Dlaczego samoloty latają?

Aby samolot uniósł się w powietrze musi działać siła zwrócona do góry, zwana siła nośną, która przezwycięża siłę ciężkości. Gdy samolot napędzany silnikiem porusza się z dużą prędkością to zgodnie z zasadą względności ruchu powietrze przesuwa się w przeciwną stronę. Siła nośna powstaje na skutek ruchu powietrza względem odpowiednio wyprofilowanych skrzydeł samolotu, nachylonych względem kierunku lotu pod pewnym kątem zwanym kątem natarcia. Dodatkowo skrzydła zaopatrzone są w zespół łopatek i dysz zwróconych do dołu. Na powstawanie siły nośnej ma kilka czynników.
Pierwszym i najważniejszym czynnikiem jest nachylenie skrzydeł w stosunku do opływających mas powietrza. Nacierające powietrze w wyniku działania skrzydła samolotu na powietrze zmienia swój pęd w kierunku prostopadłym do tego ruchu, ponieważ skrzydłła nachylone są do kierunku ruchu pod kątem zwanym kątem natarcia. Z uogólnionej drugiej zasady dynamiki (działająca siła jest równa szybkości zmiany pędu ciała na które ta siła działa) wynika, że skrzydło działa wtedy na powietrze pewną siłą zwróconą w dół. Wtedy zgodnie z trzecią zasadą dynamiki powietrze działa na opływane skrzydło siłą o takiej samej wartości ale przeciwnym zwrocie, co powoduje powstawanie siły nośnej. Siła ta jest bezpośrednio wynikiem ciśnień, występujących na powierzchni skrzydła. Ciśnienia te na skutek ruchu są różne dla różnych punktów tej powierzchni. Na dolnej części skrzydła ciśnienie jest większe , a na górnej mniejsze. Konstruktorzy samolotów starają się znaleźć odpowiednie kąty natarcia skrzydła na powietrze i właściwy kształt, aby zwiększyć siłę nośną, a zmniejszyć siły oporu powietrza.




Drugi czynnik związany jest z opływem powietrza z obu stron skrzydeł. Przepływające powietrze dzieli się na dwa strumienie, z których jeden przepływa nad skrzydłem samolotu, a drugi pod nim. Powietrze, które otacza skrzydło od góry przebywa dłuższą drogę, porusza się więc z większą prędkością niż powietrze opływające skrzydło z dołu.

Zgodnie z prawem Bernouliego suma ciśnienia statycznego (zwykłe ciśnienie) i dynamicznego w danej strudze płynu (cieczy lub gazu) jest stała. Ciśnienie dynamiczne zależy od prędkości płynu (jest wprost proporcjonalne do kwadratu prędkości, czyli jeśli prędkość wzrośnie dwa razy to ciśnienie dynamiczne wzrośnie cztery razy). Powietrze, które ma większą prędkość, czyli na górze skrzydła, będzie miało więc mniejsze ciśnienie statyczne, niż powietrze na dole. W związku z czym ciśnienie u dołu skrzydła napiera mocniej na skrzydło, niż ciśnienie z góry skrzydła. Szacuje się, że ten czynnik stanowi jedynie kilka procent siły potrzebnej do uniesienia współczesnych samolotów.

Jak działaja hamulce hydrauliczne?

Hamulec hydrauliczny- hamulec cierny uruchamiany za pomocą systemu hydraulicznego złożonego z pompy przewodów ciśnieniowych oraz cylindreków roboczych pzy każdym z kół.
Zapewnia równy rozkład sił hamowania bez konieczności kłopotliwej regulacji. Hamulec hydrauliczny to dwa cylindry połączone przewodem. Wciskani pedału hamulca powoduje przetłaczanie płynu hamulcowego do drugiego cylindra(zacisk) i wypychanie tłoczka co owocuje zaciskaniem się klocków na tarczy. Hamulce hydrauliczne zapewniają płynniejszą pracę w porównaniu do hamulców mechanicznych, są one jednak nieco cięższe, kosztowniejsze i bardziej podatne na uszkodzenia od mechanicznych.

Ilustracja przedstawiająca hydrauliczny hamulec tarczowy zamontowany w rowerze.

Jak działaja hamulce hydrauliczne?

Polega na przejęciu części, lub całości energii kinetycznej urządzenia i rozproszeniu jej. W układach napędowych z rekuperacją energii, energia hamowania jest przetwarzana w inną formę energii (energia elektryczna, energia hydrauliczna, lub energia mechaniczna) i składowana w odpowiednim akumulatorze do późniejszego wykorzystania.

Siła wyporu

Siła wyporu pojawia się po zanurzeniu ciała do płynu (cieczy lub gazu). Powoduje ona, że ciało zaczyna być wypychane ku górze. Siła tego wypychania pochodzi od płynu i jest związana ze zjawiskiem ciśnienia hydro- lub aerostatycznego.

