Сообщений в теме: 126

[yuvoront]

Силу давления на парус нельзя рассматривать как силу, приложенную к твердому телу. Если человек в лодке упрется в мачту и будет давить на нее с определенной силой, то его реакция на корпус лодки будет в точность равна силе, передаваемой мачтой той же лодке.
В случае аэродинамических сил все гораздо сложнее. Сила, приложенная к мачте, складывается из сил давления на элементарных площадках паруса. А те, в свою очередь, определяются разностью давления на сторонах паруса, а следовательно, и величиной циркуляции воздуха в каждой точке. Сила тяги винта точно так же определяется циркуляцией вокруг элементарных профилей. Причем не в ламинарном, свободном потоке (как в теореме Кутта-Жуковского), а в турбулентном потоке перед парусом, где местная циркуляция складывается с циркуляцией, созданной отражением потока от поверхности паруса. И если отраженная циркуляция имеет знак, противополжный местной циркуляции, то по той же формуле Кутта-Жуковского сила тяги профиля снизится.

[kozlov]

2kozlov,
В задаче про самолет и движущуюся под ним дорожку - самолет спокойно взлетает, т.к. он разгоняется не колёсами, а пропеллером и отталкивается от воздуха.
Не важно, с какой скоростью движется дорожка под ним, пусть даже в начале быстрее его скорости относительно воздуха. Просто он тогда будет сначала двигаться по дорожке хвостом назад, потом остановится (относительно неподвижного наблюдателя встороне), затем двинется вперёд и взлетит.
Взлетит, даже если дорожку под ним разогнать да сверхзвуковой скорости.
Просто колёса (если выдержут) будут крутиться быстрее.
Ещё раз - при разгоне самолет отталкивается от воздуха, а не от дорожки.

Да уже разобрались, спасибо
Вы невнимательно ветку посмотрели просто, бывает.

[kozlov]

нет, там стредки показывающие движение воздуха после паруса

А! Ну так они от фонаря нарисованы, не будет дуть в обратную сторону-то, не с чего. Парус продавится под напором струи (надуется), и перед ним образуется нечто вроде "подушки" - области с чуть повышенным давлением. Постоянно нагнетаемый пропеллером воздух будет эту подушку подпитывать и подпирать, поддерживая давление, а основной поток воздуха будет ее обтекать (см. рис. в сообщении 55 - струи воздуха не доходят до поверхности пластины, отклоняются раньше). Ну, и если они будут обтекать, то и пойдут дальше, за плоскость паруса.
Воздух примерно до 600 кмч можно считать условно несжимаемым, в аэродинамике так принято. А художник нарисовал у Разрушителей стрелки так, как предполагал их движение. Стрелки сил, кстати, тоже приложены не туда, одну надо на пропеллер, другую - на парус.

Возможны оба случая. Сила давления на парус может превышать силу тяги пропеллера (винта). Парус по размеру, как мы видим из видео, довольно большой. Следовательно, индукционные потери давления (за счет перетекания воздуха со стороны давления на сторону разрежения) у него невелики. В то время как лопасти винта имеют небольшую длину, и в в нем индукционные потери велики. Кроме того, винт работает в зоне турбулентного завихрения от паруса, и этот факт даже больше снижает его тяговую силу, чем индукционные потери. Именно по этой причине в самолетах прижился тянущий винт, а не толкающий, работающий в возмущенном потоке.

То есть парус может собрать воздуха от винта больше, чем этот винт может выдать?

[yuvoront]

То есть парус может собрать воздуха от винта больше, чем этот винт может выдать?

Воздух - это не твердое тело. К тому же он находится в постоянном движении. Мы здесь не рассматриваем массу воздуха, отброшенного винтом, и массу, "собранную" парусом. Это - не реактивное движение. Здесь играет роль лишь распределение давления на поверхностях лопастей винта и паруса, не более того.
Вспомните, когда автомобиль движется, у него на кузове создаются как области пониженного давления, так и области повышенного. Скажем, перед лобовым стеклом область повышенного давления, над капотом может быть как повышенное, так и пониженное, над крышей скорее всего пониженное и т.д. В результате имеем как подъемную силу, так и прижимающую силу. А еще и аэродинамический момент как результат неравномерного распределения давления. И не важно, сколько воздуха "собрали" лобовое стекло или капот. Но это- другая тема. Я хочу просто сказать, что эпюры распределения давления могут быть такими вычурными, что результирующая аэродинамическая сила может не только менять величину, но и знак.
Вспомните еще явление помпажа в компрессоре авиационного турбореактивного двигателя. Он возникает в результате работы лопаток компрессора в сильно завихренном (турбулентном) потоке. Похожая картина возникает и при работе воздушного винта перед парусом. Его тяга может значительно упасть.

