Wie kann der Auftrieb geringer sein als der Schub, der geringer ist als das Gewicht? [Duplikat]

Ihr Missverständnis liegt in Ihrem Gedanken, dass der Auftrieb kleiner als der Schub ist, während der Auftrieb in Wirklichkeit viel größer als der Schub ist.

Der Auftrieb erfolgt durch die Flügel. Ihr Zweck besteht genau darin, eine Auftriebskraft (Aufwärtskraft) zu erzeugen, während relativ wenig Schub (Vorwärtskraft) erforderlich ist. Wie gut ihnen das gelingt, drückt ihr Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand (L/D-Verhältnis) aus. Ein modernes Flugzeug kann ein L/D von 20 oder mehr haben. Das bedeutet, dass Sie für jedes Newton Schub 20 Newton Gewicht heben können!

Sie können sich Flügel genauso vorstellen wie eine schiefe Ebene: Sie brauchen viel weniger Kraft, um ein Auto einen sanften Hügel hinauf zu schieben, als einen steilen Hügel hinauf. Wenn der Hügel sanft ist, können die meisten Leute das Auto tatsächlich den Hügel hinaufschieben, während die meisten Leute ein Auto nicht alleine hochheben können. Flügel funktionieren, indem sie Luft nach unten drücken, und indem sie die Luft in einem relativ flachen Winkel nach unten drücken (indem Sie sehr schnell vorwärts gehen), benötigen Sie weniger Kraft, um vorwärts zu gehen, als um das Flugzeug anzuheben.

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Wenn Sie mehr als diese „intuitive“ Erklärung wissen möchten, kann ich Ihnen vielleicht diese Antwort von mir empfehlen . Ich werde im Folgenden eine knappe Herleitung vorstellen, mit dem Ziel, den L/D (Vernachlässigung des parasitären Widerstands) rein nach den ersten Prinzipien zu berechnen.

Der Auftrieb ist auf einen bestimmten Massenstrom zurückzuführen$\dot{m}$eine bestimmte Geschwindigkeit erhalten$v$nach unten:

$$L=\dot{m}v.$$ Dieser Massenstrom ist darauf zurückzuführen, dass die Flügel auf eine bestimmte Luftmenge treffen; Als Annäherung können Sie sich vorstellen, dass das Flugzeug nur eine kreisförmige Luftröhre mit einem Durchmesser gleich seiner Flügelspannweite beeinflusst. Die Energie pro Zeiteinheit (Leistung), die erforderlich ist, um diesen Abwärtsimpuls zu vermitteln, ist gleich $$P=\frac{1}{2}\dot{m}v^2.$$

Diese Kraft wird durch die Kombination von Schub bereitgestellt$T$und Vorwärtsgeschwindigkeit,

$$P=Tu.$$ Dies gibt uns einen Ausdruck für den Schub: $$T=\frac{P}{u} = \frac{1}{2}\dot{m}\frac{v^2}{u}.$$ Beachten Sie, dass der Schub$T$gleich Widerstandskraft$D$, also können wir jetzt das L/D berechnen:

$$\frac{L}{D}=\frac{L}{T} = \frac{\dot{m}v}{\frac{1}{2}\dot{m}\frac{v^2}{u}} = 2\frac{u}{v}.$$

Mit anderen Worten, wie ich bereits sagte, das L/D-Verhältnis ist genau so „flach“, wie der relative Geschwindigkeitsvektor des betroffenen Luftstroms ist. Daraus folgt die Vorwärtsgeschwindigkeit$u$sollte so groß wie möglich sein, um das L/D zu maximieren. Ich habe jedoch nur den sogenannten "durch Auftrieb verursachten Widerstand" berücksichtigt, bei dem es sich lediglich um die horizontale Kraft handelt, die erforderlich ist, um eine vertikale Auftriebskraft zu erzeugen. In Wirklichkeit gibt es auch parasitären Luftwiderstand, der mit skaliert$u^2$und wird irgendwann die Reduzierung von L/D dominieren.

Weil ein Flügel viel mehr Auftrieb als Luftwiderstand erzeugt.

Der Schub muss dem Luftwiderstand entsprechen, nicht dem Auftrieb.

... Schub-zu-Gewicht-Verhältnis so niedrig wie 0,3.

Das ist eigentlich ein Drag-to-Lift-Verhältnis. Und deshalb findet man überall Flächenflugzeuge, sonst wären alle Flugzeuge VTOLs

Damit ein Flugzeug in konstanter Höhe waagerecht fliegen kann, muss der von seinen Flügeln erzeugte Auftrieb gleich seinem Gewicht sein. Wenn der Auftrieb das Gewicht übersteigt, beginnt das Flugzeug zu steigen. Wenn das Gewicht den Auftrieb übersteigt, beginnt das Flugzeug zu sinken. Bei einem Steig-/Sinkflug mit konstanter Rate entspricht der Auftrieb dem Gewicht; eine Vereinfachung, die den Vortriebskraftvektor vernachlässigt .

Der Motor und die Propeller in einem leichten Flugzeug wie einer viersitzigen Cessna entwickeln beim Start nicht mehr als ein paar hundert Pfund Schub, was viel weniger ist als das Gewicht des Flugzeugs. Aber dieser Schub reicht aus, um die Flügel des Flugzeugs mit einer Geschwindigkeit durch die Luft zu bewegen, die ausreicht, um genügend Auftrieb zu erzeugen, um das Flugzeug vom Boden abzuheben.

Beachten Sie, dass der Antriebsschub nicht dem Gewicht des Flugzeugs entsprechen muss, um es zum Fliegen zu bringen. Dies trifft nur zu, wenn das Flugzeug keine Flügel hatte und Sie versuchten, es vom Boden zu heben, indem Sie das Flugzeug gerade nach oben richteten und es an seinem Propeller "hängten".

Wenn Sie Ihr Auto auf einer ebenen Fläche schieben, brauchen Sie sehr wenig Kraft, um es zu bewegen, viel weniger als sein Gewicht

Mit der gleichen Kraft, mit der Sie das Auto schieben, bemerken Sie, dass es am Anfang eine beschleunigte Bewegung bekommt und danach hauptsächlich aufgrund des Luftwiderstands die Geschwindigkeit konstant wird, obwohl Sie die gleiche Schubkraft beibehalten

Um ein Flugzeug beschleunigen zu können, müssen Sie daher nur den Luftwiderstand überwinden

Beschleunigung bedeutet, die Geschwindigkeit und damit den Luftwiderstand zu erhöhen, aber alles, was Sie brauchen, ist, den Luftwiderstand zu überwinden, nicht das Gewicht.

Zum Abheben braucht man nur die nötige Geschwindigkeit, damit die Tragflächen in Abhängigkeit vom Anstellwinkel genau den Auftrieb liefern, der knapp über dem Flugzeuggewicht liegt