Почему тянуть легче чем толкать

О толкающих воздушных винтах.

Здравствуйте!

Летающая лодка Dornier Seastar.

Воздушный винт, как лопаточная машина, преобразующая вращательное движение в поступательное известен человечеству уже достаточно давно.

Однако практические применение его в качестве движителя в воздушной среде фактически началось только с появлением первых настоящих аэропланов.

Конечно, своего рода интуитивные пробы были и раньше, начиная с примитивных детских игрушек в виде маленьких двухлопастных « вертолетиков », насаженных на стержень и раскручиваемых между ладонями ( известно об их существовании в Китае еще до нашей эры), и, кончая, например, демонстрационной моделью М. В. Ломоносова (1754 год), в который воздушные винты с пружинным приводом предполагалось использовать для подъема метеорологических приборов на определенную высоту.

» Летающий винт» Леонардо да Винчи.

Не стоит забывать и о « летающем винте » Леонардо да Винчи, своеобразном прототипе вертолета. Этот винт правда не имеет раздельных лопастей, как таковых, но тем не менее создает тягу или, иначе говоря, силу, заставляющую аппарат подниматься вверх. Винт попросту «тянет» всю остальную конструкцию за собой, заставляя ее двигаться в нужном направлении. То же самое происходит и в остальных приведенных здесь примерах.

Приспособление М.В. Ломоносова с тянущими воздушными винтами.

Однако, речь здесь не просто о смене точки приложения силы. Важно, что вместе с этой сменой происходит изменение условий работы всего летательного аппарата.

Изменения эти затрагивают аэродинамику, конструктивное исполнение, вес и центровку, безопасность и удобство летной и наземной эксплуатации и другие подобные вещи. После сопоставления всех имеющихся практических данных и теоретических расчетов и принятия зачастую компромиссных решений (что часто бывает в авиации) делается выбор в пользу той или иной конструктивной схемы, тянущего или толкающего воздушного винта в нашем случае.

Не берусь делать выводы типа «что лучше, а что хуже». Не считаю для себя возможным сделать это однозначно. Пусть здесь будет что-то типа небольшого обзора на тему «что у нас есть». А выводы читатели, если захотят, сделают сами :-).

Конструктивные условия установки толкающего винта на летательном аппарате могут способствовать увеличению его эффективности по сравнению с эффективностью тянущего винта, работающего в тех же условиях.

Ведь как известно, КПД воздушного винта равен отношению его полезной тяговой мощности к мощности им потребляемой (или иначе говоря эффективной мощности двигателя). Полезная тяговая мощность всегда меньше потребляемой, потому что часть ее тратится на другие цели, с тягой несвязанные, либо ее уменьшающие.

Например, это закрутка отбрасываемой струи воздуха или преодоление аэродинамического сопротивления при взаимодействии ее с элементами конструкции, которое может быть немалым, потому что скорость этой струи значительно больше скорости полета, а «взаимодействовать» приходится с различными элементами конструкции, в частности с крылом, хвостовым оперением и с фюзеляжем (в первую очередь).

В итоге чем меньше и меньших по площади элементов конструкции летательного аппарата обдувается струей от воздушного винта, тем ниже прирост сопротивления и, соответственно, выше эффективная (или полезная) тяга двигательной установки.

Для тянущего воздушного винта избежать обдува струей от него элементов конструкции невозможно. А значит полезная тяга и КПД соответственно, будут снижены. Для толкающего же винта есть, как говорится, варианты.

Для летающих этажерок начала века толкающий винт определенно означал немалое дополнительное сопротивление при обдуве ферменного фюзеляжа и целой системы тяг и расчалок.

Для современных же самолетов, особенно выполненных по схеме «утка» или с двигателем, смонтированным за хвостовым оперением, толкающий винт может оказаться в этом смысле выгодным. Самолет Rutan Long-EZ — в качестве примера. Здесь препятствий для струи за винтом практически нет.

Современный частный самолет с толкающим винтом Rutan Long-EZ.

Такое ощутимое уменьшение аэродинамического сопротивления может положительно повлиять на аэродинамическое качество самолета и его крейсерские характеристики (дальность). Но при этом не следует забывать об обратной стороне такого плюса. Ведь тянущий воздушный винт обдувает крыло, а значит летательный аппарат получает некоторый прирост подъемной силы, что может улучшить, например, взлетно-посадочные характеристики.

У пушера этого конечно нет, и дополнительной «дармовой» подъемной силы он лишен. Однако, при этом дополнительному обдуву может подвергаться хвостовое оперение (если винт расположен перед ним), что увеличивает его эффективность. Хотя, и здесь есть ложка дегтя: эта эффективность может оказаться достаточно зависимой от режима работы двигателя и винта, может оказаться лишней или недостаточной, что конечно надо как-то учитывать при создании ЛА.

