Flygning - Flight

Fly eller fly er prosessen der et objekt beveger seg gjennom et rom uten å komme i kontakt med noen planetoverflate , enten i en atmosfære (dvs. luftfart eller luftfart ) eller gjennom vakuumet i det ytre rom (dvs. romfart ). Dette kan oppnås ved å generere aerodynamisk løft assosiert med glidende eller fremdriftskraft , aerostatisk bruk av oppdrift eller ved ballistisk bevegelse.

Mange ting kan fly, fra dyreflygere som fugler , flaggermus og insekter , til naturlige seilfly/fallskjermhoppere som patagiale dyr, anemokorøse frø og ballistosporer , til menneskelige oppfinnelser som fly ( fly , helikoptre , luftskip , ballonger , etc.) og raketter som kan drive romskip og romfartøy .

De ingeniørmessige aspektene ved flyging er området for romfartsteknikk som er delt inn i luftfart , studiet av kjøretøyer som beveger seg gjennom atmosfæren, og astronautikk , studiet av kjøretøyer som reiser gjennom verdensrommet og ballistikk , studiet av fly av prosjektiler.

Flytyper

Flytende flytur

Mennesker har klart å konstruere lettere enn luftbiler som reiser seg fra bakken og flyr på grunn av deres oppdrift i luften.

En aerostat er et system som hovedsakelig forblir høyt gjennom bruk av oppdrift for å gi et fly den samme totale tettheten som luft. Aerostater inkluderer gratis ballonger , luftskip og fortøyde ballonger . En aerostats viktigste strukturelle komponent er dens konvolutt , en lett hud som omslutter et volum løftegass for å gi oppdrift , som andre komponenter er festet til.

Aerostater er så navngitt fordi de bruker "aerostatisk" løft, en oppdriftskraft som ikke krever sidebevegelse gjennom luftmassen rundt for å utføre en løftekraft. Derimot bruker aerodyner først og fremst aerodynamisk løft , noe som krever sidebevegelse av minst en del av flyet gjennom luftmassen rundt.

Aerodynamisk flytur

Ikke -drevet fly mot drevet fly

Noen ting som flyr genererer ikke fremdriftskraft gjennom luften, for eksempel flygende ekorn . Dette kalles gliding . Noen andre ting kan utnytte stigende luft til å klatre som rovfugler (når du glir) og menneskeskapte seilflyglider . Dette kalles svevende . Imidlertid trenger de fleste andre fugler og alle motorfly en kilde til fremdrift for å klatre. Dette kalles drevet fly.

Dyreflykt

De eneste gruppene av levende ting som bruker flyging er fugler , insekter og flaggermus , mens mange grupper har utviklet seg med glid. De utdøde pterosaurene , en rekkefølge av reptiler samtidig med dinosaurene , var også svært vellykkede flygende dyr. Hver av disse gruppers vinger utviklet seg uavhengig , med insekter den første dyregruppen som utviklet flukt. Vingene til de flygende virveldyrgruppene er alle basert på forelemmene, men avviker vesentlig i struktur; insekter antas å være sterkt modifiserte versjoner av strukturer som danner gjeller i de fleste andre grupper leddyr .

Flaggermus er de eneste pattedyrene som er i stand til å opprettholde nivåflyging (se flaggermusflukt ). Imidlertid er det flere glidende pattedyr som er i stand til å glide fra tre til tre ved å bruke kjøttfulle membraner mellom lemmene; noen kan reise hundrevis av meter på denne måten med svært lite tap i høyden. Flygende frosker bruker sterkt forstørrede webbedføtter til et lignende formål, og det er flygende øgler som bretter ut sine mobile ribber til et par flate glideflater. "Flygende" slanger bruker også mobile ribber for å flate kroppen til en aerodynamisk form, med en frem og tilbake bevegelse omtrent som den bruker på bakken.

Flygende fisk kan gli ved hjelp av forstørrede vinglignende finner, og har blitt observert svevende i hundrevis av meter. Det antas at denne evnen ble valgt av naturlig seleksjon fordi den var et effektivt middel for rømning fra undersjøiske rovdyr. Den lengste registrerte flyvningen til en flygende fisk var 45 sekunder.