Skąd się bierze siła wyporu?

Powodem powstawania siły wyporu jest fakt, że ciśnienie w płynie zmienia się wraz z głębokością – im głębiej tym większe ciśnienie.

Ponieważ jednak zanurzone ciało ma pewne rozmiary, a w szczególności pewną wysokość, to inne ciśnienie działa u góry ciała, a inne przy jego dolnej powierzchni .

Większe ciśnienie na dole niż na górze powoduje, że od dołu do góry działa także większa siła parcia. W efekcie zsumowania wektorowego większej siły do góry z mniejszą do dołu powstaje sumaryczna siła skierowana do góry. Nazywa się ona właśnie siłą wyporu.

Wartość siły wyporu

Archimedes jako pierwszy doszedł do wniosku, że siła wyporu jest równa ciężarowi wypartego płynu. Ciało wypiera tyle płynu ile wynosi objętość jego zanurzonej części. Gdy ciało jest zanurzone w całości, wtedy siła wyporu jest równa ciężarowi płynu o objętości tego ciała.

Z siłą wyporu wiąże się możliwość pływania ciał .

Przykłady działania sił wyporu

W cieczy:

	statki pływające po powierzchni – siła wyporu równoważy siłę ciężkości
	łodzie podwodne – statki te mają możliwość manewrowania siłą wyporu i siłą ciężkości, dzięki czemu są w stanie zanurzać się i wynurzać.
	ryby stosują zasady takie jak łodzie podwodne
	bąbelki pary unoszące się do góry podczas wrzenia są znacznie lżejsze od wody, więc wypływają na powierzchnię
	lód jest lżejszy od wody, więc unosi się na jej powierzchni
	kamienie leżące na dnie morza oczywiście też podlegają działaniu siły wyporu. Jednak ich ciężar jest duży, więc ostatecznie przeważa i powoduje, że kamienie te nie wypływają .

Większość obiektów swobodnie pływających w wodzie ma ciężar właściwy zbliżony do ciężaru wody. Dzięki temu mogą one łatwo manewrować swoją pływalnością - wynurzać się lub zanurzać głębiej.

W gazie:

	balony, sterowce – manewrując ciężarem (balast) lub wartością siły wyporu (wypuszczanie gazu nośnego, lub zmiana jego ciężaru właściwego za pomocą podgrzewania)
	bańki mydlane zawierające ogrzane powietrze z płuc początkowo unoszą się do góry (chyba, że otaczająca je powłoka z mydła jest zbyt ciężka).
	ogrzana para wodna jest lekka, więc wznosi się do góry tworząc chmury. Po oziębieniu skrapla się i nabiera ciężaru (w sensie ciężaru właściwego), co powoduje, że ostatecznie spada w postaci deszczu.

O balonach

Balonu unoszą się w powietrzu ponieważ siła wyporu na nie działająca może być większa niż siła ciężkości.

Jeśli chcemy aby balon się wznosił, musimy zwiększyć siłę wyporu (np. podgrzewając gaz w balonie), albo zmniejszyć siłę ciężkości (np. wyrzucając balast). Niestety, nie można balonem wznieść się dowolnie wysoko, ponieważ w górnych partiach atmosfery powietrze jest tak rzadkie (a więc i lekkie), że wyprodukowanie gazu od niego lżejszego staje się prawie niemożliwe (przynajmniej w tych warunkach w jakich ma funkcjonować ten gaz w powłoce balonu).

Opuszczenie balonu wymagać będzie z kolei oziębienia gazu w balonie, lub wypuszczenia części tego gazu.

Jeśli balon ma utrzymywać się na stałej wysokości należy utrzymywać wartość siły wyporu na tym samym poziomie co siła ciężkości.

Używa się dwa podstawowe typy balonów:

	zawierające gaz na stałe lżejszy od powietrza, czyli wodór lub hel
	zawierające powietrze, które jest ogrzewane za pomocą palnika. Dzięki temu ogrzewaniu powietrze rozszerza się i staje się lżejsze. Jeśli sumaryczny ciężar powłoki balonu, gazu w tej powłoce oraz ładunku będzie mniejszy od uzyskanej tak siły wyporu, wtedy balon wzniesie się w powietrze.

Pierwsza metoda tworzenia balonów latających ma tę zaletę, że nie wymaga energii do tego, aby balon pozostawał w górze. Drugi sposób z kolei daje większą kontrolę nad wznoszeniem się i opuszczaniem.

Najlżejszym gazem używanym w balonach jest wodór. Ma on jednak jedną ogromna wadę - bardzo łatwo go zapalić (wodór jest wręcz wybuchowy). Dlatego znacznie bezpieczniejszym gazem używanym do wypełniania powłoki balonu jest hel. Jest on całkowicie niepalny, jednak jest cięższy i dlatego trzeba znacznie użyć większego balonu helowego niż wodorowego, aby unieść ten sam ładunek.