Но с другой стороны…

Если тянущий винт обычно воспринимает и «перерабатывает» невозмущенный поток, то толкающий во многом лишен этой возможности. В плоскость, омываемую лопастями толкающего винта, вполне вероятно попадание потока, взаимодействовавшего с поверхностями, расположенными перед винтом, а значит вероятно возмущенного и содержащего вихри различной интенсивности и объема.

Это, в свою очередь, негативно влияет на эффективность работы винта и теперь уже снижает его КПД, в некоторых случаях достаточно ощутимо. Такого рода явления могут, например, ощутимо проявиться при установке двигателей на задней кромке крыла ( Northrop XB-35 ( YB-35 ) и Convair B-36 ).

Стратегический бомбардировщик Convair B-36А «Peacemaker».

При этом проблема снижения эффективности может сопровождаться ростом циклических и вибрационных нагрузок на элементы конструкции винта, так как каждая из его лопастей циклически попадает под воздействие вихря, сходящего с кромки крыла, что ставит не только задачи увеличения эффективности винта, но и его прочности.

Свою ощутимую долю в шумность и вибрационные нагрузки вносит попадание выхлопных газов двигателя в плоскость вращения винта (что невозможно при тянущем винте). При этом, если двигатель не поршневой, а турбовинтовой, у которого газовый поток значительно объемнее и интенсивнее, то шум еще более возрастает…

Какая из этих «сторон» оказывает большее влияние на летные и эксплуатационные характеристики летательного аппарата видимо зависит от параметров каждой конкретной конструкции и условий ее эксплуатации. Впрочем это относится и ко всем остальным особенностям тянущих и толкающих винтов.

Образование боковой силы при использовании тянущего винта.

Для толкающего же винта такие меры фактически не нужны. Ведь боковой силы может просто не быть. Правда многое зависит здесь от месторасположения винта по отношению к хвостовому оперению. По крайней мере для схемы «утка» таких проблем точно нет.

А сама воздушная струя от толкающего винта, установленного в конце фюзеляжа может играть некоторую стабилизирующую роль в путевом отношении, что позволяет пушеру иметь киль меньшей площади и быть менее чувствительным к боковому ветру при взлете и посадке.

Касательно конструкции и эксплуатации… При использовании толкающего винта из-за заднего расположения достаточно тяжелого двигателя и столь же тяжелого редуктора бывает достаточно непросто обеспечить правильную центровку с соблюдением норм устойчивости для данного летательного аппарата, а в эксплуатации перед вылетом еще и выполнять правильное распределение полезных грузов в нем. При этом из-за смещенности центра тяжести к задней части самолета может проявляться склонность к плоскому штопору (большая нежели у самолета с тянущим винтом).

Заднее расположение толкающего винта, в особенности за хвостовым оперением повышает вероятность касания лопастями поверхности ВПП при взлете или посадке. Для исключения такой возможности на самолетах необходимо либо увеличивать высоту шасси, а это лишняя масса, либо укорачивать лопасти, уменьшая тем самым эффективность винта.

Можно еще поднять двигатель с винтом выше. Но при этом, если линия тяги поднимается выше центра тяжести, возможно возникновение вредного вращающего момента, опускающего нос на пикирование. Это также требует принятия дополнительных мер для улучшения устойчивости самолета.

Еще одна слабая сторона толкающего винта может проявиться при полете в условиях обледенения. Так как он находится «позади всех», то лед с находящихся впереди поверхностей, сорвавшись может попасть на лопасти, вызывая их повреждение, а также может быть перенаправлен на находящиеся рядом поверхности, фюзеляж, например.

Само же расположение двигателя с толкающим винтом на крыле помимо сказанного влечет за собой уменьшение возможностей для размещения на задней кромке механизации (закрылки, элероны).

В плане безопасности у двигателя с толкающим винтом есть некоторые плюсы. Он до некоторой степени защищает экипаж от атаки с задней полусферы (как наиболее часто применяемой в традиционных воздушных боях). Основная масса пожароопасных магистралей (топливо, масло) расположено за кабиной экипажа (пассажиров).

В случае пожара и других подобных неприятностей, в том числе повреждения и обрыва лопастей, все эти неприятности тоже происходят сзади, за кабиной, до некоторой степени предохраняя экипаж (или пассажиров). Правда, при аварии и резком торможении самолета (на земле), установленный в задней части фюзеляжа двигатель, сорвавшись с креплений может «наделать шуму» в фюзеляже, в особенности, если там расположен пассажирский салон…

Пожалуй достаточно. Теперь кое-что о конкретных образцах, не забывая, тем не менее и об особенностях (плюс – минус).

Немного истории + еще особенности… не всегда значимые в настоящее время…

Некоторые из них действительно уже давно стали не столь значимыми хотя бы потому, что исчезли сами условия для их существования. Самолеты с толкающим винтом давно уже строятся в достаточно малых количествах, многие просто в единичных экземплярах. Да и сами они относятся именно к малой авиации и являются легкими и сверхлегкими летательными аппаратами.

