Ist induzierter Widerstand im Wesentlichen nichts anderes als eine bestimmte Art von Formwiderstand?

Wenn ich an einem windigen Tag draußen stünde und ein flaches rechteckiges Objekt, wie z. eine Druckdifferenz von der windaufwärtigen Seite des Bodens mit höherem Druck und der windabwärtigen Seite mit niedrigerem Druck.

Wenn der Flügel eines Flugzeugs bei einem Anstellwinkel von 0 Grad beginnen und langsam auf einen Anstellwinkel von 90 Grad gedreht würde, würde der Auftrieb zunehmen, bis der kritische Anstellwinkel überschritten wird, aber der Luftwiderstandsbeiwert würde weiter bis auf 90 Grad zunehmen.

Ich gehe davon aus, dass der vom Flügel bei 90 Grad erzeugte Widerstand dem Formwiderstand ähnelt, der vom Tablett im Wind erzeugt wird.

Ist induzierter Widerstand nichts anderes als Formwiderstand mit einer anderen Klassifizierung aufgrund seiner üblichen Diskussion in Bezug auf den Auftrieb?

Antworten (3)

Nein, per Definition nicht.

Es gibt Widerstand. Luftwiderstand wird durch verschiedene physikalische Phänomene verursacht. Je nach Ursache wird es klassifiziert in:

Induzierter Widerstand

Der induzierte Widerstand ist ein Nebeneffekt der Erzeugung von Auftrieb über eine endliche Flügelspannweite.

Der Auftrieb ist eine Aufwärtskraft, die die Luft auf den Flügel ausübt. Nach dem Aktions- und Reaktionsprinzip (drittes Newtonsches Bewegungsgesetz) übt der Flügel eine nach unten gerichtete Kraft gleicher Größe auf die Luft aus, und da sich die Luft frei bewegen kann, beschleunigt diese Kraft die Luft nach unten.

Nun gibt es zwei äquivalente Argumente, warum dies zu Widerstand führt:

  • Im Bezugssystem des Flügels verrichtet der Flügel keine Arbeit (weil er sich nicht bewegt), kann also die kinetische Energie der Luft nicht ändern und kann daher seine Gesamtgeschwindigkeit nicht ändern. Da die vertikale Komponente dieser Geschwindigkeit zunimmt, muss die horizontale Komponente abnehmen, und dies erfordert eine Vorwärtskraft vom Flügel. Die Rückreaktion auf diese Kraft ist der induzierte Widerstand.

  • Im Bezugssystem der anströmenden Luft nimmt die kinetische Energie zu. Daher muss der Flügel in der Luft etwas Arbeit verrichten, was bedeutet, dass Kraft in Richtung seiner Bewegung aufgebracht wird. Die Rückreaktion auf diese Kraft ist der induzierte Widerstand.

Die Erklärungen sind beide gleichermaßen wahr, verwenden nur einen anderen Bezugsrahmen.

Der induzierte Widerstand nimmt mit (Quadrat der) Geschwindigkeit (für konstanten Auftrieb) ab, da bei höherer Geschwindigkeit mehr Luft zum Beschleunigen vorhanden ist, sodass nur weniger beschleunigt werden muss.

Auch der induzierte Widerstand ist querschnittsunabhängig . Wenn Sie den Auftrieb aufheben, indem Sie Höhenruder oder Querruder nach oben bewegen, ändert sich der Querschnitt möglicherweise überhaupt nicht (die Klappe befindet sich möglicherweise noch hinter dem Flügel), aber der induzierte Widerstand verschwindet.

Daraus folgt übrigens, dass der induzierte Widerstand des Flügels bei 90 Grad Null ist, weil er keinen Auftrieb erzeugt. Der Formwiderstand ist natürlich enorm.

Formular ziehen

Der Formwiderstand wird durch eine unvollständige Druckwiederherstellung hinter dem Körper verursacht. An der Vorderseite des Objekts, das sich durch Flüssigkeit bewegt, verlangsamt sich die Flüssigkeit, was mit einer Druckerhöhung einhergeht. Bei idealer laminarer Strömung schließt sich die Flüssigkeit mit der gleichen langsamen Geschwindigkeit und dem gleichen hohen Druck hinter dem Objekt. Wenn sich das Objekt jedoch schneller bewegt, bewirkt die Trägheit, dass sich die Strömung ablöst und hinter dem Objekt einen turbulenten Bereich bildet, in dem der Druck niedrig bleibt. Dieser Druckunterschied verursacht den Formwiderstand.

Der Formwiderstand ist abhängig von Querschnitt und Form des Objekts. Es nimmt immer mit der Geschwindigkeit zu.

Interferenzwiderstand

Wenn eine komplexe Struktur wie ein Flugzeug analysiert wird, wird zunächst der Formwiderstand jeder Komponente (Flügel, Rumpf, Leitwerk usw.) unabhängig voneinander analysiert. Wenn die Komponenten jedoch zusammengebaut werden, beeinflussen sich die Druckfelder um die Teile herum negativ, und diese Erhöhung des Widerstands wird dann als Interferenzwiderstand bezeichnet.

