Ein Flugzeug hat einen Motor, der seinen Flug vorantreibt. Welche Kraft bringt ein Segelflugzeug zum Fliegen? [Duplikat]

Flugzeuge fliegen nicht wegen ihrer Motoren. Sowohl Flugzeuge als auch Segelflugzeuge fliegen, weil ihre Flügel den Schub in Auftrieb und Widerstand umwandeln.

Diese vereinfachende Antwort wirft natürlich nur die Frage auf: "Wie kann man ohne Motor Schub erzeugen?"

Ein Segelflugzeug tauscht ständig Höhe (potenzielle Energie) gegen Fluggeschwindigkeit (kinetische Energie). Energie im Laufe der Zeit ist gleich Kraft, die wir in diesem Fall Schub nennen. Flugzeuge tun dasselbe beim Sinkflug. Beide können auch Energie in die entgegengesetzte Richtung tauschen, aber nur kurz, bis die Flügel abreißen.

Der große Unterschied besteht darin, dass ein Flugzeug auch Treibstoff (chemische Energie) in Schub umwandeln kann, was einen anhaltenden Horizontal- oder Steigflug ermöglicht . Segelflugzeuge haben diese Option nicht.

Die Kraft, die ein Segelflugzeug antreibt, ist eine Komponente seines Gewichts. Genauer gesagt ist es die Projektion des Vektorgewichts W auf den Gleitpfad. Es ist genau derselbe Wert wie der Luftwiderstand D, wenn das Segelflugzeug mit konstanter Fluggeschwindigkeit ohne Beschleunigungen fliegt. Im Bild sind alle Vektoren Kräfte außer U, V und w, die horizontale, totale und vertikale Fluggeschwindigkeit sind ...

$W$hat zwei Komponenten, eine Komponente$W_n$senkrecht zu$V$, und eine Komponente$W_t$neben$V$.$W_t$ist die Kraft, die das Segelflugzeug antreibt, entsprechend der Schubkraft, die ein Motorflugzeug antreibt.

Machen wir ein Gedankenexperiment.

Fliegen Sie ein Segelflugzeug auf einer horizontalen Flugbahn. Es wird langsamer und bleibt stehen.

Fliege nun denselben Schirm in einem senkrechten Sturzflug. Es wird nach unten beschleunigt, von der Schwerkraft nach unten gezogen.

Stellen Sie sich nun den Gleitflug als Überlagerung beider Zustände vor. Größtenteils horizontaler Flug mit etwas vertikalem Sturzflug obendrauf. Sollte es nicht offensichtlich sein, dass die Schwerkraft das Segelflugzeug in Bewegung hält?

Aber die Schwerkraft liefert nur die vertikale Komponente der Beschleunigung. Der Schirm wird im Sturzflug nur nach unten beschleunigt, nicht nach vorne. Nur wenn der Pilot am Steuerknüppel zieht und dem Flügel etwas Auftrieb hinzufügt, erfährt der Schirm eine Vorwärtsbeschleunigung.

Hier hast du es. Da sich das Segelflugzeug entlang einer geneigten Flugbahn bewegt, ist sein Auftriebsvektor nach vorne geneigt , was etwas Schub liefert. Natürlich wird der Auftriebsvektor nur benötigt, weil das Segelflugzeug im Gravitationsfeld der Erde fliegt, also würde mehr Schwerkraft oder mehr Masse eine Erhöhung des Auftriebs erfordern, was wiederum mehr Vorwärtsschub bedeutet. Aber die Schwerkraft ist nur indirekt beteiligt, indem sie die Auftriebsanforderung festlegt. Was den Schirm wirklich nach vorne zieht, ist seine Vorwärtsauftriebskomponente.

