Schauen wir uns die Beziehung zwischen Impuls und Energie an. Wie Sie wissen, für eine Messe$m$kinetische Energie ist$\frac12mv^2$und Schwung ist$mv$- mit anderen Worten Energie ist$\frac{p^2}{2m}$

Um der Schwerkraft entgegenzuwirken, müssen wir nun Impuls auf die Luft übertragen:$F\Delta t = \Delta(mv)$

Mit großer Masse, geringer Geschwindigkeit kann der gleiche Impuls erreicht werden wie mit kleiner Masse, hohe Geschwindigkeit. Aber während das Momentum dieser beiden das gleiche ist, ist DIE ENERGIE NICHT.

Und darin liegt der Haken. Ein großer Flügel kann "viel Luft ein wenig bewegen" - was bedeutet, dass der Luft weniger kinetische Energie verliehen wird. Dies bedeutet, dass es eine effizientere Art ist, in der Luft zu bleiben.

Das ist auch der Grund, warum lange dünne Flügel effizienter sind: Sie "berühren leicht viel Luft" und bewegen nichts davon sehr viel.

Der Versuch, diese Effizienz mit einem Motor zu reproduzieren, ist sehr schwierig: Sie benötigen Kompressoren, damit er überhaupt funktioniert (damit Sie Luft mit Kraftstoff mischen können und der Schub hinten herauskommt), und das bedeutet, dass Sie ein kleines Volumen mit hoher Geschwindigkeit haben Gas, um Schub zu entwickeln. Das bedeutet, dass viel Energie durch das Gas weggetragen wird. Denken Sie an das Geräusch eines Motors - das ist meistens das Gas mit hoher Geschwindigkeit. Denken Sie jetzt an ein Segelflugzeug: Warum ist es so leise? Denn viel Luft bewegt sich ganz sanft.

Ich habe versucht, mich von der Mathematik fernzuhalten, hoffe aber, dass das Prinzip daraus klar wird.

Der entscheidende Punkt ist, dass Flügel es Ihnen ermöglichen, den Motor viel effizienter zu "kippen", als ihn tatsächlich zu kippen. Das Neigen eines Triebwerks wandelt die Leistung nur im Verhältnis 1 zu 1 um, aber Flügel machen es besser - eine Boeing 747 hat ein Auftriebs-/Widerstandsverhältnis von 17 bei Reisegeschwindigkeit, der Flügel erzeugt 17-mal mehr Auftrieb als die aufgebrachte Triebwerksleistung.

Es ist nur ein langer Kommentar, aber hoffentlich bringt er Ihre Intuition auf die richtige Spur. Ich versuche, den physikalischen Teil des Grundes zu beschreiben, warum feste Flügel eine gute Sache sind:

Sie fragen sich im Grunde, warum Flugzeuge effizienter sind (daher werden sie trotz ihrer weniger schönen Manövrierfähigkeit immer noch hergestellt).

Nun, Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass Hubschrauberrotoren auch so ziemlich wie Flügel funktionieren. Aber für den effizientesten Flug möchten Sie Ihren Flügel für einige durchschnittliche Flugszenarien optimieren, z. B. geradeaus mit 1000 km / h fliegen. Nun, wenn es um die Optimierung geht, ist das „Gute“, was ein Flügel tun kann, Auftrieb zu bieten, und das „Schlechte“, was er tut, ist Widerstand bieten. Sie möchten also für das höchste Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand optimieren . Aber Ihr Problem ist, dass Hubschrauberflügel nicht immer in Richtung Ihrer Fluggeschwindigkeit zeigen. Es verbringt viel Zeit damit, rückwärts zu gehen (zumindest relativ zum Flugzeug), so dass keine Luftströme mit der gleichen Geschwindigkeit wie die vorwärts gehenden Rotorblätter empfangen werden können, sie sich jedoch an genau denselben Blättern mit genau demselben Winkel befinden wie die rückwärts gehen (mit Blick auf langsameren Luftstrom)

Anmerkungen:

1. Wenn Sie darüber nachdenken, gilt dies für jedes Flugzeug, das Sie sich vorstellen können und das zum Auftrieb auf "rotierende Flügel" angewiesen ist.

