Лобовое сопротивление (аэродинамика) | это… Что такое Лобовое сопротивление (аэродинамика)?

Четыре силы, действующие на самолёт

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Поток и форма препятствия	Профильное сопротивление	Сопротивление обшивки
	0%	100%
	~10%	~90%
	~90%	~10%
	100%	0%

Траектории трёх объектов (угол запуска — 70°, Distance — расстояние, Height — высота). Чёрный объект не испытывает никакого сопротивления и движется по параболе, на голубой объект действует Закон Стокса, на зеленый объект — закон вязкости Ньютона

Содержание 1 Сопротивление при нулевой подъёмной силе 2 Индуктивное сопротивление 3 Суммарное сопротивление 4 См. также 5 Ссылки

Сопротивление при нулевой подъёмной силе

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

C_x0 — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

• в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
• для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
• для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
• для продолговатых тел вращения ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V^2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости.

Индуктивное сопротивление

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение во-первых сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы, но и её распределение по размаху крыла. Минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по размаху. При проектировании крыла этого добиваются следующими методами:

• выбором рациональной формы крыла в плане;
• применением геометрической и аэродинамической крутки;
• установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы Y, и обратно пропорционально площади крыла S, его удлинению λ, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X = X₀ + X_i

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X₀ пропорционально квадрату скорости, а индуктивное X_i — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости, X₀ растёт, а X_i — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X₀ и X_i, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит наивысшим аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

См. также

• Эффект Бартини

Ссылки

• Аэродинамическое сопротивление — статья из Большой советской энциклопедии
• Аэродинамическое сопротивление — статья из Физической энциклопедии
• Юрьев Б. Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II Индуктивное сопротивление, НКОП СССР, 1938, 275 с.

Силы, действующие на самолёт

Подъёмная сила • Вес • Тяга • Лобовое сопротивление

 

Лобовое сопротивление (аэродинамика) | это… Что такое Лобовое сопротивление (аэродинамика)?

Четыре силы, действующие на самолёт

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Поток и форма препятствия	Профильное сопротивление	Сопротивление обшивки
	0%	100%
	~10%	~90%
	~90%	~10%
	100%	0%

Траектории трёх объектов (угол запуска — 70°, Distance — расстояние, Height — высота). Чёрный объект не испытывает никакого сопротивления и движется по параболе, на голубой объект действует Закон Стокса, на зеленый объект — закон вязкости Ньютона

Содержание 1 Сопротивление при нулевой подъёмной силе 2 Индуктивное сопротивление 3 Суммарное сопротивление 4 См. также 5 Ссылки

Сопротивление при нулевой подъёмной силе

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

C_x0 — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

• в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
• для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
• для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
• для продолговатых тел вращения ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V^2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости.

Индуктивное сопротивление

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение во-первых сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы, но и её распределение по размаху крыла. Минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по размаху. При проектировании крыла этого добиваются следующими методами:

• выбором рациональной формы крыла в плане;
• применением геометрической и аэродинамической крутки;
• установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы Y, и обратно пропорционально площади крыла S, его удлинению λ, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X = X₀ + X_i

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X₀ пропорционально квадрату скорости, а индуктивное X_i — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости, X₀ растёт, а X_i — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X₀ и X_i, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит наивысшим аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

См. также

• Эффект Бартини

Ссылки

• Аэродинамическое сопротивление — статья из Большой советской энциклопедии
• Аэродинамическое сопротивление — статья из Физической энциклопедии
• Юрьев Б. Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II Индуктивное сопротивление, НКОП СССР, 1938, 275 с.

Силы, действующие на самолёт

Подъёмная сила • Вес • Тяга • Лобовое сопротивление

 

Формула силы сопротивления — GeeksforGeeks

Сила, действующая на твердое тело, движущееся по отношению к жидкости за счет движения жидкости, известна как сила сопротивления. Например, перетащите движущийся корабль или перетащите летящий самолет. В результате сила сопротивления представляет собой сопротивление, создаваемое телом, движущимся через жидкость, такую ​​как вода или воздух. Эта сила сопротивления противостоит скорости набегающего потока. В результате это скорость тела к жидкости. В этой статье мы рассмотрим концепцию и формулу силы сопротивления на примерах. Давайте посмотрим на идею.

Что такое сила сопротивления?

Сила сопротивления (D) — это сила, противодействующая движению тела в жидкости.