De fleste fugler flyr ( se fugleflukt ), med noen unntak. De største fuglene, strutsen og emuen , er jordbundne flygeløse fugler , i likhet med de nå utdødde dodos og Phorusrhacids , som var de dominerende rovdyrene i Sør-Amerika i Cenozoic- tiden. De ikke-flygende pingvinene har vinger tilpasset bruk under vann og bruker de samme vingebevegelsene for svømming som de fleste andre fugler bruker til flyging. De fleste små flygeløse fugler er innfødte til små øyer, og lever en livsstil der fly vil gi liten fordel.

Blant levende dyr som flyr har den vandrende albatrossen det største vingespennet, opptil 3,5 meter (11 fot); den store tappen har den største vekten, toppet med 21 kilo (46 pund).

De fleste insektarter kan fly som voksne. Insektflyging gjør bruk av en av to grunnleggende aerodynamiske modeller: å lage en ledende virvel, som finnes hos de fleste insekter, og ved å bruke klapp og fling , funnet i svært små insekter som for eksempel trips .

Mekanisk

Mekanisk flyging er bruk av en maskin for å fly. Disse maskinene inkluderer fly som fly , seilfly , helikoptre , autogyros , luftskip , ballonger , ornithopters samt romfartøy . Seilfly er i stand til å fly uten strøm. En annen form for mekanisk flyging er paraseiling, der et fallskjermlignende objekt trekkes av en båt. I et fly skapes heis av vingene; formen på vingene på flyet er designet spesielt for ønsket type flytur. Det er forskjellige typer vinger: herdet, halvt temperert, sveipet, rektangulært og elliptisk. En flyvinge kalles noen ganger en flygel , som er en enhet som skaper løft når luft strømmer over den.

Supersonisk

Supersonisk flytur flyr raskere enn lydens hastighet . Supersonisk flukt er forbundet med dannelse av sjokkbølger som danner en lydbom som kan høres fra bakken, og er ofte oppsiktsvekkende. Denne sjokkbølgen tar ganske mye energi å lage, og dette gjør supersonisk flytur generelt mindre effektiv enn subsonisk flyging med omtrent 85% av lydens hastighet.

Hypersonisk

Hypersonisk flyging er veldig høyhastighetsflyging der varmen som genereres ved komprimering av luften på grunn av bevegelsen gjennom luften forårsaker kjemiske endringer i luften. Hypersonisk flytur oppnås ved å gå inn i romfartøyer som romfergen og Soyuz .

Ballistisk

Stemningsfullt

Noen ting genererer lite eller ingen løft og bevegelse bare eller mest under påvirkning av momentum, tyngdekraft, luftmotstand og i noen tilfeller skyvekraft. Dette kalles ballistisk flukt . Eksempler inkluderer baller , piler , kuler , fyrverkeri etc.

Romferd

I hovedsak en ekstrem form for ballistisk flyging, er romfart bruk av romteknologi for å oppnå fly av romskip til og gjennom verdensrommet . Eksempler inkluderer ballistiske missiler , orbital romfart , etc.

Romfart brukes i romforskning , og også i kommersielle aktiviteter som romturisme og satellitttelekommunikasjon . Ytterligere ikke-kommersiell bruk av romfart inkluderer romobservatorier , rekognoseringssatellitter og andre jordobservasjonssatellitter .

En romfart begynner vanligvis med en rakettoppskytning , som gir den første skyvekraften for å overvinne tyngdekraften og driver romskipet fra overflaten av jorden. Når det er i verdensrommet, er bevegelsen til et romfartøy - både når det ikke er kjørt og under fremdrift - dekket av studieområdet kalt astrodynamikk . Noen romfartøy forblir i rommet på ubestemt tid, noen går i oppløsning under atmosfærisk reentry , og andre når en planetarisk eller måneoverflate for landing eller påvirkning.

Solid-state fremdrift

I 2018 klarte forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) å fly et fly uten bevegelige deler, drevet av en " ionisk vind", også kjent som elektroaerodynamisk skyvekraft.

Historie

Mange menneskelige kulturer har bygget enheter som flyr, fra de tidligste prosjektilene som steiner og spyd, boomerangen i Australia , varmluften Kongming -lykt og drager .

Luftfart

George Cayley studerte fly vitenskapelig i første halvdel av 1800 -tallet, og i andre halvdel av 1800 -tallet foretok Otto Lilienthal over 200 flyfly og var også en av de første som forsto fly vitenskapelig. Arbeidet hans ble gjentatt og utvidet av Wright -brødrene som foretok glidefly og til slutt de første kontrollerte og utvidede, bemannede flyreiser.