2. Das bedeutet im Grunde, dass Flugzeuge keine statischen Flügel benötigen, um in der Luft zu bleiben, sondern nur bei hohen Geschwindigkeiten.

3. Flugzeuge sind im Allgemeinen wohl widerstandsfähiger als Hubschrauber, sodass sie weniger Versicherungs- und Wartungskosten verursachen, was sie insgesamt weniger kostspielig macht und außerdem besser optimierbar ist (was ich im Haupttext zu erläutern versucht habe).

Wenn Sie Fragen haben, können Sie gerne einen Kommentar abgeben. Ich hoffe, ich konnte helfen.

Darüber habe ich mich schon etwas gewundert. Ich denke, es ist gut, die Dinge enorm zu vereinfachen, um darüber nachzudenken. Übrigens bin ich hier absolut keine Autoritätsperson. Ich denke nur darüber nach, was mir offensichtlich erscheint.

Ein fallender Teller

Sie haben ausdrücklich gesagt, dass Sie nicht darüber nachdenken möchten, wie Flügel funktionieren, also lassen Sie es uns. Vergiss den Flügel. Vergiss das Flugzeug. Vergessen Sie auch den Schub, die Rakete oder anderes.

Denken Sie an einen Teller aus flachem, starrem, ziemlich leichtem Material. Es kippt "magischerweise" nicht, sondern bleibt parallel zum Boden. Ich kann nur hoch und runter rutschen.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie zustimmen werden, dass dies viel langsamer "fallen" wird als ein Ball mit demselben Gewicht? Und doch ist es ein völlig passives Gerät – es benötigt weder Energie noch Schub.

Es fällt langsamer, weil es zum Fallen Luftmoleküle aus dem Weg räumen oder unter sich zerquetschen muss. Beides erfordert das Aufbringen einer Kraft, die es liefern muss, was zu einer gleichen und entgegengesetzten Kraft führt, die ihm einen allmählichen Abstieg verschafft.

Es ist leicht zu erkennen, dass eine größere Platte (bei gleichem Gewicht) die Luftqualität verbessert. Eine andere Formänderung wird andere Auswirkungen haben, über die ich nicht spekulieren kann, da ich kein echter Physiker oder Luftfahrtingenieur bin.

In Luft hat ein fallendes Ding eine Endgeschwindigkeit. Die Endgeschwindigkeit unserer Platte wird klein sein. Viel kleiner als eine feste Kugel bei gleichem Gewicht. Wenn es die Endgeschwindigkeit ist v_fall, wenn und es aus einer Höhe "gestartet" wird, dauert hes mindestens t=h/v_fallSekunden, bis es auf den Boden fällt (ich vernachlässige die Zeit, die erforderlich ist, um auf seine Endgeschwindigkeit zu beschleunigen).

Schub hinzufügen

Bringen wir etwas an, das Schub liefert. Unsere Platte gleitet entlang und bleibt wieder auf magische Weise parallel zum Boden. Vorausgesetzt, es entsteht keine nennenswerte Reibung, wenn die Platte durch die Luft gleitet, und vorausgesetzt, die Schubquelle ist nicht schwer, haben wir tvöllig freie Sekunden des "Flugs" (oder, wenn Sie es vorziehen, des Fallens mit Stil). der Teller. Das klingt ziemlich gut! Wenn das Vertrauen uns antreibt v_thrust, werden wir reisen, t.v_thrustbevor wir anfangen, auf dem Boden zu rutschen.

Fliegend

Aber was ist, wenn wir am Boden beginnen und länger als t Sekunden reisen wollen?

Wenn wir auf dem Boden sind, könnten wir unsere Platte nur eine Berührung so neigen, dass der Fall (von der Endgeschwindigkeit der Platte in Luft) beim Vorwärtsschieben gerade dem Betrag entspricht, um den die Platte steigt (da sie nach oben zeigt a eher etwas als parallel zum Boden), wenn es vorwärts geschoben wird. Wenn wir das täten, würden wir etwas von unserer Vorwärtsgeschwindigkeit verlieren. Wir würden am Ende mit:

v_forward^2 = v_thrust^2 - v_fall^2

(Pythagoros, richtig?)