Сила сопротивления жидкости называется силой сопротивления. Эта сила противодействует движению погруженного в жидкость тела. Таким образом, сила сопротивления определяется как сила, противодействующая движению тела в жидкости. При движении тела в жидкообразной среде возникает аэродинамическое сопротивление. Когда жидкость представляет собой воду, это также гидродинамическое сопротивление. Он имеет естественную склонность действовать в направлении, противоположном скорости потока. Сопротивление воздуха часто ограничивает максимальную скорость, с которой может двигаться падающее тело. Сопротивление воздуха — хороший пример силы сопротивления, то есть силы, которую объекты ощущают при движении через жидкость.

Сила сопротивления, как и кинетическое трение, представляет собой реактивную силу, возникающую только при движении объекта и направленную в направлении, противоположном движению объекта в жидкости. Сопротивление формы и сопротивление кожи — два типа этой силы. Сопротивление формы — это сопротивление жидкости перемещению движущегося объекта. В результате сопротивление формы сравнимо с силой, создаваемой сопротивлением твердых тел деформации. Жидкость, скользящая по поверхности движущегося объекта, вызывает поверхностное сопротивление, которое по существу представляет собой механическую силу трения.

Формула силы сопротивления

Сила сопротивления рассчитывается по следующей формуле: – сила сопротивления (Н),

C _d – коэффициент сопротивления,

ρ – плотность среды (кг/м ³ ),

V – скорость тела (м/с ), а

А — площадь поперечного сечения (м ² ).

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое перетаскивание?

Ответ :

Сопротивление – это сила, с которой поток жидкости действует на объект, движущийся в его направлении, или сила, с которой объект движется в жидкости. Движущиеся транспортные средства, корабли, висячие мосты, градирни и другие конструкции должны оценивать размер конструкции и то, как ее можно уменьшить. Силы сопротивления традиционно представляются коэффициентом сопротивления, который определяется независимо от формы тела.

Коэффициент аэродинамического сопротивления пропорционален числу Рейнольдса, как показывает размерный анализ; точное соотношение должно быть определено экспериментально, но его можно использовать для аппроксимации сил сопротивления, испытываемых другими телами в других жидкостях при других скоростях. Идея динамического подобия используется инженерами, когда они используют эффекты структуры модели для прогнозирования поведения других структур.

Вопрос 2: Автомобиль движется со скоростью 83 км/ч и имеет коэффициент аэродинамического сопротивления 0,30. Определить силу сопротивления, если площадь поперечного сечения равна 12 кв.

Ответ:

Учитывая, что

V = 83 км/ч = 83 × 5/18 м/с = 23,05 м/с,

C _d

2, A 2 ,

ρ = 1,2 кг / м ³

,

D = (C _D × ρ × V ² × A) / 2

= (0,30 × 1. 2 × 23.05 ^{2 2 2}

= (0,30 × 1.2 × 23.05 ^{2 2 2}

= (0,30 × 1.2 × 23,05 ^{2 2}

= (0,30 × 1.2 × 23.05 ^{2 2}

= (0,30 × 1.2 × 23,05 2 2

× 12) / 2

= 2295,21 / 2

= 1147,60 N

Вопрос 3: При коэффициенте лобового сопротивления 0,25 самолет движется со скоростью 610 км/ч. Рассчитайте силу сопротивления, если площадь поперечного сечения самолета 70 м ² .

Ответ:

Указано, что,

V = 610 км/ч = 610 × 5/18 м/с = 169,44 м/с,

C _D = 0,25,

ρ = 1,2 кг / м ³ ,

a = 70 м ²

С.

D = (C _D × ρ × V ² × A) / 2

= (0,25 × 1,2 × 169,4444444 / 2

= (0,25 × 1,2 × 169,44444444 / 2

= (0,25 × 1,2 × 169.444 ² × 70) / 2

= 602908,11 / 2

= 301454,05 Н

Вопрос 4: При коэффициенте лобового сопротивления 0,14 велосипед движется со средней скоростью 83 км в час. Рассчитайте силу сопротивления для площади поперечного сечения 5 м ² .

Ответ:

Указано, что

В = 83 км/ч = 83 × 5/18 м/с = 23,05 м/с,

C _D = 0,14,

A = 5 м ² ,

ρ = 1,2 кг/м ³

Так как,

D = (C _d × ρ × V ² × a) / 2

= (0,14 × 1,2 × 23,05 ² × 5) / 2

= 446,292 / 2

= 223.146 N

. движущегося объекта в воде, который испытывает силу сопротивления 520 Н? Площадь сечения 3 м ² , скорость 20 м/с.