[kozlov]

при работе воздушного винта перед парусом. Его тяга может значительно упасть.

Ну и что? Если тяга вдруг упадет (что очень сомнительно, учитывая размер лопастей и мощность двигателя, а также скорость потока - до падения там еще как до Луны, конец лопасти очень далеко от скорости звука)... Если тяга на винте вдруг упадет, то откуда на парусе возьмется поток? Ведь он генерируется пропеллером! На пропеллере упала тяга - и на парусе пропал напор.
Что-то Вы где-то как-то совсем запутались

[WHEEL]

Нижняя картинка - пластина - как раз наш случай. Позади нее образуется разряжение из-за завихрений. Полагаю, именно оно и движет лодку. Косвенно это подтверждается тем, что маломощные модели и у Разрушителей и у преподавателя не ехали - потока не хватало на образование приличного "мешка" разреженного воздуха, чтобы преодолеть сопротивление качения колес.

Получается, что разрежение позади паруса больше чем разрежение позади вентилятора?

Сообщение отредактировал WHEEL: 28 February 2012 - 20:22

[Жорик Л.]

Получается, что разрежение позади паруса больше чем разрежение позади вентилятора?

Эта картинка напомнила обгон фурой . Когда легковуху едущую не спеша , просто таки увлекает за ней следом .

[kozlov]

Получается, что разрежение позади паруса больше чем разрежение позади вентилятора?

позади вентилятора - ламинарный поток... Это мало

[yuvoront]

На лодке можно рассмотреть 3 области воздушного потока.
1. Позади кормы, за воздушным винтом. Область разрежения.
2. Между винтом и парусом. Область избыточного давления.
3. Перед парусом. Область разрежения.

Представим себе для простоты, что эти области имеют равномерно, по объему, распределенное давление. Возьмем нормальное атмосферное давление за единицу.
Условимся, например, что P1 = -0.2, P2 = 0.25, P3 = -0.15.
Представим себе винт как сплошной круг с площадью Sв. Площадь паруса Sп.
Тогда сила, действующая на лодку, составит:

(P2 - P1)*Sв - (P2 - P3)*Sп.

В зависимости от давлений P1, P2 и P3, а также от площадей Sв. и Sп, мы можем получить как положительную силу (направленную в сторону тяги винта), так и отрицательную (в сторону тяги паруса).

Если площади винта и паруса постоянны, то величина давлний зависит от очень многих факторов, учитывая даже расстояние до поверхности воды.

Сообщение отредактировал yuvoront: 28 February 2012 - 22:10

[kozlov]

На лодке можно рассмотреть 3 области воздушного потока.
1. Позади кормы, за воздушным винтом. Область разрежения.
2. Между винтом и парусом. Область избыточного давления.
3. Перед парусом. Область разрежения.

Представим себе для простоты, что эти области имеют равномерно, по объему, распределенное давление. Возьмем нормальное атмосферное давление за единицу.
Условимся, например, что P1 = -0.2, P2 = 0.25, P3 = -0.15.
Представим себе винт как сплошной круг с площадью Sв. Площадь паруса Sп.
Тогда сила, действующая на лодку, составит:

(P2 - P1)*Sв - (P2 - P3)*Sп.

В зависимости от давлений P1, P2 и P3, а также от площадей Sв. и Sп, мы можем получить как положительную силу (направленную в сторону тяги винта), так и отрицательную (в сторону тяги паруса).

Если площади винта и паруса постоянны, то величина давлний зависит от очень многих факторов, учитывая даже расстояние до поверхности воды.

