Střed tlaku (mechanika tekutin) - Center of pressure (fluid mechanics)

Pro střed tlaku v pozemské lokomoci viz střed tlaku (pozemní lokomoce).

The střed tlaku je bod, kde je celkový součet a tlak pole působí na tělo a způsobí a platnost jednat skrz tento bod. Celkový vektor síly působící ve středu tlaku je hodnota integrovaného vektorového tlakového pole. Výsledná síla a střed tlakového pole vytvářejí na těle ekvivalentní sílu a moment jako původní tlakové pole. Tlaková pole se vyskytují ve statické i dynamické mechanice tekutin. Specifikace středu tlaku, referenčního bodu, od kterého je odkazován na střed tlaku, a přidruženého vektoru síly umožňuje vypočítat moment generovaný kolem libovolného bodu pomocí překladu z referenčního bodu do požadovaného nového bodu. Je běžné, že střed tlaku je umístěn na těle, ale v tekutinových tocích je možné, že tlakové pole působí okamžik na těle takového rozsahu, že střed tlaku je umístěn mimo tělo.[1]

Hydrostatický příklad (přehrada)

Protože vodní síly na přehradě jsou hydrostatický síly se mění lineárně s hloubkou. Celková síla na hrázi je pak integrálem tlaku vynásobeného šířkou hráze v závislosti na hloubce. Střed tlaku je umístěn na těžiště tlakového pole trojúhelníkového tvaru z horní části vodovodu. Hydrostatická síla a klopný moment na přehradě v určitém bodě lze vypočítat z celkové síly a místa tlaku ve vztahu k bodu zájmu.

Historické využití plachetnic

Střed tlaku se používá v plachetnice design představující pozici na a plachta Kde aerodynamická síla je koncentrovaný.

Vztah aerodynamického středu tlaku na plachty k hydrodynamickému středu tlaku (označovanému jako centrum bočního odporu ) na trupu určuje chování lodi ve větru. Toto chování je známé jako „kormidlo“ a je buď a počasí kormidlo nebo závětří. Někteří námořníci považují mírné množství kormidla počasí za žádoucí, a to jak z hlediska „pocitu“ kormidla, tak z hlediska tendence člunu k mírnému navíjení směrem k větru v silnějších nárazech stočení plachet. Ostatní námořníci nesouhlasí a upřednostňují neutrální kormidlo.

Základní příčinou „kormidla“, ať už je to počasí nebo závětří, je vztah střediska tlaku plánu plachty ke středu bočního odporu trupu. Pokud je střed tlaku na zádi od středu bočního odporu, což je povětrnostní přilba, má tendence plavidla chtít se proměnit ve vítr.

Pokud se situace obrátí, se středem tlaku dopředu od středu bočního odporu trupu vznikne „závětrná“ kormidla, která je obecně považována za nežádoucí, ne-li nebezpečnou. Příliš mnoho z obou kormidel není dobré, protože nutí kormidelníka držet kormidlo vychýlené, aby mu čelilo, což vyvolává další odpor nad to, co by zažila loď s neutrálním nebo minimálním kormidlem.[2]

Aerodynamika letadla

Stabilní konfigurace je žádoucí nejen v plachtění, ale také v letadlo design také. Konstrukce letadla si proto vypůjčila termín centrum tlaku. A jako plachta tuhá nesymetrická profil křídla produkuje nejen výtah, ale a okamžik.Tlak středu letadla je bod, ve kterém může být celé pole aerodynamického tlaku reprezentováno jediným vektorem síly bez okamžiku.[3][4] Podobný nápad je aerodynamický střed což je bod na profil křídla Kde moment nadhazování produkované aerodynamickými silami je konstantní s úhel útoku.[5][6][7]

The aerodynamický střed hraje důležitou roli při analýze podélná statická stabilita všech létajících strojů. Je žádoucí, aby při narušení úhlu náklonu a úhlu náběhu letadla (např střih větru / vertikální poryv), že se letadlo vrátí do původního upraveného úhlu sklonu a úhel útoku bez pilota nebo autopilot změna vychýlení řídicí plochy. Aby se letadlo mohlo vrátit do své oříznuté polohy, bez zásahu pilota nebo autopilota musí mít kladnou hodnotu podélná statická stabilita.[8]

Aerodynamika raket

Rakety obvykle nemají preferovanou rovinu nebo směr manévru, a proto mají symetrické profily křídel. Protože střed tlaku pro symetrické profily křídel je relativně konstantní pro malý úhel náběhu, inženýři raket obvykle mluví o úplném středu tlaku celého vozidla pro analýzu stability a kontroly. V raketové analýze je střed tlaku typicky definován jako střed přídavného tlakového pole v důsledku změny úhlu útoku mimo upravený úhel útoku.[9]

U neřízených raket je poloha trimu obvykle nulový úhel náběhu a střed tlaku je definován jako střed tlaku výsledného tokového pole na celé vozidlo vyplývající z velmi malého úhlu náběhu (tj. Střed tlaku je limit, protože úhel útoku klesá na nulu). Pro pozitivní stabilitu raket musí být celkový střed tlaku vozidla definovaný výše uveden dále od přídě vozidla než centrum gravitace. V raketách s nižšími úhly útoku jsou příspěvkům do středu tlaku dominovány nos, křídla a ploutve. Normalizovaný normální síla derivační koeficient vzhledem k úhlu náběhu každé složky vynásobený polohou středu tlaku lze použít k výpočtu těžiště představujícího celkový střed tlaku. Střed tlaku přidaného pole toku je za těžištěm a přídavná síla „směřuje“ ve směru přidaného úhlu náběhu; tím vznikne okamžik, který zatlačí vozidlo zpět do upravené polohy.