Aber der Schirm wird nicht nur nach vorne beschleunigt, sondern auch etwas nach unten. Der Widerstand ist schließlich auch geneigt und sorgt für etwas Aufwärtskraft. Dieses Bit muss ausgeglichen werden, was durch die Schwerkraft erfolgt. Bei einem geneigten Bezugssystem ist es tatsächlich die Schwerkraft, die geneigt ist und das Segelflugzeug entlang der geneigten Längsachse nach vorne zieht. Bleiben wir aber im erdfesten Standardsystem, werden nur Auftrieb und Widerstand geneigt, und der Auftrieb zieht das Segelflugzeug nach vorne . Die Schwerkraft trägt nur einen Bruchteil nach unten bei, dessen Größe von der Gleitzahl abhängt.

Betrachten Sie nun das Segelflugzeug in einem sich nach oben bewegenden Luftpaket, in dem es auf einer nach oben gerichteten Flugbahn fliegt . Aber immer noch ist die Nicklage des Segelflugzeugs ein bisschen mit der Nase nach unten, um seinen Auftriebsvektor nach vorne zu neigen. In diesem Zustand haben wir jetzt eine ansteigende Flugbahn und dennoch ist es nur der Auftrieb, der das Segelflugzeug nach vorne zieht.

Enbin Zheng hat recht, die Gravitationskraft ist vertikal, immer vertikal und kann die horizontale Bewegung überhaupt nicht erklären. Was macht?

Nehmen wir zuerst das Fahrrad. Auf ebenem Boden hat es eine Gravitationskraft von 1 G, bewegt sich aber nicht vertikal. Daher hat es eine gleiche nach oben gerichtete Kraft von 1 G der Terra Firma (dem Boden), die es auf "Bodenniveau" hält. Rollende Flugzeuge erleben dieses Phänomen ebenso wie Sattelzugmaschinen, weshalb der niedrige Sattelschlepper etwa 4x sparsamer ist als die besten Frachtflugzeuge (Züge übertreffen uns um ein weiteres 4x). Hier braucht man keinen Aufzug.

Stellen Sie das Fahrrad nun auf eine schiefe Ebene, es "gleitet" ohne Tretkraft den Hügel hinunter. Es ist die abstoßende Kraft des Bodens, nicht die Schwerkraft, die für die Vorwärtsbewegung verantwortlich ist! Zeichnen Sie einfach die Vektoren.

Weiter zu Segelflugzeugen. Kein fester Boden in der Luft (und kein Hausieren). Die abstoßende Kraft zur Schwerkraft ist der vertikale Widerstand . Jedes antriebslose Flugzeug wird von der Schwerkraft nach unten durch die Atmosphäre gezogen. Jeder Gleitflug beginnt mit dem Fallen. Der Widerstandsvektor ist wie der Schwerkraftabstoßungsvektor des Fahrrads der Schwerkraft entgegengesetzt.

Für den vertikalen Widerstand ist jedoch eine Abwärtsgeschwindigkeit erforderlich . Wir bezahlen unseren Luftwiderstand mit dem h (Höhe) in der potentiellen Energieformel Masse x Schwerkraft x Höhe.

Kippen Sie also jetzt den Gleiter nach vorne, indem Sie seinen Schwerpunkt und den Mittelpunkt des vertikalen Luftwiderstands versetzen . (Ausgeführt im Flugzeugbau mit Höhenleitwerksbereich). Wir haben jetzt eine horizontale Bewegung. Eine Gleitbahn . Nur dann kann der effizientere Flügel die Auftriebsaufgaben übernehmen und das Flugzeug „gleiten“ lassen. Beachten Sie, dass der Auftriebsvektor vom Flügel jetzt eine horizontale „Vorwärts“-Komponente hat.

Beachten Sie auch, dass ein Flugzeug viel mehr Profilfläche hat, wenn es direkt von unten betrachtet wird, als von vorne. Dies bedeutet, dass beim Fallen aus einer bestimmten Entfernung viel mehr Luftwiderstand erzeugt wird als beim Vorwärtsbewegen. Ein bisschen so, als würde man einen nassen Melonenkern zwischen zwei Fingern drücken. Seht seinen Flug!

Ein guter Flügel und ein gut konstruiertes Segelflugzeug nutzen diesen "Vorwärtsschub" mit erstaunlicher Effizienz, ebenso wie die größten "Motorsegler", moderne Verkehrsflugzeuge.

