Wie verstehen Sie Stall im Sinne der Newtonschen Mechanik (dh ohne das Bernoulli-Prinzip)?

"Die Luftmoleküle prallen auf einen Flügel, der in einem Winkel zu den Luftmolekülen steht"

Das passiert eigentlich nur, wenn ein Flugzeug landet. Nach dem Absenken der Klappen wird der Auftrieb stark erhöht, aber beachten Sie, wie auch der Luftwiderstand stark zunimmt. Dadurch kann das Flugzeug mit einer sicheren Fluggeschwindigkeit landen, da es genügend Auftrieb aufrechterhalten kann, um sanft herunterzukommen, während es sich bei einer viel niedrigeren Fluggeschwindigkeit befindet.

Sie können jedoch wahrscheinlich erkennen, dass all dieser Luftwiderstand in anderen Flugphasen sehr ineffizient wäre - wenn Sie sich Fotos von Flugzeugen im Reiseflug ansehen, werden Sie feststellen, dass ihre Flügel im Wesentlichen eben sind. Während es viele Faktoren gibt, die die Höhe des Auftriebs beeinflussen, einschließlich des Bernoulli-Prinzips, scheinen Sie mit den Newtonschen Gesetzen nach etwas zu suchen, das leichter zu verstehen ist. Einer dieser Faktoren ist der Abwind – wenn Luft über die Oberseite des Flügels strömt, sorgt der Coandă-Effekt dafür, dass der Luftstrahl der Kontur des Flügels folgt. Sobald die Luft die Hinterkante des Flügels erreicht, setzt sie sich in diesem Abwärtswinkel vom Flügel fort, was nach Newtons drittem Gesetz bedeutet, dass das Flugzeug eine nach oben gerichtete Auftriebskraft spürt. Beim Strömungsabriss trennt sich der Luftstrom vom Flügel, bevor er die Hinterkante erreicht.

In jedem Flugzeug (soweit ich weiß) wird durch das Einsetzen von Klappen die Hinterkante des Flügels steiler, was die Auswirkungen des Abwinds verstärkt und gleichzeitig diesen "Absturz" -Effekt einführt. Wie Sie sich vorstellen können, verringert das Einsetzen von Landeklappen die Überziehgeschwindigkeit.

Ich bin Pilot, kein Physiker, also könnte vielleicht jemand eine mathematischere Beschreibung geben oder mich korrigieren, wenn ich falsch liege.

Sie können die Fluiddynamik nicht mit einer Reihe unabhängiger elastischer Kollisionen modellieren. Wenn das alles wäre, wäre das, was Sie sagen, richtig, und Flugzeuge würden bei einem so niedrigen Anstellwinkel keinen Stall erfahren.

Es ist am besten mit Navier-Stokes-Simulationen zu sehen, aber Sie können sich immer daran erinnern, dass der Druck für Luft mit niedrigerer Geschwindigkeit höher ist. Wenn der AOA zu hoch wird, entsteht eine größere Aufteilung der Luftströme über und unter dem Flügel. Dies führt zu einer Tasche statischer Hochdruckluft über dem Flügel, die offensichtlich eine gewisse Abwärtskraft ausübt.

Sie können sich auch intuitiv vorstellen, dass Auftrieb = Gesamtgewicht der nach unten abgelenkten Luft ist. Bei hoher AOA, bei der der Strom zweigeteilt wird, wird der obere Strom nicht nach unten abgelenkt und fließt stattdessen über den hohen Druck über dem Flügel.

Die relevanten Kräfte sind das Gewicht des Flugzeugs und die vertikalen Komponenten der Kräfte an den Flügeln. Die Summe der letzteren Kräfte muss das Gewicht ausgleichen, um das Flugzeug in der gleichen Höhe zu halten.

Einer naiven Idee folgend, könnten wir den Prozess als elastische Kollisionen von Molekülen modellieren. Sie treffen horizontal auf die Flügel und prallen in einem Winkel von ab$2\alpha$mit der Horizontalen, wo$\alpha$ist der Anstellwinkel. Jedes Molekül hat anfänglich einen vertikalen Impuls und eine Geschwindigkeit von null$v$. Nach dem Stoß ist die vertikale Impulskomponente$p_v = mvsin(2\alpha)$.

Die Anzahl der Moleküle, die pro Zeit auf den Flügel treffen, ist proportional zur vertikalen Projektion der Fläche:$n = kAsin(\alpha)$.

Die Vertikalkraft ist

Was meiner Meinung nach fehlt, ist die Tangentialkraft. Die Viskosität der Luft erzeugt eine Tangentialkraft in Richtung des Flügels und aufgrund des Anstellwinkels im unteren Teil viel größer. Diese Kraft erzeugt ein Drehmoment, das dazu neigt, das Flugzeug zu drehen. Die Tatsache, dass der Stall durch die nach unten geneigte Nase gekennzeichnet ist, stimmt gut mit dieser Idee überein.

Die Art und Weise, wie man darüber nachdenkt, ist das Verhältnis von Auftrieb und Widerstand.

Das Flügeldesign ist für ein gutes Auftriebs-/Widerstandsverhältnis optimiert. (Vorausgesetzt natürlich, dass der Pilot den optimalen Anstellwinkel für die Flügel und die Geschwindigkeit des Flugzeugs beibehält.)

Flugzeuge, die für Luftakrobatik ausgelegt sind, haben flache Flügel, die dem Piloten die Freiheit geben, das Flugzeug kopfüber entlang einer horizontalen Linie zu fliegen.

Das Auftriebs-/Widerstandsverhältnis von Akrobatikflugzeugen ist weniger gut, aber ein Akrobatikflugzeug muss keine Distanzfähigkeit haben.

Nehmen wir also den Fall eines Flugzeugs mit völlig flachen Flügeln. Mit einem ausreichend starken Motor wird dieses Flugzeug fliegen. Hier ist der Haken: Mit flachen Flügeln gibt es auch einen optimalen Anstellwinkel.

Abwürgen bedeutet, dass das Auftriebs-/Widerstandsverhältnis so schlecht wird, dass Sie weiter an Geschwindigkeit verlieren.

Um zu sehen, dass es ein Optimum geben muss: Übertreiben Sie den Anstellwinkel bis zu dem Punkt, an dem der Luftwiderstand den Auftrieb übersteigt . Das Flugzeug wird an diesem Punkt eindeutig die Kontrolle verlieren.

Also: Auch bei flachen Flügeln gibt es noch einen optimalen Anstellwinkel

Zurück zu optimierten Flügeln:
Der Zweck der Flügelform besteht darin, eine gute Wiedervereinigung der Luft, die darunter strömt, und der Luft, die über den Flügel strömt, zu erleichtern. Je besser sich diese beiden Strömungen wiedervereinen, desto weniger Turbulenzen. Je weniger Turbulenzen, desto weniger Luftwiderstand.

Je besser die beiden Strömungen wieder zusammenkommen, desto besser ist die Laufleistung des Flugzeugs.