Wenn wir verringern können v_fall, vielleicht indem wir die Platte vergrößern, dann können wir make v_forward(das nützliche Bit) größer machen.

Nur ein Motor

Ganz ohne die Platte v_fallwäre groß – was auch immer die Endgeschwindigkeit der Schubquelle ist. Also v_forward(das nützliche Bit) wäre viel kleiner.

Echte Flügel

Echte Flügel, die in der realen Welt leben, haben keinen Zugang zu Magie, um ihre notwendige Tonhöhe aufrechtzuerhalten. Sie müssen aus verfügbaren Materialien statt aus idealen hergestellt werden, und sie müssen damit fertig werden, durch eine Flüssigkeit zu rutschen, die den Luftwiderstand erhöht. Aus diesen und wahrscheinlich vielen weiteren Gründen haben sie eine clevere Form.

Offensichtlich ist hier alles grob vereinfacht.

Ich behaupte nicht, dass die winzige Menge an Mathematik hier nützlich ist, um die Realität zu modellieren, und wäre äußerst überrascht, wenn dies der Fall wäre! Ich behaupte auch nicht, dass der Auftriebsmechanismus eines echten Flügels auf diese Weise funktioniert (vermutlich funktioniert er besser).

Ich behaupte jedoch, dass Sie durch die Arbeit mit einem extrem vereinfachten Modell sehen können, dass die Flügel eines Flugzeugs etwas erreichen, was der Schub allein nicht erreicht. Sie bieten eine extrem "billige" Auftriebsquelle, die sonst viel mehr Schub nach unten ablenken müsste.

Man könnte ihre Funktion wahrscheinlich als Fallschirm zusammenfassen, der steif genug ist, um durch die Luft zu stoßen :-) Weitere Unterstützung dafür, dass billiger Auftrieb verfügbar ist, kommt von motorlosen Segelflugzeugen, Platanenblättern und Löwenzahnsamen.

Die wichtige Größe bei der Bestimmung der Effektivität eines Flügels ist sein Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand. Es stellt sich heraus, dass der Schlüsselfaktor für ein großes Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand eine große Spannweite ist ($b$in der folgenden Gleichung). Daher können die großen Flügel des Flugzeugs bei der Erzeugung eines maximalen Auftriebs bei minimalem Luftwiderstand weitaus effizienter sein als die kleineren "Flügel" des Triebwerks.

Die Schlüsselgleichung für den theoretischen maximalen Auftrieb zum Ziehen lautet:

$(L/D)_{max}=0.5 \sqrt{\frac{\pi\epsilon}{C_{fe}}\frac{b^2}{s_{wet}}}$

wo$(L/D)_{max}$ist das theoretische maximale Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand,$C_{fe}$ist der äquivalente Hautreibungskoeffizient,$b$ist die Spannweite$S_{wet}$ist der benetzte Bereich und$\epsilon$ist der Span-Effizienzfaktor (im Optimalfall eine Zahl nahe 1).

Referenzen:

• Loftin, LK, Jr. "Streben nach Leistung: Die Entwicklung moderner Flugzeuge. NASA SP-468".`
• Raymer, Daniel (2012). Flugzeugdesign: Ein konzeptioneller Ansatz (5. Aufl.). New York: AIAA.“

Warum ist ein Flugzeug besser als eine Rakete? Weil das Flugzeug das Medium greift.

Damit eine Rakete auf einer festen Höhe bleibt, muss sie kontinuierlich nach oben stoßen, um dem durch die Schwerkraft verursachten Fall entgegenzuwirken. Dies geschieht, indem jede Sekunde eine große Menge Luft und Kraftstoff nach unten gedrückt wird.

Ein Flugzeug kann dieselbe Aufwärtskraft erzeugen, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, jedoch auf effizientere Weise, indem es gegen das lokale Luftmedium drückt. Vergessen Sie für einen Moment die Form des Flügels, der für Auftrieb sorgt, denken Sie nur daran, wie die flache, planare Form, die horizontal durch die Luft schneidet, verhindert, dass die Höhe sinkt.