Skin ziehen

Hautwiderstand wird durch die Reibung zwischen der Oberfläche des Objekts und der Flüssigkeit verursacht. Der Hautwiderstand hängt hauptsächlich von der benetzten Oberfläche des Objekts ab. Er nimmt ähnlich wie der Formwiderstand mit der Geschwindigkeit zu, daher wird er aus praktischen Gründen normalerweise mit dem Formwiderstand zu einem Begriff zusammengefasst, dem parasitären Widerstand .

Wellenwiderstand

Wenn sich das Objekt, das sich durch Flüssigkeit bewegt, der Schallgeschwindigkeit nähert, überschreitet die Strömung diese, wenn sie versucht, dem Objekt auszuweichen, und bildet eine Stoßwelle. Hinter der Stoßwelle ist der Druck viel höher und dieser Anstieg wird nicht durch einen Anstieg am hinteren Teil des Objekts ausgeglichen, wodurch ein großer Luftwiderstand verursacht wird.

Diese Art von Widerstand tritt nur auf, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit nähert, wird dann aber schnell größer als die anderen Formen.

Der induzierte Luftwiderstand ist anders, da er mit der Geschwindigkeit abnimmt, aber auch der Querschnitt des Objekts, das auf die Luft trifft und den Luftwiderstand erzeugt. Ich frage mich: Wenn ein bestimmter Anstellwinkel auf einem Flügel in einer kontrollierten Umgebung konstant bleiben müsste, würde der Luftwiderstand dann nicht mit der Geschwindigkeit zunehmen? Wenn dem so wäre, würde mich das auch zu der Annahme veranlassen, dass es sich nur um eine Art Formwiderstand handelt.
@RyanMortensen, wenn Sie den gleichen Anstellwinkel beibehalten und die Geschwindigkeit erhöhen, würde der Auftrieb zunehmen und der induzierte Widerstand würde damit zunehmen. Aber z. B. durch Änderung des Sturzes können Sie den Querschnitt beibehalten, während Sie den induzierten Widerstand erheblich ändern. Aber letztendlich ist das Argument, dass die Definition anders ist. Ich habe die Antwort umgeschrieben, um eine detailliertere Definition der anderen Formen aufzunehmen.
Ihr Absatz über Interferenzwiderstand ist absolut die beste, klare und prägnante Erklärung, die ich je dafür gelesen habe. Ich mag Ihre Antwort so, wie sie jetzt geschrieben ist, aber ich werde etwas Zeit für andere geben, bevor ich den Q&A-Prozess abschließe.
Deine beiden Stichpunkte verwirren mich wirklich. So wie ich es verstanden habe, ist der Vektor der resultierenden Kraft (die vollständige aerodynamische Kraft auf den Flügel aufgrund von AoA) nicht senkrecht zum Luftstrom, sondern leicht nach hinten geneigt, da die Luft nach unten und vorne gedrückt wird. Wenn Sie den Vektorwinkel in vertikale und horizontale Komponenten (in Bezug auf den Luftstrom) zerlegen, ist die Vertikale der Auftrieb und die Horizontale der induzierte Luftwiderstand. Wir sagen vielleicht dasselbe, nur auf unterschiedliche Weise, aber ich verstehe Ihre Erklärung nicht.
@TomMcW, nun, die Kraft ist abgewinkelt, aber Sie müssen wissen, warum sie abgewinkelt ist. Es könnte ein direktes Argument aus der Lift-Theorie geben, aber das ist ziemlich kompliziert. Ein einfaches Argument kann jedoch nur aus den Gesetzen der Bewegung und der Energieerhaltung gezogen werden, und das versuche ich hier (Energieerhaltung ist ein komisches physikalisches Gesetz; es gilt in allen Bezugssystemen, aber die Energien sehen sehr unterschiedlich aus also haben wir unterschiedliche, gleichermaßen gültige Beschreibungen, je nachdem, welchen Referenzrahmen wir verwenden).
Sie sagen: The backward reaction to that force is the induced dragaber ich kann das nicht in Einklang bringen mit: Induced drag decreases with (square of) speed (for constant lift), because at higher speed there is more air to accelerate, so it only needs to be accelerated by less.Von F = ma hat die Beschleunigung zwar abgenommen und die Masse zugenommen, aber die Kraft bleibt konstant, und da Sie die Reaktion auf diese Kraft als induzierten Widerstand definiert haben, kann ich das nicht Sehen Sie, wie dies erklärt, wie sich der induzierte Luftwiderstand mit der Fluggeschwindigkeit verringert.
@jumblie, es geht nicht um Gewalt, sondern um Macht . Anstatt F = m a , wir drücken die Kraft aus als F = m ˙ Δ v a ich r , wo m ˙ ist der Massenstrom und Δ v a ich r die Zunahme der (vertikalen) Geschwindigkeit der Luft. Seit m ˙ ∝ v , Δ v ∝ 1 v . Jetzt im Bezugsrahmen des freien Flusses erfordert diese Beschleunigung Kraft P = ½ m ˙ Δ v a ich r 2 und da hat dieser noch einen Δ v a ich r Faktor, P ∝ 1 v . Seit P = F v , F d = P v und dies hat eine andere Umkehrung v Faktor, bekommen wir F d ∝ 1 v 2 .
@jumblie, wenn wir stattdessen den Referenzrahmen des Flugzeugs betrachten, stellen wir fest, dass die zu einem bestimmten Zeitpunkt betroffene Luftmasse tatsächlich konstant ist, ebenso wie die Beschleunigung. a . Dies ist eine normale Beschleunigung, ändert also die Richtung der Strömung. Wir wissen das a = v 2 r = ω 2 r = v ω ( v ist die Geschwindigkeit und ω Winkelgeschwindigkeit ist). a ist konstant, also ω ∝ 1 v . Jetzt die Winkeländerung Δ a = ω s v , wo s ist ungefähr die Sehnenlänge (ebenfalls konstant), also Δ a ∝ v − 2 und F d = F Δ a .
@jumblie, ich habe die Trigonometrie ignoriert und angenähert Sünde ⁡ a = a und cos ⁡ a = 1 , was für kleine Winkel angemessen ist. Ich tat dies konsequent in beiden Lösungen.

