Мрак или не, всички от време на време погледнахме настрани от прозореца на самолета, виждайки как крилата на самолета претърпяха няколко разтърсвания и според нас те се преместиха повече от необходимото. Да, чували сме стотици пъти, че самолетът е най-безопасното транспортно средство в света; че от всеки 2,4 милиона полета само един завършва с трагедия и че турбуленцията не е причинила катастрофа от поне 40 години.

разбираме

И така, защо сме толкова обезпокоени от внезапното движение на крилата? Както в много други случаи, отговорът се крие в пълното ни невежество за това как самолет остава във въздуха. Ето защо ние се запитахме; Каква странна сила позволява на самолета да се поддържа на височина 10 000 метра в продължение на хиляди километри, без силен тласък, който представлява най-малката заплаха при пилотирането?

Ако не знаете как да отговорите със сигурност на този въпрос, не се притеснявайте; нито научната общност.

И това е, въпреки че авиоинженерите са повече от способни да построят самолети, способни да летят (както доказват последните 80 години от авиационната история), те не са толкова много, когато става въпрос за обяснение как точно се генерира аеродинамичният лифт, или силата нагоре, която позволява метална рамка от приблизително 100 тона да остане във въздуха.

Има различни теории в това отношение, че въпреки че те предлагат достатъчно правдоподобно обяснение защо се генерира тази сила, през годините те са били етикирани като неправилни или поне недостатъчни, тъй като те оставят много развързани краища. Въпреки че изпълняват информационната си функция (и затова са включени в учебници и енциклопедии, насочени към по-малко образовани читатели), нито едно от тези универсални обяснения не е валидно обяснение само по себе си.

Как да проектираме самолети, способни да летят, ако не можем да обясним как го правят?

На този етап може би се чудите как е възможно да се проектира напълно функционален търговски самолет и в същото време, без да може да обясни строго как произхожда силата, която позволява на самолета да се издигне по време на излитане.

Много лесно; физиката (и по-специално механиката на течностите) е изключително експериментална наука, в която много пъти експериментите предхождат теорията. Първо се наблюдава явление и се правят измервания; по-късно се извършват експерименти и се разработват математически модели, за да се обяснят данните, предоставени от тези експерименти, и накрая се разработват теории и закони.

С други думи, разследващата работа на физици и математици от 18 и 19 век ни е предоставила математически формули, способни да правим много точни и доказуеми прогнози чрез експерименти (уравнения на Навие-Стокс). Много пъти обаче нямаме способността да превеждаме толкова ефективен и недвусмислен математически език, на език, който е разбираем и разумен за нашите очи, често ограничени от това, което можем да наблюдаваме с просто око, и това, което не можем.

Традиционни обяснения или това, което ни казват учебниците от гимназията

На първо място, трябва да се помни това въздухът е течност и като такъв, той предлага известна устойчивост на твърди тела, които се сблъскват с него, подобно на морската вода, когато кораб се удари срещу него (тази секунда просто има по-висока плътност).

Обичайно е да се смята, че това, което поддържа самолета във въздуха, е мощността на двигателя, но все пак в хипотетичния и малко вероятен случай, че двигателят се повреди, самолетът не би паднал. Докато двигателят противодейства на съпротивлението, което се генерира отпред (съпротивление), това е крилата, които противодействат на съпротивлението, което се генерира надолу (тегло).

Тоест мощността на двигателя позволява на самолета да достигне определена скорост, но именно крилата, поради своята особена форма, генерират достатъчно сила, за да противодействат на теглото на самолета и неговите обитатели (около 100 тона). В крайна сметка, за да може въздухоплавателното средство да остане във въздуха, трябва да се създаде перфектен баланс между четири сили, изправени една срещу друга (вдигане на тежести и издърпване). Когато настъпи това равновесие, самолетът влиза в круизната фаза.