Der Flügel drückt auf die Luft darunter, und die Luft leistet kurz Widerstand, indem sie nach oben gegen den Flügel drückt. Ein bewegungsloses Flugzeug würde schnell zu fallen beginnen, weil die Luft darunter bald aufhören würde, sich zu wehren, und beginnen würde, sich mit ihm nach unten zu bewegen oder aus dem Weg zu gehen. Aber wenn sich ein Flugzeug bewegt, wird es ständig mit neuem statischem Medium versorgt. Und all diese frische Luft widersteht dem Versuch des Flügels, nach unten zu fallen.

Einen ähnlichen Effekt nutzt der Kiel oder Schwerter unter einem Segelboot, wenn es senkrecht zum Wind wendet. Das ebene Brett hat die Wirkung, das Wasser zu "greifen", wenn es es durchschneidet, und verhindert, dass das Boot in der Achse senkrecht zur Bewegung gegen den Wind (Leeseite) gedrückt wird.

Dieser Effekt ist auch vorhanden, wenn sich das Boot oder Flugzeug nicht bewegt, ist jedoch umso ausgeprägter, je schneller das Flugzeug durch das Medium schneidet. Je schneller du also fährst, desto weniger horizontale Fläche benötigt dein Flügel. (Betrachten Sie die relative Fläche der Flügel eines Doppeldeckers im Vergleich zu denen eines modernen Jumbo-Jets.)

Sie können sich auch überlegen, wie ein Segelflugzeug viel größere Entfernungen als eine Rakete erreichen kann, während es überhaupt keine Energie verbraucht! Oder wie ein flaches Blatt Papier langsamer fällt als ein gerolltes (oder zerknittertes) Blatt Papier.

Ich denke, Sie haben Ihre Intuitionen ein bisschen durcheinander gebracht.

Motor und Flügel haben nicht die gleiche Funktion.

Wenn Sie eine Parallele machen müssen, dann haben Flügel die gleiche Funktion wie Räder an einem Auto: Sie bieten eine effiziente Möglichkeit, über dem Boden zu bleiben, indem sie auf ein Medium drücken.

Die Räder drücken auf den Boden und haben kein Problem damit, Ihr Auto darüber zu halten, selbst wenn das Auto stillsteht.

Flügel hingegen schaffen es, einen hohen Druck auf ihrer Unterseite und einen niedrigen Druck auf der Oberseite zu erzeugen, dieser Druckunterschied wandelt sich in eine Nettokraft um, die das Flugzeug am Fallen hindert. Leider muss sich der Flügel, um diesen Druckunterschied aufrechtzuerhalten, in der Luft (etwas weniger fest als der Boden) mindestens mit einer bestimmten Geschwindigkeit ("Stall" -Geschwindigkeit) bewegen; Darunter ist der Luftstrom nicht mehr laminar und das Flugzeug wird zum Briefbeschwerer. Energie muss bereitgestellt werden, um die Geschwindigkeit gegen Reibung aufrechtzuerhalten; das ist der Zweck des Motors.

Flügel sind sehr effizient in ihrer Arbeit: Ein Albatros kann Tausende von Meilen fliegen, ohne seine Flügel zu bewegen (ohne "Motor"), indem er nur den winzigen Unterschied in der Windgeschwindigkeit vor und nach ozeanischen Wellen nutzt.

Die Anwendung roher Gewalt, um sich in der Luft zu halten, wie es Kolibris tun, erfordert VIEL mehr Energie, selbst wenn Sie Flügel verwenden. Es ist der gleiche Unterschied zwischen einem Koffer mit oder ohne Räder.

Flügel haben eine viel größere Oberfläche als Triebwerke, sodass sie besser verhindern können, dass die potentielle Energie eines Flugzeugs in nach unten gerichtete kinetische Energie umgewandelt wird. Ein Flugzeug mit Segelflugzeugen anstelle von Flügeln und schräg nach unten gerichteten Triebwerken sollte genauso energieeffizient sein wie ein normales Flugzeug. Das Segelflugzeug könnte weniger praktisch sein, da die Motoren stärker sein müssten, um genug Schub zu erzeugen, um das Segelflugzeug selbst anzuheben.