Ciśnienie hydrostatyczne

Ciśnienie hydro- aerostatyczne

Ciśnienie jakie wywiera na otaczające ciała ciecz nie będąca w ruchu nazywa się ciśnieniem hydrostatycznym.
Analogiczne ciśnienie w gazie określane jest mianem ciśnienia aerostatycznego.

W przypadku obu rodzajów ciśnień - hydrostatycznego, i aerostatycznego - obserwujemy zależność wartości tego ciśnienia od głębokości:
- im większe zanurzenie, tym większe ciśnienie.

Wynika to z faktu, że mechanizmem to ciśnienie wywołującym jest nacisk (ciężar) ze strony słupa płynu położonego nad punktem pomiaru - im wyższy słup, typ większy nacisk Np. na Ziemi ciśnienie w wodzie (ciśnienie hydrostatyczne) zwiększa się co 10 m o jedną atmosferę (1 atmosfera to ok. 100 tys. paskali).
Inny wniosek z tego faktu wynikający to fakt, że ciężar słupa powietrza nad nami jest równy ciężarowi słupa wody o wysokości 10m (a jest to nie byle co, bo 10 ton wody na każdy metr kwadratowy!).

Wzór na ciśnienie hydrostatyczne

W celu obliczenia wartości ciśnienia hydrostatycznego posługujemy się wzorem: p = ρcieczy · g· h Znaczenie symboli: p – ciśnienie hydrostatyczne (w ukł. SI w paskalach Pa) g – przyspieszenie grawitacyjne (ziemskie) (w ukł. SI w m/s2). h – głębokość zanurzenia w cieczy (w ukł. SI w metrach m)

im większa głębokość tym większe ciśnienie płynu

Prawo Archimedesa

Prawo Archimedesa – podstawowe prawo hydro- i aerostatyki określające siłę wyporu. Nazwa prawa wywodzi się od jego odkrywcy Archimedesa z Syrakuz

Wersja współczesna: Na ciało zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu. Wartość siły jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła ta jest wypadkową wszystkich sił parcia płynu na ciało.

Stara wersja prawa: Ciało zanurzone w cieczy lub gazie traci pozornie na ciężarze tyle, ile waży ciecz lub gaz wyparty przez to ciało.

Legenda głosi, że król Syrakuz zwrócił się do Archimedesa, aby ten zbadał, czy korona, którą wykonał dla Hierona II pewien syrakuzański złotnik, zawiera tylko złoto, czy jest to jedynie pozłacane srebro. Archimedes długo nad tym rozmyślał, aż wreszcie pewnego razu w czasie kąpieli w wannie poczuł jak w miarę zanurzania się w wodzie ciężar jego ciała się zmniejsza. Oszołomiony swoim odkryciem, wyskoczył z wanny i z okrzykiem Eureka! (Heureka, gr. ηὕρηκα – "znalazłem") nago wybiegł na ulicę i udał się do króla. Po otrzymaniu odpowiedniej wartości dla ciężaru właściwego korony Archimedes porównał ją z ciężarem właściwym czystego złota – okazało się, że korona nie była z niego wykonana.

Prawo Pascala

Prawo Pascala-prawo to zostało odkryte w 1647, jest jednym z podstawowych praw hydrostatyki: Ciśnienie zewnętrzne przenoszone jest w płynie znajdującym się w zamkniętym naczyniu jednorodnie we wszystkich kierunkach. W statycznym płynie siła jest przenoszona z prędkością dźwięku i działa prostopadle na całą powierzchnię ograniczającą płyn lub wyróżnioną wewnątrz niego. Zasadę tę wykorzystuje się w podnośniku hydraulicznym, oponie pneumatycznej i podobnych urządzeniach.
Prawo to opisane jest wzorem!!

gdzie :
- p(ro) - gęstość płynu
-g - przyśpieszenie ziemskie
- h1,h2 - wysokość

Jednostki
- Pascal
Pa= N/m2
- Atmosferyczne
at= kg/cm2
- Słupa wody
msw= 0,1 at= 98 hektopascali

Zastosowanie prawa Pascala w życiu :
- pompowanie dętki
- układy hamulcowe
- urządzenia hydrauliczne

Rysunek przedstawiający prasę hydrauliczną

Prosta prasa hydrauliczna zbudowana jest z dwóch połączonych ze sobą cylindrów, które są wypełnione olejem hydraulicznym i zamknięte szczelnymi tłokami . Cylinder roboczy ma zwykle znacznie większą średnicę niż cylinder spełniający rolę pompy. Jeśli działamy określoną siłą na tłok pompy, to na tłok roboczy działa znacznie większa siła.