PS : Ich habe gelernt, die Vorwärtsbewegung mit dem Gewichtsvektor zu berücksichtigen, wenn ich die Ebenenreferenz verwende. Nach unten geneigt kann der Gewichtsvektor in eine "Schub"-Linienkomponente zerlegt werden. Dies entspricht der Logik, potenzielle Energie durch Tauchen in kinetische Energie umzuwandeln (funktioniert auch für das Fahrrad).

Nun zu Wn . Es hat sich gezeigt, dass Wn die Kraft gegen die Oberfläche eines Gleitsteins auf einer schiefen Ebene ist und tatsächlich eine Bedeutung bei der Bestimmung des Widerstands (Reibung) hat. Wenn die Ebene zunimmt, nimmt Wn ab und Wt zu. Wenn Wn abnimmt, nimmt die Reibung ab. Der Luftwiderstand ist vernachlässigbar. Für ein Flugzeug mit Fluggeschwindigkeit ist der Luftwiderstand nicht vernachlässigbar, und das Flugzeug wird auf seiner "Ebene" (Gleitneigung) durch Lvertikal und Dvertikal gegenüber W gehalten. Lhorizontal steht Dhorizontal in einem stationären Gleitflug gegenüber.

Damit ein Segelflugzeug fliegen kann, muss es Auftrieb erzeugen, um seinem Gewicht entgegenzuwirken. Um Auftrieb zu erzeugen, muss sich ein Segelflugzeug durch die Luft bewegen. Die Bewegung eines Segelflugzeugs durch die Luft erzeugt auch Widerstand. In einem Motorflugzeug wirkt der Schub des Motors dem Luftwiderstand entgegen, aber ein Segelflugzeug hat keinen Motor, um Schub zu erzeugen. Ohne Widerstand gegen den Luftwiderstand verlangsamt sich ein Segelflugzeug schnell, bis es nicht mehr genug Auftrieb erzeugen kann, um dem Gewicht entgegenzuwirken, und fällt dann auf die Erde.

Bei Papierflugzeugen und Balsagleitern wird dem Flugzeug durch Werfen des Flugzeugs eine Anfangsgeschwindigkeit gegeben. Einige größere Balsa-Segelflugzeuge verwenden ein Katapult aus Gummibändern und eine Schleppleine, um Geschwindigkeit und eine gewisse Anfangshöhe bereitzustellen. Drachenflieger rennen und springen oft von der Seite eines Hügels oder einer Klippe, um loszulegen. Einige Drachenflieger und die meisten Segelflugzeuge werden von einem Motorflugzeug in die Höhe gezogen und dann losgelassen, um den Gleitflug zu beginnen.

Das angetriebene Flugzeug, das das Segelflugzeug in die Höhe zieht, gibt dem Segelflugzeug eine bestimmte Menge an potenzieller Energie. Das Segelflugzeug kann die potenzielle Energiedifferenz von einer höheren Höhe zu einer niedrigeren Höhe tauschen, um kinetische Energie zu erzeugen, was Geschwindigkeit bedeutet. Segelflugzeuge sinken immer relativ zu der Luft, in der sie fliegen.

Segelflugzeuge sind so konzipiert, dass sie sehr effizient sind und sehr langsam absteigen. Wenn der Pilot eine Lufttasche lokalisieren kann, die schneller aufsteigt als das Segelflugzeug sinkt, kann das Segelflugzeug tatsächlich an Höhe gewinnen und seine potenzielle Energie erhöhen. Taschen mit aufsteigender Luft werden Aufwinde genannt. Aufwinde werden gefunden, wenn ein Wind, der auf einen Hügel oder Berg weht, steigen muss, um darüber zu klettern. Aufwinde können auch über dunklen Landmassen gefunden werden, die Wärme von der Sonne absorbieren. Die Wärme des Bodens erwärmt die umgebende Luft, wodurch die Luft aufsteigt. Aufsteigende Heißluftblasen werden als Thermik bezeichnet. Große Gleitvögel wie Eulen und Habichte kreisen oft in einer Thermik, um an Höhe zu gewinnen, ohne mit den Flügeln zu schlagen. Segelflugzeuge tun genau dasselbe.