Betrachten Sie Hubschrauber, die einfach Flugzeuge sind, deren Flügel sich im Kreis bewegen.

Betrachten Sie dann diese fliegenden Plattformen, die aus einem nach unten gerichteten Fächer bestehen.

Der einzige wirkliche Unterschied besteht darin, ob die Flügel groß und langsam oder klein und schnell sind.

Der Auftrieb besteht aus dem Impuls (pro Sekunde) der nach unten gerichteten Luft. Schwung ist$mv$. Diese Luft hat kinetische Energie proportional zu$mv^2$. Sie können den gleichen Auftrieb für weniger Energie erzielen, indem Sie mehr Luftmasse lenken$m$mit weniger$v$.

Wenn Sie ein Flugzeug zwischen einem Starrflügler und einem Hubschrauber sehen möchten, dessen Triebwerke kippen, schauen Sie sich den Osprey an .

Wie wäre es mit dieser Erklärung (nicht so detailliert, aber einfach):

Der Grund dafür ist, dass, wenn sich Auftriebskraft und Schwerkraft genau gegenseitig aufheben, das Bleiben in der Luft null Energie erfordert . Grundsätzlich sind Energie und Kraft verschiedene Dinge. Ein Heliumballon kann unbegrenzt in der Luft bleiben, ohne dass dafür Energie benötigt wird und ohne dass die Luft Energie liefert. Der Luftdruck liefert nur Kraft, was ausreicht.

Wir wissen, dass Auftrieb entweder mit Flügeln oder mit Motoren erzeugt werden kann. Die Erzeugung einer konstanten Aufwärtskraft durch Motoren erfordert einen konstanten Energieaufwand. Aber wenn Sie Flügel verwenden, können Sie für einen Bruchteil dieser Kosten eine starke Aufwärtskraft erzeugen, vorausgesetzt, Sie versuchen nicht, diese Aufwärtskraft in Energie umzuwandeln (dh Sie können mit Flügeln nicht kostenlos klettern, Sie benötigen Motoren ( oder Aufwind), aber Sie können eine konstante Höhe ohne Motoren beibehalten, ohne Rücksicht auf den Luftwiderstand).

Sie können sich auch überlegen, wie ein Segelflugzeug viel größere Entfernungen als eine Rakete erreichen kann, während es überhaupt keine Energie verbraucht!

Ah nein. Man verbraucht Energie in der Startphase – ein Flugzeugschlepp- oder Windenstart ist typisch – und gewinnt Energie in Hang-, Wellen-, dynamischem oder thermischem Auftrieb und verbraucht sie dann in der Überwindung des Luftwiderstands. Energiemanagement ist einer der wichtigsten Faktoren im Hochleistungssegelflug und wenn du darin nicht gut bist, wirst du im Wettkampf nicht gut abschneiden!

Einfach „keinen Motor zu haben“ bedeutet nicht „keine Energie verbrauchen“. Bei weitem nicht.

Und ich denke, die Apollo-Crews könnten argumentieren, dass sie größere Entfernungen zurückgelegt haben, als jeder Segelflug wahrscheinlich bewältigen kann.

Es gibt Flugzeuge, die den Motor nach unten kippen, um abzuheben, diese werden VTOL (Vertical Take Off and Landing) genannt. Dies sind in der Regel militärische Kampffahrzeuge.

Die Gründe, warum sie nicht für die allgemeine Luftfahrt verwendet werden, sind vielfältig:

Erstens muss jedes reguläre Flugzeug in der Lage sein, nach dem Verlust eines Triebwerks sicher aufzusetzen. Wenn das Triebwerk den Auftrieb liefert, verwandelt sich das Fahrzeug in einen fallenden Ziegelstein ( ein Hubschrauber nutzt die im Rotor gespeicherte Rotationsenergie, um sicher aufzusetzen ).

Zweitens benötigen Sie ein großes Schub-Gewichts-Verhältnis (> 1, um sogar abzuheben), um einen Motor zu schaffen, der so leistungsstark ist, dass er nicht billig ist, insbesondere wenn Sie Fracht transportieren möchten.