Да что ж Вы все время в сторону-то съезжаете

Не нужны Вам никакие круги. Винт рассматривается просто как сила, вектор которой находится на его оси. Парус размерами ощутимо превосходит винт во всех опытах. Стало быть, парус собирает весь воздушный поток, и через мачту воздействует на лодку. По 3 закону Ньютона, эти две силы будут равны, и мы их спокойно можем игнорировать, потому что они друг друга компенсируют. Остается разрежение перед винтом и перед парусом. Если разрежение перед винтом еще как-то худо-бедно можно посчитать, то после паруса посчитать разрежение, которое порождается множественными вихрями, весьма и весьма сложно.
Однако известно, что в силу самой природы вихрей, они очень устойчивы и хорошо удерживают "мешок" разрежения (см. картинку в сообщении 59). Также известно, что ламинарные течения таким свойством не обладают. Поэтому самая вероятная причина движения лодки - эти вихри и удерживаемый ими "мешок"

[yuvoront]

Да что ж Вы все время в сторону-то съезжаете

Не нужны Вам никакие круги. Винт рассматривается просто как сила, вектор которой находится на его оси. Парус размерами ощутимо превосходит винт во всех опытах. Стало быть, парус собирает весь воздушный поток, и через мачту воздействует на лодку. По 3 закону Ньютона, эти две силы будут равны, и мы их спокойно можем игнорировать, потому что они друг друга компенсируют. Остается разрежение перед винтом и перед парусом. Если разрежение перед винтом еще как-то худо-бедно можно посчитать, то после паруса посчитать разрежение, которое порождается множественными вихрями, весьма и весьма сложно.
Однако известно, что в силу самой природы вихрей, они очень устойчивы и хорошо удерживают "мешок" разрежения (см. картинку в сообщении 59). Также известно, что ламинарные течения таким свойством не обладают. Поэтому самая вероятная причина движения лодки - эти вихри и удерживаемый ими "мешок"

По-моему, это я и пытаюсь объяснить. Прошу прощения, если мои объяснения не совсем ясны. Я занимался газодинамикой много лет. И мне, видно, трудно объяснить все на популярном уровне.

[yuvoront]

Кстати, я и начал с формулы Стокса и Кутта-Жуковского, чтобы объяснить, как вихри связаны с давлением на поверхность паруса (и лопасти винта).

[kozlov]

Кстати, я и начал с формулы Стокса и Кутта-Жуковского, чтобы объяснить, как вихри связаны с давлением на поверхность паруса (и лопасти винта).

Но Вы не сможете получить цифры.

[yuvoront]

Но Вы не сможете получить цифры.

Если нужны цифры, то можете почитать мои публикации или диссертацию. Я занимался газодинамикой и теоретически, и практически. На мои работы ссылаются и доктора наук. Но это - не тема для данного форума

[kozlov]

Если нужны цифры, то можете почитать мои публикации или диссертацию. Я занимался газодинамикой и теоретически, и практически. На мои работы ссылаются и доктора наук. Но это - не тема для данного форума

Вы же понимаете, что диссертации для получения цифр мало, не так ли? Даже несмотря на то, что на них ссылаются.

[yuvoront]

Вы же понимаете, что диссертации для получения цифр мало, не так ли? Даже несмотря на то, что на них ссылаются.

Хорошо, давайте попробуем сделать расчет. Надо только понимать, что без знания параметров лодки, силовой установки и паруса невозможно сделать корректные расчеты. Но все же попробуем сделать грубую прикидку.

Итак, положим воздушный винт создает поток со скоростью 40 m/s (144 km/h), и при этом развивает тягу T = 2000 N (около 200 кг). Аэродинамическая мощность составит 40 * 2000 = 80,000 W = 80 kW. Для создания такой аэродинамической мощности потребуется двигатель где-то в 100 - 120 kW.
Далее, расчитаем силу аэродинамического сопротивления паруса (или, что то же самое, силу тяги, создаваемую парусом):

F = p*Cx*K*S*V²/2,
где p - плотность воздуха = 1.25 kg/m³
Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления паруса. Для плоской пластины он равен около 1.2. Возьмем для паруса 1.25.
K - коэффициент, учитывающий неравномерность потока. Парус более всего обдувается в области напротив винта, и гораздо меньше по краям. Примем K = 0.3.
S - площадь паруса, m². Примем S = 6 m²
V - скорость потока m/s. (= 40 m/s)

Очевидно, что условием для движения лодки в сторону паруса (вперед) будет следующее:

F > T.