NASA: Segelflugzeuge

"Welche Kraft bringt ein Segelflugzeug zum Fliegen?"

Es hängt davon ab, welchen Referenzrahmen wir verwenden.

Newtons erstes Bewegungsgesetz ist Kraft = Masse mal Beschleunigung. Beim linearen Geradeausflug ist die Beschleunigung Null, also ist die Nettokraft Null. Im linearen (geradlinigen) Gleitflug existiert keine Nettokraft.

Wir sollten dann die genaue Bedeutung der Worte "Welche Kraft treibt ein Segelflugzeug zum Fliegen?"

Diese Worte fragen im Grunde nach all den vorhandenen Kräften, die eine Komponente parallel zur Flugbahn ausüben und im Allgemeinen eher in Vorwärts- als in Rückwärtsrichtung wirken. (Beachten Sie, dass in der Frage das Wort "Schub" nicht verwendet wurde, das in der Luftfahrt eine andere, spezifische und klar definierte Bedeutung hat. "Schub" ist im Gleitflug Null.)

Die Antwort auf die Frage hängt davon ab, was wir genau unter "Flugweg" verstehen.

Wenn wir die Flugbahn durch die Luftmasse betrachten , gibt es keine solche aerodynamische Kraft, aber die Schwerkraft übt eine Kraftkomponente aus, die entgegen der Richtung des Luftwiderstandsvektors wirkt, dh parallel zur Flugbahn und allgemein in Vorwärtsrichtung wirkt, obwohl die Schwerkraft rein vertikal ist. Es gibt also eine Antwort.

Wenn wir die Flugbahn relativ zum Boden betrachten , wird die Antwort komplizierter und hängt davon ab, ob das Segelflugzeug absteigt, steigt oder eine konstante Höhe beibehält. Betrachten Sie den Fall, in dem ein Segelflugzeug im Hangauftrieb eine exakt konstante Höhe beibehält. Welche Kraft stellt nun eine Komponente bereit, die parallel zur Flugbahn wirkt, im Allgemeinen in Vorwärtsrichtung? Nicht die Schwerkraft. Und während die aerodynamische Nettokraft senkrecht nach oben wirkt, enthält die Komponente der aerodynamischen Nettokraft, die wir als Auftriebsvektor bezeichnen, eine Komponente , die parallel zur Flugbahn in der allgemeinen Vorwärtsrichtung wirkt und somit der Komponente entgegenwirktdes Widerstandsvektors, der parallel zur Trajektorie im Allgemeinen in Rückwärtsrichtung wirkt. Aber achten Sie darauf, diese Aussage nicht mit der Behauptung zu verwechseln, dass der Auftrieb tatsächlich hilft, dem Luftwiderstand entgegenzuwirken – das ist nicht der Fall. Auftrieb und Widerstand sind orthogonal (dh senkrecht zueinander).

Das unmittelbar obige Argument mag einigen Lesern als obskure Art erscheinen, "Spiele" mit Komponenten von Vektoren zu spielen. Aber in Wahrheit könnte man dasselbe über die Behauptung sagen, dass die Schwerkraft dazu beiträgt, ein Segelflugzeug auf irgendeine Weise durch die Luft zu "schieben". Der entscheidende Punkt ist, dass beim geradlinigen Gleitflug Auftrieb, Luftwiderstand und Gewicht ein geschlossenes Vektordreieck mit einer Nettokraft von Null bilden. Welche Komponenten dieses Dreiecks als eine Komponente betrachtet werden können, die entlang der Trajektorie nach vorne "drückt", hängt davon ab, von welchem ​​Bezugsrahmen aus wir die Trajektorie betrachten.