Der Auftrieb eines Flügels ist proportional zum Quadrat der Luftgeschwindigkeit, die darüber strömt. Wenn Sie einen Flügel haben, ist es daher sehr einfach, viel Auftrieb zu bekommen, indem Sie einfach Ihre Geschwindigkeit erhöhen. Anstatt die Motorkraft zum direkten Anheben des Flugzeugs zu verwenden, nutzen Sie die Motorkraft, um Sie so schnell wie möglich in die Richtung zu schieben, in die Sie fliegen möchten. Dies bedeutet, dass Sie schneller ans Ziel kommen, da mehr Kraft des Motors verwendet wird, um Sie vorwärts zu schieben, anstatt Sie nach oben zu drücken (was die Flügel als Nebenprodukt der schnellen Vorwärtsbewegung für Sie tun).

Die akzeptierte Antwort erklärt, wie Flügel dazu beitragen können, die zum Fliegen erforderliche Energie zu reduzieren, indem sie leicht viel Luft drücken, anstatt ein wenig Luft stark zu erzwingen.
Die Idee, dass der erforderliche Schub sogar unter das Körpergewicht reduziert werden kann, ist faszinierend, und dies ist ohne Flügel nicht möglich. Die folgende Diskussion versucht, dies zu erklären.

Die Formel$F_{drag} \propto v^2$enthält die Antwort auf die Frage, was Flügel können, aber Motoren nicht .

Es sagt uns, dass in der Luft die Geschwindigkeit eines Körpers verwendet werden kann, um eine Kraft zu erzeugen, die wiederum verwendet werden kann, um das Gewicht des Körpers zu bekämpfen.

Und da die Geschwindigkeit, eine Komponente des Impulses, erhalten bleibt, sollte es theoretisch möglich sein, einen fliegenden Körper ohne externe Energie zu haben!

Wir brauchen also einen Mechanismus, um Widerstand zu erzeugen und ihn (oder zumindest einen Teil davon) entgegen der Schwerkraft umzulenken.
Beides geschieht durch Flügel. Sehr vereinfacht ausgedrückt (ohne Berücksichtigung von Bernoullis Prinzip und Reibung usw.) zeigt das folgende Bild ungefähr, was Flügel tun.

Ich würde also eher die Frage stellen - was kann ein Motor, was Flügel nicht können!

Beides kann der Motor nicht in nennenswerter Weise leisten - Widerstand erzeugen und umleiten. Ja, der Motor kann Schub erzeugen, und zwar so viel, dass wir nicht einmal Luftwiderstand benötigen, um Auftrieb zu erzeugen, und genau das tun Hubschrauber. Aber wenn wir die Hilfe des Luftwiderstands nehmen, brauchen wir vielleicht überhaupt keinen Schub, oder wir sparen zumindest eine Menge Schub.

Die Flügel erzeugen zwar Widerstand, aber leider können sie nicht alles vertikal umlenken - einige werden ausgelassen, um horizontal zu wirken - als Luftwiderstand - entgegengesetzt zur Geschwindigkeit. Hier werden Motoren benötigt. Sie wirken nur dem Luftwiderstand entgegen, der geringer ist als das Gewicht des Flugzeugs.

Es sind also Flügel, die das Fliegen mit einer Anfangsgeschwindigkeit übernehmen, und Motoren helfen den Flügeln nur, diese Anfangsgeschwindigkeit beizubehalten. Die Flügel fallen immer in horizontaler Richtung auf die Luft vor ihnen, und durch den speziellen Anstellwinkel wird trotz des horizontalen Falls ein Teil der Widerstandskraft vertikal nach oben umgeleitet, und das tut es.

Während @Floris es fast vollständig beantwortet hat , wollte ich einen weiteren wichtigen Aspekt der Flügel hinzufügen.