Вычислим F:

F = 1.25 * 1.25 * 0.3 * 6 * (40²) / 2 = 2250 N

Итак, 2250 > 2000 (F > T), то есть при принятых условиях лодка будет плыть вперед.

[kozlov]

Хорошо, давайте попробуем сделать расчет. Надо только понимать, что без знания параметров лодки, силовой установки и паруса невозможно сделать корректные расчеты. Но все же попробуем сделать грубую прикидку.

Итак, положим воздушный винт создает поток со скоростью 40 m/s (144 km/h), и при этом развивает тягу T = 2000 N (около 200 кг). Аэродинамическая мощность составит 40 * 2000 = 80,000 W = 80 kW. Для создания такой аэродинамической мощности потребуется двигатель где-то в 100 - 120 kW.
Далее, расчитаем силу аэродинамического сопротивления паруса (или, что то же самое, силу тяги, создаваемую парусом):

F = p*Cx*K*S*V²/2,
где p - плотность воздуха = 1.25 kg/m³
Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления паруса. Для плоской пластины он равен около 1.2. Возьмем для паруса 1.25.
K - коэффициент, учитывающий неравномерность потока. Парус более всего обдувается в области напротив винта, и гораздо меньше по краям. Примем K = 0.3.
S - площадь паруса, m². Примем S = 6 m²
V - скорость потока m/s. (= 40 m/s)

Очевидно, что условием для движения лодки в сторону паруса (вперед) будет следующее:

F > T.

Вычислим F:

F = 1.25 * 1.25 * 0.3 * 6 * (40²) / 2 = 2250 N

Итак, 2250 > 2000 (F > T), то есть при принятых условиях лодка будет плыть вперед.

Вы что-то напутали
У Вас парус получил большее количество аэродинамической мощности, чем выдал пропеллер, КПД системы оказалось 112 %, что нарушает закон сохранения энергии. А?

[yuvoront]

Вы что-то напутали
У Вас парус получил большее количество аэродинамической мощности, чем выдал пропеллер, КПД системы оказалось 112 %, что нарушает закон сохранения энергии. А?

А как Вы считали аэродинамическую мощность паруса?

Мощность паруса можно посчитать лишь как работа, совершенная за определенный отрезок времени. Очевидно, если лодка движется с постоянной скоростью, мы имеем:

F = T + R, где R - сила гидравлического сопротивления лодки.
Таким образом, мощность паруса окажется:

Nb = F*Vb, где Vb - скорость лодки.

Пренебрежем потерями энергии и получим баланс мощности:

Nb = Ne + Nr,
где Ne - эффективная аэродинамическая мощность воздушного винта.
Nr - мощность гидродинамического сопротивления лодки.

Законы природы не нарушены!

Сообщение отредактировал yuvoront: 29 February 2012 - 23:24

[yuvoront]

Иными словами, от разности мощности воздушного винта и паруса, и с учетом сопротивления лодки в воде, будет лишь зависеть скорость движения лодки.
Очевидно, при равенстве тяги винта и паруса лодка будет стоять на месте.
Если же тяга паруса уменьшится (что можно сделать, например, умешьшим его площадь) и станет меньше тяги винта, то лодка начнет двигаться кормой вперед.

[kozlov]

А как Вы считали аэродинамическую мощность паруса?

Законы природы не нарушены!

Да Вы поделите F на T. и умножьте на 100. И получите КПД всего устройства. 112.6%

Иными словами, от разности мощности воздушного винта и паруса, и с учетом сопротивления лодки в воде, будет лишь зависеть скорость движения лодки.
Очевидно, при равенстве тяги винта и паруса лодка будет стоять на месте.
Если же тяга паруса уменьшится (что можно сделать, например, умешьшим его площадь) и станет меньше тяги винта, то лодка начнет двигаться кормой вперед.