Der induzierte Widerstand ist wirklich eine Art und Weise, wie Aerodynamiker die lokale Änderung der Strömungsrichtung (netto nach unten) in unmittelbarer Nähe eines endlichen Flügels mit scharfer Hinterkante berücksichtigen, wenn er sich mit einem positiven Anstellwinkel durch eine Flüssigkeit bewegt. Induzierter Widerstand ist ein bequemer Begriff, da er einen Widerstand aufgrund des Auftriebs impliziert und zum Gesamtkraftaufbau der Gegenbewegung beiträgt. Der induzierte Widerstand tritt jedoch nicht als Oberflächennormalkraft oder Hautzugkraft auf. Es unterscheidet sich somit von Formwiderstand, Hautreibung und Auswuchswiderstand, die aufgrund der viskosen Scherwechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Flügeloberfläche entstehen. Diese im Windkanal messbaren Widerstandskräfte wirken auf die Flügelhaut entweder als Druckflächen-Normalkraft oder als tangentiale Zugkräfte. Formwiderstand erfordert eine robuste interne Struktur, um ihm zu widerstehen; Hautreibung schält Farbe; und Auswuchswiderstand erfordert starke Halterungen für Antennen und andere Ausstülpungen. Der induzierte Luftwiderstand wird im Windkanal nicht gemessen; es wird nachträglich berechnet. Es erfordert keine strukturelle Anpassung, um einer Kraft zu widerstehen, da es sich nicht um eine Kraft handelt.

Von welcher physischen Natur ist es dann? Es ist tatsächlich das Ergebnis einer lokalen Verzerrung des horizontal-vertikalen geradlinigen Referenzrahmens, den Ingenieure für die Kraftbilanzierung bei der Flugzeugleistungsarbeit übernommen haben. Die zur Berücksichtigung bewegungshemmender Effekte verwendete Referenz ist bei Unendlichkeit parallel zum Geschwindigkeitsvektor, und alle Hebeeffekte werden senkrecht zu diesem Vektor in Einklang gebracht. Aufgrund der nach unten gerichteten Strömungskomponente am Flügel selbst ist der tatsächliche lokale Geschwindigkeitsvektor in einem leichten Abwärtswinkel zum Vektor im Unendlichen geneigt; der Auftriebsvektor, der immer senkrecht zur tatsächlichen lokalen Luftströmung steht, ist somit im gleichen Winkel nach hinten abgewinkelt. Wenn dieser „nach hinten gebogene“ Auftriebsvektor mit dem Kraftbezugssystem (Geschwindigkeit st unendlich) in Einklang gebracht wird, es wird daher eine Auftriebskomponente (seinen Sinus) geben, die in der Widerstandsrichtung ausgerichtet ist. Dies nennen wir induzierten Widerstand.

Es ist wichtig, die Physik dieses bequem benannten, aber missverständlichen Begriffs zu verstehen, um zu verstehen, was er für die Konstruktion und den Betrieb von Flugzeugen bedeutet.

Ein englischer Physiker-Ingenieur-Mathematiker namens Lanchester fand dies heraus und veröffentlichte es in seinem Lehrbuch „Aerodonetics“, bevor die Gebrüder Wright Kitty Hawk überhaupt anflogen.

Kurz gesagt, nein. Der induzierte Widerstand ist ein Nebenprodukt der Bewegung eines Strömungsprofils durch eine Flüssigkeit, um Auftrieb zu erzeugen. Es ist die Summe sowohl des Formwiderstands des Schaufelblatts als auch des Einheitsvektors der Auftriebslinie, die dem Schubvektor des Propeller- oder Strahlabgases gegenüberliegt.

Ist induzierter Widerstand im Wesentlichen nichts anderes als eine bestimmte Art von Formwiderstand?
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