Wenn wir auf der Erde versuchen, Bewegung in einem Körper zu erzeugen (oder sogar den Körper stabil zu halten), gibt es im Allgemeinen zwei Kräfte, mit denen wir uns auseinandersetzen müssen (Reibung usw. ignorieren) - die Trägheit des Körpers und das Gewicht von der Körper.
Es ist möglich, Wege zu finden, den Teil des Kampfes gegen die Schwerkraft (dh das Ausbalancieren des Gewichts ganz oder teilweise) auf etwas auszulagern, damit wir unsere Kräfte so weit wie möglich auf die Überwindung der Trägheit lenken können. Flügel stellen eine solche Anordnung dar.

Wenn wir ein Flugzeug in der Luft auf Nullgeschwindigkeit bringen und die Triebwerke abstellen, wird es nicht die gleiche Abwärtsbeschleunigung haben, die es hätte, wenn es keine Flügel hätte.

Flügel bekämpfen also alleine die Schwerkraft (auch wenn sie keine Hilfe vom Motor erhalten), indem sie ihre Form und ihren Anstellwinkel gegen einige Eigenschaften der umgebenden Flüssigkeit (Luft) einsetzen. Das ist etwas, was der Motor nicht kann.

So kann ein Großteil der vom Motor geleisteten Arbeit dem Kampf gegen die Schwerkraft erspart werden. So ergibt sich ein Schub-Gewichts-Verhältnis von weniger als$1$kann das Flugzeug anheben.

Wenn Luft flüssig wäre, würde der Motor absolut keine Arbeit zur Bekämpfung der Schwerkraft benötigen, und sein gesamter Schub könnte für die Vorwärtsbewegung verwendet werden.
Wenn Luft andererseits keine flüssigen Eigenschaften (wie Druck usw.) hätte, müsste der gesamte Kampf gegen die Schwerkraft vom Motor (Schub) kommen$\ge$Gewicht). Ein Flugzeug in der Luft liegt irgendwo dazwischen.

Dies ist so etwas wie eine schiefe Ebene, bei der das Flugzeug etwas mit der Schwerkraft zu kämpfen hat (dh einen Teil des Gewichts ausgleicht) und daher zusätzlich weniger Kraft als das Gewicht des Körpers benötigt wird, um das Gewicht des Körpers zu tragen.

Das ist eine sehr interessante Frage, und ich glaube nicht, dass aerodynamischer Auftrieb etwas umsonst ist. Siehe meine Erklärung unten: -

1. Luft besteht aus Gasmolekülen, die sich mit zufälligen Geschwindigkeiten zwischen 0 und etwa der doppelten Schallgeschwindigkeit (0 - 2.500 km/h) in zufällige Richtungen bewegen.

2. Kollisionen und das Abprallen dieser Moleküle mit allem um sie herum verursachen Druck. Aber es wirken so viele Moleküle, dass es wie eine stetige Kraft wirkt.

3. Jede Oberfläche auf molekularer Ebene ist rau, daher ist der Rückprallwinkel von Luftmolekülen auch ziemlich zufällig.

4. Luftdruck auf Meereshöhe (aufgrund dieser Kollisionen) = 10.330 kg/m2.

5. Flügelfläche der Boeing 737 = 125 m2.

6. Kraft aufgrund des Luftdrucks oben auf dem B737-Flügel = 125 x 10.330 kg = 1.291.250 kg oder 1291 Tonnen.

7. Die Druckkraft auf der Flügelunterseite ist gleich, sie heben sich also auf.

8. Das Gewicht einer B737 beträgt rund 55 Tonnen.

9. Der Trick beim aerodynamischen Auftrieb besteht also darin, die molekularen Auswirkungen der Luft auf die obere Oberfläche zu verringern und / oder die molekularen Auswirkungen der Luft auf die untere Oberfläche zu erhöhen.

10. Stellen Sie sich einen Flügel vor, der in einem Winkel von 15 Grad nach oben geneigt ist und sich von links nach rechts durch die Luft bewegt, die keinen Wind hat (dh die Durchschnittsgeschwindigkeit aller Luftmoleküle ist Null). Da sich die Bodenfläche schneller von links nach rechts bewegt als die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit und sich in Richtung Luft bewegt, sammelt sie mehr Kollisionen. Die obere Fläche entfernt sich von der Durchschnittsgeschwindigkeit der Luft und sammelt weniger Kollisionen. (Denken Sie an ein Auto, das im Regen fährt. Die vordere Windschutzscheibe wird sehr nass, weil sie auf mehr Regentropfen trifft, und die hinteren Fenster werden viel weniger nass.)