Эти Ваши выкладки противоречат закону сохранения импульса и закону сохранения энергии. Посмтрите еще раз:


http://www.youtube.com/watch?v=ZA6PHjL-GKc

[yuvoront]

Да Вы поделите F на T. и умножьте на 100. И получите КПД всего устройства. 112.6%

А вот этого делать и нельзя. Так можно доказать и что дважды два пять.
Аэродинамика - это не физика твердого тела, и ее законы здесь неприменимы.

Для разминки, kozlov, ответьте на простой вопрос: когда вертолет висит неподвижно, на что тратится мощность двигателя?

[yuvoront]

Систему парус плюс воздушный винт можно представить как очень неэффективный движитель, с очень малым общим кпд. Но тем не менее - движитель.

[kozlov]

А вот этого делать и нельзя. Так можно доказать и что дважды два пять.
Аэродинамика - это не физика твердого тела, и ее законы здесь неприменимы.

Для разминки, kozlov, ответьте на простой вопрос: когда вертолет висит неподвижно, на что тратится мощность двигателя?

Не ведь и для нетвердого тела закон сохранения энергии все равно действует

Как на что? На преодоление силы тяжести.

Систему парус плюс воздушный винт можно представить как очень неэффективный движитель, с очень малым общим кпд. Но тем не менее - движитель.

Ну и что?
Вы не ответили, про видеоролик.

[Опытный Люб]

Как на что? На преодоление силы тяжести.

Старик Аристотель может быть и согласился, но Ньютон бы посмеялся. Хорошо, а на что тогда тратится мощность вертолета перед отрывом от земли?

[kozlov]

Старик Аристотель может быть и согласился, но Ньютон бы посмеялся. Хорошо, а на что тогда тратится мощность вертолета перед отрывом от земли?

Я не знаю, что сказал бы старик Аристотель, и как бы смеялся Ньютон, а вот по старику Эйнштейну покоящиеся на поверхности Земли тела испытывают ускорение g, а вот падающие сверху вниз - находятся в покое. Поэтому висеть на месте равнозначно движению с ускорением 9.81 м/с² в пространстве. Что и есть преодоление силы тяжести. А Вы не знали?

[Опытный Люб]

Я не знаю, что сказал бы старик Аристотель, и как бы смеялся Ньютон, а вот по старику Эйнштейну покоящиеся на поверхности Земли тела испытывают ускорение g, а вот падающие сверху вниз - находятся в покое. Поэтому висеть на месте равнозначно движению с ускорением 9.81 м/с² в пространстве. Что и есть преодоление силы тяжести. А Вы не знали?

Воздушный шар тоже висит на месте, преодолевая силу тяжести, однако мощность для поддержания этого состояния ему не требуется. Как так?

[nazildar]

Воздушный шар тоже висит на месте, преодолевая силу тяжести, однако мощность для поддержания этого состояния ему не требуется. Как так?

про силу Архимеда забыли? а если есть сила, и есть путь, то есть работа, а если есть работа и время, то есть мощность.

[Опытный Люб]

про силу Архимеда забыли? а если есть сила, и есть путь, то есть работа, а если есть работа и время, то есть мощность.

Сила есть, а пути нет в обоих случаях (шар или вертолет). В одном случае мощность есть (вертолет), а в другой нет (шар). Так в чем же все-таки разница? Подсказка: мухи и котлеты.

[nazildar]

Так в чем же все-таки разница?

пример насос стоит на месте, но при этом совершает работу,
или вокруг вертолета воздух находится в статическом состоянии?

Сообщение отредактировал nazildar: 01 March 2012 - 13:17

[kozlov]

Воздушный шар тоже висит на месте, преодолевая силу тяжести, однако мощность для поддержания этого состояния ему не требуется. Как так?

А причем тут шар? Он висит потому же, почему дерево в воде плавает, по закону Архимеда. Что Вы все перепутали-то

Сила есть, а пути нет в обоих случаях (шар или вертолет). В одном случае мощность есть (вертолет), а в другой нет (шар). Так в чем же все-таки разница? Подсказка: мухи и котлеты.

Ну если заставить Вас держать на весу тяжеленную отопительную батарею, так тоже работы не будет и мощности тоже. Только долго ли Вы ее удержите-то?
Полагаю, воздушный шарик будет держать легче, не так ли?

Хотя сила есть, а пути - нет.