Типичното традиционно обяснение е Теорема на Бернули, холандско-швейцарски математик, статистик, физик и лекар, живял през 18 век. Според това обяснение, въздушните молекули, когато се срещат с крилото, са принудени да се разделят. Поради формата на крилото (по-дебело и заоблено отпред), молекулите, пътуващи по крилото, за да се срещнат отново с молекулите, пътуващи по дъното, трябва да изминат същото разстояние за по-кратко време, което увеличава скорост. Според закона на Бернули, колкото по-висока е скоростта, толкова по-ниско е налягането, което означава, че имаме зона с ниско налягане на крилото и зона с високо налягане под него, което кара крилото нагоре.

Теоремата на Бернули обаче придава твърде голямо значение на кривината на крилото и положението на равнината., пренебрегвайки, че има самолети, способни да летят с напълно плоски крила, а също така да се завъртат на 180 градуса по време на полет и да останат във въздуха. В допълнение, многобройни разследвания показват, че въздухът, който пътува над крилото на самолета, достига края на крилото преди въздуха, който пътува под крилото, и не се среща отново с тази секунда.

„Теорията на Бернули се разпространява от невежество, като се има предвид необходимостта да се даде просто обяснение на първите полети със самолет през 1903 г.“, обяснява той. Карлос Санмигел, доктор по механика на флуидите от Университета Карлос III в Мадрид. „Аеродинамиката на самолетите беше научена чрез процес на опити и грешки, тъй като нейното раждане беше преди развитието на официална теория и нямаше уравнения, които позволяват изчисления в предварителната фаза. Като цяло производството на самолети винаги е било много емпирично. Самолетът на братя Райт беше нестабилен самолет ”, добавя Карлос.

Законите на Нютон за движение, преформулирани за поведението на течности, те са друго от традиционните обяснения на лифта. Според принципа на действие и реакция всяко действие съответства на противоположно действие. По същия начин, по който чаша вода упражнява сила надолу, която се противодейства от възходящата сила, упражнявана от масата, която я поддържа, в случай на авиация крилото изтласква въздуха надолу, което от своя страна генерира тяга на крилото нагоре (повдигане) и назад (плъзгане).

Въпреки че тази теория е приложима за всички видове крила, независимо от тяхната форма и кривина, и предлага обяснение за обърнат полет, тя също Трудно е да се обясни защо дори на напълно плоски крила се генерира зона с ниско налягане в горната част на крилото. Карлос потвърждава, че законите на Нютон сами по себе си също представляват проблеми като обяснение.

В крайна сметка теориите на Бернули и Нютон те предшестват първите изпитания на самолети и просто са преформулирани след първия в историята полет с двигател от братя Райт през 1903 г.. И единият, и другият не са знаели, че техните теории ще играят съществена роля в принципите на въздухоплаването. И въпреки видимите им ограничения, достатъчно е да потърсите някои блогове за популяризиране и съответните им раздели за коментари, за да потвърдите, че днес все още съществува известна дихотомия между двете теореми (сякаш те са по-скоро противоречиви, отколкото допълващи) и има все още кой ги защитава зъбите и ноктите.

Правилното обяснение или това, което ни казват в авиационната кариера

Точно, най-правилното обяснение в очите на научната общност (или по-скоро, този с най-малко несъответствия) е комбинация от двете теории. Това обяснение комбинира принципа на действие и реакция на Нютон (самолетът лети, защото отклонява голямо количество въздух надолу) и теоремата на Бернули (съществуването на разлика в налягането между горната и долната част), но въвежда нов елемент, който обединява и двете теории: ъгълът на атака или наклон на крилото по отношение на въздуха, който достига до него отпред.

Ъгълът на атака на крилото е тясно свързан с вискозитета, свойство на въздуха, което не се обмисля от традиционните теории. Вискозитетът кара въздуха да се „прилепва” към формата на крилото (ефект на Коанда) и да се придържа към него като слой, докато достигне задния ръб на крилото. Това е това, което е известно като граничен слой и точно това е изследователското поле на д-р Карлос Санмигел, който също завърши тезата си по експериментална аеродинамика.