Die Analyse wird noch seltsamer, wenn wir die Flugbahn relativ zum Boden betrachten und das Segelflugzeug steigt. Es gibt sogar gültige Referenzrahmen, in denen sich das Segelflugzeug rückwärts bewegt. Was ist nun die Richtung der Kraftkomponente, die wir als reine "drückende" Kraft betrachten würden?

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Segelflugzeug vor, das in einem starken Bergwellenlift langsam senkrecht zum Boden aufsteigt. Das kommt oft vor. Da der Auftriebs- und der Widerstandsvektor immer relativ zur Luftmasse und nicht relativ zum Boden definiert sind, behalten sie für eine bestimmte stationäre Fluggeschwindigkeit für einen bestimmten Anstellwinkel des Flügels genau wie das Segelflugzeug die gleiche Ausrichtung im Raum bei behält die gleiche Neigungslage im Weltraum bei, egal in welche Richtung sich die Luftmasse relativ zum Boden bewegt. Wenn das Segelflugzeug langsam gerade nach oben steigt, ist es offensichtlich, dass der Auftriebsvektor und der Widerstandsvektor jetzt beides sindenthalten Komponenten, die in Richtung der Trajektorie relativ zum Boden wirken, während der Gewichtsvektor dies nicht tut. In ähnlicher Weise ist es nicht schwer, sich einen Fall vorzustellen, in dem das Segelflugzeug rückwärts driftet und entlang einer solchen Flugbahn steigt, dass nur der Luftwiderstandsvektor irgendeine Komponente enthält, die entlang des Richtungsverzeichnisses der Flugbahn relativ zum Boden wirkt.

Die Idee, dass eine Komponente des Auftriebsvektors dazu beiträgt, das Segelflugzeug vom Boden aus gesehen entlang der Flugbahn des Flugzeugs nach vorne zu ziehen, ist nur wahr, wenn das erreichte Gleitverhältnis des Flugzeugs besser als das L/D-Verhältnis ist oder wenn das Flugzeug steigt ( es sei denn, das Flugzeug driftet rückwärts auf einem Steigpfad, der flacher ist als die Richtung des Luftwiderstandsvektors). Wenn kein Rückenwind vorhanden ist, bedeutet dies, dass die Luft aufsteigen muss.

Es ist normalerweise am nützlichsten, sich auf die Flugbahn des Segelflugzeugs durch die Luftmasse zu konzentrieren und nicht auf die Flugbahn des Segelflugzeugs relativ zum Boden oder relativ zu anderen Referenzrahmen, aber alle diese Gesichtspunkte sind technisch gültig.

Wenn wir die Flugbahn des Segelflugzeugs durch die Luftmasse als Bezugssystem verwenden, ist die Antwort auf die Frage „Welche Kraft treibt ein Segelflugzeug zum Fliegen?“ „die Komponente des Gewichts- oder Gravitationsvektors, die parallel zur Flugbahn wirkt. „In diesem Bezugssystem üben weder Auftrieb noch Widerstand irgendeine „drückende“ Kraft aus, dh irgendeine Kraft, die parallel zur Flugbahn wirkt und im Allgemeinen eher nach vorne als nach hinten zeigt.

Beachten Sie, dass eine verwandte Frage gestellt werden kann: "Was treibt ein Segelflugzeug im Flug an"? Arbeit ist Kraft mal Weg und Leistung ist Arbeit pro Zeit. Auch hier hängt die Antwort davon ab, ob wir die Arbeit betrachten, die entlang der Richtung der Flugbahn relativ zur Luftmasse oder der Richtung der Flugbahn relativ zum Boden geleistet wird. Im ersteren Fall ist die Antwort einfach "die Komponente des Gewichtsvektors, die parallel zur Flugbahn wirkt", während im letzteren Fall die Antwort von der Richtung abhängt, in der sich die Luftmasse relativ zum Boden bewegt.

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Schwung und Trägheit.

Die anderen (Schwerkraft, Auftrieb, Luftwiderstand) sind keine Energiequellen, aber sie modifizieren die Energiekräfte. Die tatsächlich beteiligten Kräfte sind Impuls und Trägheit.