. Ugyanúgy, mint egy pohár víz lefelé irányuló erőt fejt ki, amelyet ellensúlyoz az azt támogató asztal által kifejtett felfelé irányuló erő, repülés esetén a szárny lefelé tolja a levegőt, ami viszont a szárny lendületét generálja. felfelé (emelés) és visszafelé (húzás).

Bár ez az elmélet minden típusú szárnyra alkalmazható, tekintet nélkül alakjukra és görbületükre, és magyarázatot ad a fordított repülésre, Nehéz megmagyarázni, miért jön létre még a teljesen lapos szárnyakon is alacsony nyomású zóna a szárny felső részén. Carlos megerősíti, hogy Newton törvényei önmagukban is magyarázatot adnak a problémákra.

Végül is Bernoulli és Newton elméletei megelőzték az első repülőgép-kísérleteket, és a Wright testvérek 1903-ban a történelem első motoros repülése után egyszerűen megfogalmazták őket. Az egyik és a másik sem volt tudatában annak, hogy elméleteik alapvető szerepet játszanak a repülés elveiben. Mindazonáltal, és látható korlátozásaik ellenére, elegendő megkeresni néhány népszerűsítő blogot és a hozzájuk tartozó megjegyzési részeket annak megerősítésére, hogy a két tétel között ma is fennáll egy bizonyos kettősség (mintha ellentmondásosak lennének, nem pedig kiegészítenék egymást), és van még mindig ki védi őket foggal és körömmel.

A helyes magyarázat, vagy mit mondanak nekünk a repülési pályafutás során

Pontosan a leghelyesebb magyarázat a tudományos közösség szemében (vagy inkább, a legkevésbé ellentmondásos) mindkét elmélet kombinációja. Ez a magyarázat ötvözi Newton cselekvési és reakcióelvét (a sík repül, mert nagy mennyiségű levegőt terel lefelé) és Bernoulli tételét (a felső és az alsó rész közötti nyomáskülönbség megléte), de egy új elemet vezet be, amely egyesíti mindkét elméletet: a szárny támadási szöge vagy dőlése az elölről érő levegőhöz képest.

A szárny támadási szöge szorosan kapcsolódik a viszkozitáshoz, a levegő olyan tulajdonsága, amelyet a hagyományos elméletek nem vettek figyelembe. A viszkozitás hatására a levegő „tapad” a szárny alakjához (Coandă-effektus), és rétegként ragaszkodik hozzá, amíg el nem éri a szárny hátsó szélét. Ez az úgynevezett határréteg, és pontosan ez a kutatási területe Dr. Carlos Sanmiguelnek, aki a kísérleti aerodinamikában is befejezte dolgozatát.

Ily módon, amikor a szárny dőlése meghalad egy bizonyos szöget, a viszkozitás által generált erő nem elegendő ahhoz, hogy a levegőrétegek tovább tapadhassanak a szárny felső részén, és az emelés elvész. Ez az elmélet megmagyarázza a fordított repülést is; Amikor a gép 180 fokkal elfordul és fejjel lefelé fordul, a támadási szög továbbra is fennáll, de hátramenetben negatív emelést generál.

Carlos a maga részéről inkább Euler egyenletein keresztül magyarázza, vagy mi ugyanaz, Newton törvényei a tömeg és az energia megőrzésével kombinálva. "A kulcs nem a szárny kialakításában rejlik, hanem a körülötte levő levegő viselkedésében", Carlos kijelenti. "A levegő ugyanúgy terelődik a szárny körül, mint bármely más akadály esetén, legyen az autó, szélturbina vagy domb".

Matematika, vagy miért nincs szükségünk "logikus" magyarázatra

Amint az elején említettük, ezek az elméletek egyszerűen a matematikai nyelv értelmezésének egyik módja, gyakran túl elvontak és megfoghatatlanok. Mindazonáltal, a matematikai képletek önmagukban tökéletesen életképes repülőgépek gyártását teszik lehetővé 1940 óta.

Pontosabban működik a komplex Navier-Stokes-egyenletek, amelyek lehetővé teszik a folyadék mozgásának nagyon pontos kiszámítását anélkül, hogy szélcsatornákban végzett vizsgálatokhoz vagy más teljes körű kísérletekhez kellene folyamodni. Természetesen összetettségük olyan, hogy még nem sikerült analitikusan megoldanunk őket (sőt, több mint 810 000 eurót kínálnak annak, akinek végül papíron sikerül megoldaniuk), amellyel csak hozzávetőleges számításokat engednek meg.

"Nem tudjuk megoldani elemzéssel; nem elérhetőek”, Magyarázza Carlos. "A valós problémákra alkalmazott Navier-Stokes-egyenletek pontos megoldásához szuperszámítógépekre (például a barcelonai MareNostrum), valamint havi és havi számítási folyamatokra lenne szükség". A Navier-Stokes-egyenletek megoldásának számítógépes szimulációkkal történő megkeresésével foglalkozó terület az úgynevezett számítási folyadékmechanika. "30 éve mondják, hogy eljön az a nap, amikor a szuperszámítógépek meg tudják oldani a Navier-Stokes egyenleteket, és a kísérleti szakasz teljesen mellőzhető, mivel nagyon drága ”- magyarázza Carlos. Tekintettel a Navier-Stoke-egyenletek összetettségére, olyan egyszerűsítéseket vagy modelleket alkalmaznak, amelyek megkönnyítik a számítási folyamatot, és lehetővé teszik a légmozgás megközelítő megoldásait valós esetekben.

Számunkra egyértelmű, hogy a mai napig, nem lehet repülőgépet csak egyenletek és numerikus szimulációk felhasználásával tervezni, inkább kísérletekre van szükség. Carlos azonban optimista és úgy véli, hogy eljön az a nap, amikor a számítási és kísérleti technikák fejlődése lehetővé teszi a Navier-Stokes egyenletek mögött rejlő jelenségek jobb megértését, és olyan modellek készíthetők, amelyek képesek megjósolni a levegő viselkedését. örvények és örvények kialakulása. "A digitális fényképezés fejlődése már lehetővé teszi a levegő mozgásának kiszámítását egy egyszerű fénykép alapján" - magyarázza a mérnök, utalva a részecskekép-velocimetriás (PIV) technika következő képére.

Összefoglalva: a felvonó vagy az erő eredetével kapcsolatos vita, amely lehetővé teszi a repülőgép emelkedését felszállás közben, nem más, mint a vita, amely általában körülveszi a tudományos terjesztést; Tényleg lehetséges egyszerű, érthető és logikus magyarázattal szolgálni, amely szerepelhet a középiskolai tankönyvekben, anélkül, hogy ez túlzott egyszerűsítést eredményezne, amely paradox módon érvényteleníti a magyarázatot?

Carlos ugyanabban a kételyben osztozik. „A probléma egy nagyon összetett jelenséget próbál megmagyarázni, nagyon egyszerű módon. Halálágyán Werner Heisenberg fizikus azt mondta, hogy az első dolog, amit Istentől fog kérni, a relativitás és a turbulencia magyarázata, és hogy csak az elsőre vár választ. ".