По този начин, когато наклонът на крилото надвишава определен ъгъл, силата, генерирана от вискозитета, не е достатъчна за слоевете въздух да продължат да се придържат към горната част на крилото и повдигането се губи. Тази теория обяснява и обърнат полет; когато самолетът се завърти на 180 градуса и е обърнат, ъгълът на атака все още е налице, но в обратен ход, генерирайки отрицателно повдигане.

Карлос от своя страна предпочита да го обясни чрез уравненията на Ойлер или какво е същото, законите на Нютон, съчетани със запазването на масата и енергията. „Ключът не е в конструкцията на крилото, а в поведението на въздуха около него“, утвърждава Карлос. „Въздухът се отклонява около крилото по същия начин, както при всяко друго препятствие, било то кола, вятърна турбина или хълм“.

Математика или защо нямаме нужда от „логично“ обяснение

Както споменахме в началото, тези теории са просто начин за осмисляне на математическия език, често твърде абстрактен и неуловим. въпреки това, математическите формули сами по себе си позволяват производството на напълно жизнеспособни самолети от 1940 г. насам.

По-конкретно, работи с сложните уравнения на Навие-Стокс, които позволяват много точно да се изчисли движението на флуид, без да се налага да се прибягва до тестове във вятърни тунели или други пълномащабни експерименти. Разбира се, тяхната сложност е такава, че все още не сме успели да ги разрешим аналитично (всъщност се предлагат повече от 810 000 евро на човека, който най-накрая успява да ги реши на хартия), с което те позволяват само приблизителни изчисления.

"Не можем да ги разрешим аналитично; са извън обсега ни”, Обяснява Карлос. „За да се даде точно решение на уравненията на Навие-Стокс, приложени към реални проблеми, биха били необходими суперкомпютри (като MareNostrum, в Барселона) и процеси за изчисляване на месец и месец“. Полето, което се занимава с намирането на решения за уравненията на Навие-Стокс чрез компютърни симулации, е това, което е известно като изчислителна механика на флуидите. "От 30 години те казват, че ще дойде денят, когато суперкомпютрите могат да решат уравненията на Навие-Стокс, и експерименталната фаза може да бъде напълно отхвърлена, тъй като е много скъпа “, пояснява Карлос. Предвид сложността на уравненията на Навие-Сток се прилагат опростявания или модели, които облекчават процеса на изчисление и позволяват получаване на приблизителни решения за движение на въздуха в реални случаи.

За нас е ясно, че и до днес, не е възможно да се проектира самолет, като се използват само уравнения и числени симулации, по-скоро са необходими експерименти. Карлос обаче е оптимист и вярва, че ще дойде денят, когато напредъкът в изчислителните и експерименталните техники позволяват по-добро разбиране на явленията зад уравненията на Навие-Стокс и могат да се направят модели, които могат да предскажат поведението на въздуха. образуване на вихри и вихри. „Напредъкът в цифровата фотография вече позволява изчисляването на движението на въздуха от обикновена снимка“, обяснява инженерът, позовавайки се на следното изображение на техниката на скоростната снимка на частици (PIV).

В обобщение, дебатът относно произхода на лифта или силата, която позволява на самолета да се издигне по време на излитане, е не друг, а дебатът, който обгражда научното разпространение като цяло; Наистина ли е възможно да се излезе с просто, разбираемо и логично обяснение, което може да бъде включено в учебниците за средните училища, без това да води до опростяване, което парадоксално обезсилва обяснението?

Карлос споделя същото съмнение. „Проблемът се опитва да обясни много сложен феномен по много прост начин. На смъртното си легло физикът Вернер Хайзенберг каза, че първото нещо, което ще поиска от Бога, е обяснението на относителността и турбулентността и че той очаква да получи отговор само за първото ", заключава той.