Romferd

Romfart, spesielt menneskelig romfart ble en realitet på 1900 -tallet etter teoretiske og praktiske gjennombrudd av Konstantin Tsiolkovsky og Robert H. Goddard . Den første romfart i orbital var i 1957, og Yuri Gagarin ble fraktet ombord på den første bemannede romfartsturen i 1961.

Fysikk

Det er forskjellige måter å fly. Hvis et objekt har en lavere tetthet enn luft, er det flytende og kan flyte i luften uten å bruke energi. Et tyngre enn luftfartøy , kjent som en aerodyne , inkluderer flyktede dyr og insekter, fastvingede fly og rotorfly . Fordi fartøyet er tyngre enn luft, må det generere løft for å overvinne vekten . Vindmotstanden forårsaket av fartøyet som beveger seg gjennom luften kalles drag og blir overvunnet av fremdriftskraft, bortsett fra ved glid .

Noen biler bruker også skyvekraft for fly, for eksempel raketter og Harrier Jump Jets .

Til slutt dominerer momentum flukten av ballistiske flygende objekter.

Krefter

Styrker som er relevante for flyging er

• Fremdriftskraft (unntatt i seilfly)
• Løft , skapt av reaksjonen på en luftstrøm
• Drag , skapt av aerodynamisk friksjon
• Vekt , skapt av tyngdekraften
• Oppdrift , for lettere flyturer

Disse kreftene må balanseres for at stabil flyging skal skje.

Fremstøt

Et fastvinget fly genererer fremdrift når luft skyves i motsatt retning av flyging. Dette kan gjøres på flere måter, blant annet ved å snurre bladene til en propell , eller en roterende vifte som skyver luft ut fra baksiden av en jetmotor , eller ved å kaste ut varme gasser fra en rakettmotor . Fremoverkraften er proporsjonal med massen av luftstrømmen multiplisert med forskjellen i hastigheten til luftstrømmen. Omvendt skyvekraft kan genereres for å hjelpe til med å bremse etter landing ved å reversere stigningen på propellbladene med variabel stigning, eller ved å bruke en skyvekraft reverser på en jetmotor. Roterende vingefly og skyvevektorer V/STOL -fly bruker motorkraft for å støtte flyets vekt, og vektorsummen av denne skyvekraften foran og bak for å kontrollere hastigheten fremover.

Løfte

I sammenheng med en luftstrøm i forhold til et flygende legeme, at heisen er kraft -komponenten av den aerodynamiske kraft som er perpendikulær til strømningsretningen. Aerodynamisk løft resulterer når vingen får den omkringliggende luften til å bli avbøyd - luften forårsaker deretter en kraft på vingen i motsatt retning, i samsvar med Newtons tredje bevegelseslov .

Heis er vanligvis forbundet med vingen på et fly , selv om løft også genereres av rotorer på rotorfly (som effektivt roterer vinger, og utfører samme funksjon uten at det kreves at flyet beveger seg fremover gjennom luften). Mens vanlige betydninger av ordet " løft " antyder at løft er mot tyngdekraften, kan aerodynamisk løft være i alle retninger. Når et fly for eksempel cruiser , står heis mot tyngdekraften, men løft skjer i en vinkel når du klatrer, synker eller banker. På høyhastighetsbiler rettes løftekraften nedover (kalt "nedkraft") for å holde bilen stabil på veien.

Dra

For et fast objekt som beveger seg gjennom en væske, er draget komponenten i netto aerodynamisk eller hydrodynamisk kraft som virker motsatt bevegelsesretningen. Derfor motsetter drag mot bevegelsen til objektet, og i et kjøretøy som er drevet må det overvinnes av skyvekraft . Prosessen som skaper løft forårsaker også noe drag.

Løft-til-dra-forhold

Aerodynamisk løft skapes ved bevegelse av et aerodynamisk objekt (vinge) gjennom luften, som på grunn av formen og vinkelen avleder luften. For vedvarende rett og jevn flyging må løft være lik og motsatt vekt. Generelt kan lange smale vinger avlede en stor mengde luft ved lav hastighet, mens mindre vinger trenger en høyere hastighet fremover for å avlede en tilsvarende mengde luft og dermed generere en tilsvarende mengde løft. Store lastefly har en tendens til å bruke lengre vinger med høyere angrepsvinkler, mens supersoniske fly har en tendens til å ha korte vinger og er avhengige av høy hastighet fremover for å generere løft.