V řízených střelách, kde lze ploutvemi pohybovat za účelem ořezávání vozidel v různých úhlech náběhu, je středem tlaku střed tlaku proudového pole v tomto úhlu náběhu pro nezměněnou polohu žeber. Toto je střed tlaku jakékoli malé změny úhlu náběhu (jak je definováno výše). Pro pozitivní statickou stabilitu tato definice středu tlaku opět vyžaduje, aby střed tlaku byl dále od nosu než od těžiště. Tím je zajištěno, že jakékoli zvýšené síly vyplývající ze zvětšeného úhlu útoku povedou ke zvýšenému obnovovacímu momentu k návratu střely do oříznuté polohy. V analýze raket znamená pozitivní statická rezerva, že celé vozidlo udělá moment obnovy pro jakýkoli úhel útoku z upravené polohy.

Pohyb těžiště pro aerodynamická pole

Střed tlaku na symetrickém profil křídla obvykle leží blízko 25% délky akordu za přední hranou profilu křídla. (Tomu se říká „čtvrtkordový bod“.) Pro symetrický profil křídla, as úhel útoku a koeficient zdvihu změna, střed tlaku se nepohybuje. Zůstává kolem čtvrtkordového bodu pro úhly útoku pod zastavovacím úhlem útoku. Úloha těžiště tlaku v charakterizaci řízení má jinou formu než v raketách.

Na vyklenutý profil křídla střed tlaku nezabírá pevné místo.[10] U konvenčně vyklenutého profilu křídla leží střed tlaku maximálně trochu za čtvrtkordovým bodem koeficient zdvihu (velký úhel útoku ), ale s klesajícím koeficientem zdvihu (zmenšuje se úhel náběhu) se střed tlaku pohybuje dozadu.[11] Když je koeficient zdvihu nula, profil křídla nevytváří žádný vztlak, ale konvenčně vyklenutý profil křídla vytváří úhel sklonu nosu dolů, takže umístění středu tlaku je nekonečná vzdálenost za profilem křídla.

Pro reflexně vyklenutý profil křídla, střed tlaku leží maximálně trochu před čtvrtkordovým bodem koeficient zdvihu (velký úhel útoku ), ale s klesajícím koeficientem zdvihu (zmenšuje se úhel náběhu) se střed tlaku pohybuje vpřed. Když je koeficient zdvihu nula, profil křídla nevytváří žádný vztlak, ale profil křídla s odkloněným reflexem generuje stoupající moment nosu, takže umístění středu tlaku je nekonečná vzdálenost před profilem křídla. Tento směr pohybu středu tlaku na profilu křídla s reflexní klenbou má stabilizační účinek.

Způsob, jakým se střed tlaku pohybuje při změně koeficientu zdvihu, ztěžuje použití středu tlaku v matematické analýze podélná statická stabilita letadla. Z tohoto důvodu je mnohem jednodušší používat aerodynamický střed při provádění matematické analýzy. Aerodynamický střed zaujímá pevné místo na profilu křídla, obvykle v blízkosti čtvrtkordového bodu.

Aerodynamický střed je koncepčním výchozím bodem pro podélnou stabilitu. The horizontální stabilizátor přispívá k větší stabilitě, což umožňuje, aby těžiště bylo na malou vzdálenost za aerodynamickým středem, aniž by letadlo dosáhlo neutrální stability. Poloha těžiště, ve kterém má letadlo neutrální stabilitu, se nazývá neutrální bod.

Viz také

Poznámky

  1. ^ Stabilita a řízení letadla Flightwise Volume 2, Christopher Carpenter 1997, ISBN  1 85310 870 7, str.75
  2. ^ Marchaj, C.A. (1985). Teorie a praxe plavby, přepracované vydání. Putnam. ISBN  978-0-396-08428-0
  3. ^ Clancy, L.J., Aerodynamika, Oddíl 5.3
  4. ^ Anderson, John D., Výkon a design letadla, Oddíl 2.3
  5. ^ Preston, Ray (2006). "Aerodynamické centrum". Text aerodynamiky. Selkirk College. Archivovány od originál dne 2006-02-21. Citováno 2006-04-01.
  6. ^ Clancy, L.J., Aerodynamika, Oddíl 5.10
  7. ^ Anderson, John D., Výkon a design letadla, Oddíl 2.5
  8. ^ Clancy, L.J., Aerodynamika, Oddíly 16.1 a 16.2
  9. ^ Moore, F.G., Přibližné metody pro aerodynamiku zbraní, AIAA Progress in Astronatuics and Aeronautics, svazek 186
  10. ^ Clancy, L.J., Aerodynamika, Oddíl 5.6
  11. ^ Clancy, L.J., Aerodynamika, Oddíl 5.11

Reference

  • Hurt, Hugh H., Jr. (leden 1965). Aerodynamika pro námořní piloty. Washington, D.C .: Naval Air Systems Command, námořnictvo Spojených států. s. 16–21. NAVWEPS 00-80T-80.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  • Smith, Hubert (1992). Ilustrovaný průvodce aerodynamikou (2. vyd.). New York: TAB Books. str.24–27. ISBN  0-8306-3901-2.
  • Anderson, John D. (1999), Výkon a design letadla, McGraw-Hill. ISBN  0-07-116010-8
  • Clancy, L.J. (1975), Aerodynamika, Pitman Publishing Limited, Londýn. ISBN  0-273-01120-0