Ответ:

Учитывая, что

D = 520 Н,

А = 3 м ² ,

В = 209 м/с0003

ρ = 1,2 кг/м ³

Т.к.

= 2 × 520 / 1,2 × 20 ² × 3

= 1040 /1440

= 0,722

Прота предлагаемая жидкостью, такой как воздух и вода, называется силой сопротивления или сопротивлением, когда объект движется через нее.

Он действует в направлении, противоположном движению объекта. Он создается относительной скоростью между твердым объектом и жидкостью. Независимо от того, движется ли объект или жидкость, сопротивление возникает до тех пор, пока существует разница в их скоростях. Поскольку он устойчив к движению, сопротивление имеет тенденцию замедлять объект. Эффективный способ уменьшить его — изменить форму объекта и сделать его обтекаемым.

Drag Force

Примеры Drag Force

В повседневной жизни есть немало примеров Drag Force. Объекты испытывают это при прохождении через воздух или воду.

• Автомобиль едет по шоссе
• Корабль плывет по океану
• Парашютист, падающий в небо, испытывает сопротивление после раскрытия парашюта.
• Пловец, плавающий в бассейне
• Гоночный автомобиль, несущийся по трассе
• Самолет, летящий по воздуху 92\]

  Где,

  C — коэффициент сопротивления, безразмерный, значения которого зависят от формы объекта. (Например, C = 0,47 для сферы и C = 0,82 для длинного цилиндра)

  ρ _f — плотность жидкости.

  v — скорость объекта.

  A — площадь поперечного сечения объекта в проекции в направлении, перпендикулярном движению объекта.

  Единица силы сопротивления: Ньютон или Н

  Размер силы сопротивления: MLT ^-2

  Приведенное выше уравнение применимо почти ко всем жидкостям. Как видно, F _D пропорционально квадрату скорости, то есть F _D ∝ v ² . Это соотношение является квадратичным, и, следовательно, уравнение также называют квадратичной силой сопротивления.

  Уравнение силы сопротивления

  Работа, совершаемая силой сопротивления в единицу времени, также известная как мощность, является произведением F _D раз больше скорости.

  P = F _D x v

  Как найти конечную скорость с помощью силы сопротивления

  Когда объект падает по воздуху с большой высоты, он испытывает как силу тяжести, так и силу сопротивления. Поскольку гравитация ускоряет объект, его скорость будет увеличиваться. Следовательно, сила сопротивления увеличится и через некоторое время сравняется по величине с силой тяжести. Когда это происходит, на объект не действует сила, которая теперь движется в воздухе с постоянной скоростью. Эта скорость известна как конечная скорость 92 = мг\ \Rightarrow v_T = \sqrt{ \frac{2mg}{C\rho_f A}} \]

  Сила вязкого сопротивления

  Уравнение для F _D применимо не во всех ситуациях. Для вязких жидкостей, таких как мед и патока, сила сопротивления зависит от вязкости η . Если скорость v низкая (ламинарный поток), то сопротивление имеет линейную зависимость от скорости. Для сферического объекта радиусом r величина силы сопротивления определяется уравнением Стокса.

  \[F_D = 6\pi \space \eta \space r\space v\]

  Этот вид сопротивления, при котором важную роль играет вязкость жидкости, называется силой вязкого сопротивления. Уравнение Стокса используется для изучения взвешенных в жидкости мелких частиц.

  Применение силы сопротивления

  Многие исследователи широко используют силу сопротивления для изучения движения транспортных средств, самолетов и ракет. Эти работы проводятся в лаборатории, где в аэродинамической трубе создаются ветры. Поместив объект, например модель самолета, можно измерить и проанализировать сопротивление. Эти исследования позволяют исследователям проектировать летательные аппараты, которые могут уменьшить силу лобового сопротивления.

  Подъемная сила и сила сопротивления

  Еще одна физическая величина, часто связанная с сопротивлением, — это подъемная сила. Подъемная сила называется аэродинамической силой, перпендикулярной движению объекта. Как следует из названия, он отвечает за подъем объекта с земли. Все мы знаем, что воздух – это жидкость. В самолете подъемная сила создается за счет разницы давлений воздуха над и под крыльями. Его направление прямо противоположно весу самолета.