Imidlertid forårsaker denne løftingsprosessen (avbøyning) uunngåelig en forsinkende kraft som kalles drag. Fordi løft og drag begge er aerodynamiske krefter, er forholdet mellom løft og drag en indikasjon på flyets aerodynamiske effektivitet. Forholdet mellom løft og dra er L/D -forholdet, uttales "L over D -forhold." Et fly har et høyt L/D -forhold hvis det produserer en stor mengde løft eller en liten mengde dra. Løfte/dra -forholdet bestemmes ved å dele løftekoeffisienten med drag -koeffisienten, CL/CD.

Løftekoeffisienten Cl er lik løftet L dividert med (tetthet r ganger halv hastighet V i kvadrat ganger vingeområdet A). [Cl = L / (A * .5 * r * V^2)] Heisskoeffisienten påvirkes også av luftens komprimerbarhet, som er mye større ved høyere hastigheter, så hastighet V er ikke en lineær funksjon. Kompressibiliteten påvirkes også av formen på flyoverflatene.

Dragkoeffisienten Cd er lik drag D delt med (tetthet r ganger halve hastigheten V i kvadrat ganger referanseområdet A). [Cd = D / (A * .5 * r * V^2)]

Løfte-til-dra-forholdet for praktiske fly varierer fra omtrent 4: 1 for kjøretøyer og fugler med relativt korte vinger, opptil 60: 1 eller mer for kjøretøyer med veldig lange vinger, for eksempel seilfly. En større angrepsvinkel i forhold til bevegelsen fremover øker også nedbøyningsgraden, og genererer dermed ekstra løft. Imidlertid genererer en større angrepsvinkel også ekstra drag.

Løfte/dra -forholdet bestemmer også glideforholdet og glideområdet. Siden glideforholdet bare er basert på forholdet mellom aerodynamiske krefter som virker på flyet, vil ikke flyets vekt påvirke det. Den eneste effekten vekten har er å variere tiden flyet vil gli etter - et tyngre fly som glir med høyere lufthastighet kommer til det samme berøringspunktet på kortere tid.

Oppdrift

Lufttrykket som virker mot et objekt i luften er større enn trykket over å presse ned. Oppdriften er i begge tilfeller lik vekten av forskjøvet væske - Archimedes 'prinsipp gjelder for luft akkurat som for vann.

En kubikkmeter luft ved vanlig atmosfærisk trykk og romtemperatur har en masse på omtrent 1,2 kilo, så vekten er omtrent 12 newton . Derfor blir ethvert objekt på 1 kubikkmeter i luft oppblåst med en kraft på 12 newton. Hvis massen til objektet på 1 kubikkmeter er større enn 1,2 kilo (slik at vekten er større enn 12 newton), faller det til bakken når det slippes. Hvis et objekt av denne størrelsen har en masse mindre enn 1,2 kilo, stiger det opp i luften. Ethvert objekt som har en masse som er mindre enn massen til et likt volum luft vil stige i luften - med andre ord vil ethvert objekt som er mindre tett enn luft stige.

Trykk / vekt -forhold

Trykk-til-vekt-forholdet er, som navnet antyder, forholdet mellom øyeblikkelig skyvekraft og vekt (der vekt betyr vekt ved jordens standardakselerasjon ). Det er en dimensjonsløs parameter som er karakteristisk for raketter og andre jetmotorer og for kjøretøy drevet av slike motorer (typisk plass raketter og jet fly ). ${\ displaystyle g_ {0}}$

Hvis forholdet mellom skyvekraft og vekt er større enn den lokale tyngdekraften (uttrykt i g s), kan flyging skje uten at det er nødvendig med bevegelse fremover eller aerodynamisk løft.

Hvis skyve-til-vekt-forholdet ganger løft-til-drag-forholdet er større enn lokal tyngdekraft, er det mulig å ta av med aerodynamisk løft.

Flydynamikk

Flydynamikk er vitenskapen om luft- og romfartøyets orientering og kontroll i tre dimensjoner. De tre kritiske parametere for flygedynamikk er rotasjonsvinklene i tre dimensjoner rundt kjøretøyets massesenter , kjent som pitch , roll and yaw (Se Tait-Bryan-rotasjoner for en forklaring).

Kontrollen av disse dimensjonene kan innebære en horisontal stabilisator (dvs. "en hale"), aileroner og andre bevegelige aerodynamiske anordninger som styrer vinkelstabilitet, dvs. flyholdning (som igjen påvirker høyde , kurs ). Vinger er ofte vinklet litt oppover- de har "positiv dihedral vinkel " som gir iboende rullestabilisering.