11. Sie brauchen keine Airfoil-Form, um diesen Effekt zu erzielen, aber Airfoils optimieren offensichtlich den Effekt.

12. Da die Unterseite des Flügels mehr Kollisionen von Luftmolekülen aufnimmt als die Oberseite, erfährt sie einen höheren Druck – aber nur, weil sie mehr Kollisionen aufnimmt. Dies ist kein vektorisierter Triebwerksschub.

13. Da der Druck auf der Ober- und Unterseite des B737-Flügels etwa 1291 Tonnen auf jeder Oberfläche beträgt, ist nur ein leichtes Ungleichgewicht im Druck erforderlich, um das Flugzeug anzuheben, dh 1318,5 unten und 1263,5 oben.

14. Woher kommt also die Auftriebsenergie? Die Triebwerke bewegen das Flugzeug und ermöglichen es dem Flügel, das Druckungleichgewicht zu erzeugen, aber die Kraft, die das Flugzeug anhebt, stammt von den Aufprallen der Luftmoleküle, die in zufälligen Winkeln und mit Geschwindigkeiten zwischen 0 und 2.500 kmH (+- der Flugzeuggeschwindigkeit) auf den Flügel treffen Natürlich).

15. Und wir wissen, dass die Auftriebsenergie nicht von den Triebwerken kam, weil die B737-Triebwerke nicht genug Energie erzeugen, um das Flugzeug direkt anzuheben (dh wenn es gerade nach unten gerichtet ist).

16. Es sieht also so aus, als ob Flugzeuge (und Vögel) tatsächlich Energie aus der zufälligen kinetischen Energie in den Luftmolekülen extrahieren und in Auftrieb umwandeln. Und sie tun dies lediglich, indem sie die richtige Flügelform durch die Luft bewegen, wodurch die zufälligen Moleküleinschläge effektiv aus dem Gleichgewicht gebracht werden.

17. Da Energie nicht aus dem Nichts erzeugt werden kann, sollte die Luft hinter dem Flugzeug leicht gekühlt werden (allerdings sehr schwer zu messen), um die zum Auftrieb übertragene Energie zu berücksichtigen. Mein einfaches Computermodell legt nahe, dass dies tatsächlich passiert.

18. Natürlich werden einige Leute argumentieren, dass dies falsch sein muss, weil es gegen den 2. Hauptsatz der Thermodynamik verstößt - aber ich denke, der aerodynamische Auftrieb verstößt wahrscheinlich gegen dieses Gesetz!

Jedenfalls, das ist meine Theorie!

Der erste Absatz der Frage lautet also im Grunde genommen: "Woher kommt die zusätzliche Auftriebsenergie?". Meine Erklärung ist, dass es von der Umwandlung zufälliger kinetischer Energie in Luftmolekülen in einen vektoriellen Schub (Auftrieb) durch die Wirkung des Flügels kommt, der sich in einem Winkel durch die Luft bewegt.

Der Flügel ist nicht „effizienter“ als der Motor. Es ist eine separate Energieumwandlungsmaschine, die vom Motor angetrieben wird.

Dies ist eine umstrittene Idee, da der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass wir die zufällige kenetische Energie in der Luft nur durch Prozesse nutzen können, die die Energie von heißen auf kalte Körper übertragen.

Im Fall der B737 erhält sie 17 Einheiten Auftriebsenergie für jede Einheit Motorenergie in Reiseflughöhe (dh ihr Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand beträgt 17:1). Woher kommt diese Energie sonst?

Anmerkungen: Die Geschwindigkeit der Luftmoleküle liegt im Durchschnitt bei ungefähr der Schallgeschwindigkeit, die 1250 km/h beträgt. Es gibt keine Höchstgeschwindigkeit für ein Luftmolekül, aber nicht viele werden 2.500 überschreiten, wenn der Durchschnitt halten soll ( https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound ).

Luftdruck ( https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_pressure ) 14,696 psi = 10332,299613018 kgf/m2.