Energieffektivitet

For å skape skyvekraft for å få høyde, og for å presse gjennom luften for å overvinne motstanden forbundet med løft, tar alt energi. Ulike objekter og skapninger som er i stand til å fly, varierer i effektiviteten til musklene, motorene og hvor godt dette oversettes til fremdrift.

Fremdriftseffektivitet bestemmer hvor mye energi kjøretøyer genererer fra en drivstoffenhet.

Område

Rekkevidden som drevne flyartikler kan oppnå, er til syvende og sist begrenset av motstanden, samt hvor mye energi de kan lagre ombord og hvor effektivt de kan gjøre den energien til fremdrift.

For drevne fly bestemmes nyttig energi av drivstofffraksjonen deres - hvor stor prosentandel av startvekten er drivstoff, så vel som den spesifikke energien til drivstoffet som brukes.

Effekt / vekt-forhold

Alle dyr og enheter som er i stand til vedvarende flyging trenger relativt høye effekt/vekt-forhold for å kunne generere nok løft og/eller skyvekraft for å oppnå start.

Start og landing

Kjøretøyer som kan fly kan ha forskjellige måter å starte og lande på . Konvensjonelle fly akselererer langs bakken til tilstrekkelig løft genereres for start , og reverserer prosessen for landing . Noen fly kan ta av med lav hastighet; dette kalles en kort start. Noen fly som helikoptre og Harrier jump jetfly kan ta av og lande vertikalt. Raketter tar også vanligvis av og lander vertikalt, men noen design kan lande horisontalt.

Veiledning, navigasjon og kontroll

Navigasjon

Navigasjon er systemene som er nødvendige for å beregne nåværende posisjon (f.eks. Kompass , GPS , LORAN , stjernesporing , treghetsmåleenhet og høydemåler ).

I fly innebærer vellykket flynavigasjon å pilotere et fly fra sted til sted uten å gå seg vill, bryte lovene som gjelder for fly, eller sette sikkerheten til dem om bord eller på bakken i fare .

Teknikkene som brukes for navigasjon i luften vil avhenge av om flyet flyr under de visuelle flygereglene (VFR) eller instrumentflygereglene (IFR). I sistnevnte tilfelle vil piloten utelukkende navigere ved hjelp av instrumenter og radionavigasjonshjelpemidler som beacons, eller som instruert under radarkontroll av flytrafikkontroll . I VFR -saken vil en pilot i stor grad navigere ved hjelp av død regning kombinert med visuelle observasjoner (kjent som los ), med referanse til passende kart. Dette kan suppleres med radionavigasjonshjelpemidler.

Veiledning

Et styringssystem er en enhet eller gruppe av enheter som brukes i navigering av et skip , fly , rakett , rakett , satellitt eller annet objekt i bevegelse. Vanligvis er veiledning ansvarlig for beregningen av vektoren (dvs. retning, hastighet) mot et mål.

Kontroll

Et konvensjonelt flyvingekontrollsystem med fastvinget fly består av flykontrolloverflater , de respektive cockpitkontrollene, forbindelsesleddene og de nødvendige driftsmekanismene for å kontrollere et flys flyretning. Flymotorkontroller betraktes også som flykontroller da de endrer hastighet.

Trafikk

Når det gjelder fly, kontrolleres flytrafikken av lufttrafikkontrollsystemer .

Unngå kollisjon er prosessen med å kontrollere romfartøy for å prøve å forhindre kollisjoner.

Flysikkerhet

Luftsikkerhet er et begrep som omfatter teori, etterforskning og kategorisering av flyfeil , og forebygging av slike feil gjennom regulering, utdanning og opplæring. Det kan også brukes i forbindelse med kampanjer som informerer publikum om sikkerheten ved flyreiser .

Se også

• Aerodynamikk
• Levitasjon
• Transveksjon (flygende)

Referanser

Merknader

Bibliografi

Eksterne linker

Reiseguide for flyreiser fra Wikivoyage

• Pettigrew, James Bell (1911). "Fly og fly"  . Encyclopædia Britannica . 10 (11. utg.). s. 502–519. Historie og fotografier av tidlige fly etc.
• 'Birds in Flight and Airplanes' av evolusjonsbiolog og utdannet ingeniør John Maynard-Smith Freeview-video levert av Vega Science Trust.