Небольшое количество преимуществ толкающих винтов и явная их неоднозначность все-таки сделали определяющим применение винтовых летательных аппаратов с тянущими винтами….. По крайней мере до настоящего времени.

И тем не менее авиация начиналась с пушеров…

Самолеты братьев Райт Flyer I и Flyer II.

Например, такие как: 14-bis конструктор Альберт Сантос-Дюмон (Alberto Santos-Dumont) – 1906 год; самолеты Габриэля Вуазена (Gabriel Voisin), в частности Voisin II (или Farman I – 1907 г.), на котором выполнял полеты Генри Фарман (Henri Farman) и самолет уже самого Фармана Farman III – 1909-1911 годы; пушер Curtiss Model D – американский аэроплан фирмы Curtiss Aeroplane and Motor Company – 1911 год.

Аэроплан Voisin II (или Farman I ), 1907 год.

Американский пушер Curtiss Model D, 1911 год (реплика).

Farman III, 1910-1911 годы.

Все эти аэропланы пока еще не имели фюзеляжа, как такового. Двигатель располагался на нижнем крыле, естественно позади пилота. Кроме того они были выполнены по аэродинамической схеме «утка», что также делало в тех условиях применение толкающего винта фактически единственно возможным.

Однако, аэродинамика (особенно в практическом смысле) была в то время всего лишь на начальном этапе своего существования, поэтому тогдашние инженеры и авиаторы, не в силах полноценно бороться с возникавшими аэродинамическими проблемами «утки», стали отказываться от нее и активно применять схему с задним расположением горизонтального оперения (за центром тяжести ЛА), ставшую впоследствии классической.

Конструкции совершенствовались, и при этом некоторое время продолжали применяться как тянущие, так и толкающие воздушные винты. Существовали даже термины определяющие типы таких конструкций (понятные, не требующие объяснения, я думаю): « Farman type » и « Bleriot type » (французский авиатор Louis Blеriot фактически первым стал строить монопланы с тянущим винтом).

Плюс схемы «Farman type» заключался в том, что она предоставляла определенные удобства и хороший обзор пилоту. Впереди ведь не было ни лопастей, ни грохочущего мотора, а сам пилот теперь располагался в специальной гондоле, своего рода подобии фюзеляжа.

Пример использование передней кабины для вооружения, самолет Voisin- III, Франция.

Для использования самолета в боевых действиях в носовой части этой же гондолы можно было без труда расположить бортовое стрелковое вооружение (место позволяет) и вести из него прицельный огонь без применения каких-либо дополнительных устройств и механизмов.

Источник

Тянуть легче, чем толкать?

Новый технический регламент «Формулы-1» заставил инженеров конструировать болиды-2009 с чистого листа. Как неизбежное следствие – смелые идеи, на которых команды собираются выехать во главу пелотона. Sports.ru разбирается с самой революционной новинкой сезона – задней подвеской «Ред Булла» RB5.

Автомобиль – единая система, и всякое изменение конструкции отдельных элементов влечет за собой необходимость их согласования с параметрами остальных узлов. Особенно актуальна эта проблема для автоспорта, где технический регламент заставляет конструкторов работать в жесточайших рамках. В «Формуле-1», пока правила оставались неизменными, конструкторские бюро команд все больше занимались вылизыванием уже имеющихся общепринятых решений, избегая поистине кардинальных модификаций. Но как только появились новые требования, в большей части касающиеся аэродинамики болидов, настало время в этой связи пересмотреть и кинематику, в чем больше других и преуспел технический отдел «Ред Булла», возглавляемый Эдрианом Ньюи.

Дизайн задней части RB5 призван помочь потоку воздуха проходить максимально чисто

Для начала окинем взглядом внешние очертания творения мастера: отметим чрезвычайно низкую линию кузова за двигателем и нелепо торчащие рычаги задней подвески. По сравнению с RB5 остальные машины в пелотоне больше похожи на австралийские грузовые фуры – настолько ближе к земле стелется изящная корма автомобиля австрийской команды. Не секрет, что значительная доля аэродинамического сопротивления приходится именно на захлопывание потока за болидом: чем меньше зона разряжения, тем меньшая сила удерживает его в этой аэродинамической тени. И дизайн задней части болида «Ред Булла» как раз призван помочь потоку воздуха проходить максимально чисто, что подтверждает Ньюи в интервью Racecar-Engineering.

Так что же позволило «гению воздуха» придать болиду такие непревзойденно экстремальные очертания? Добиться идеально ровной и низкой поверхности за двигателем помогло применение задней подвески с тянущими рычагами. По большому счету, такая конструкция напоминает перевернутую переднюю однокилевую подвеску с толкающими штангами, а появиться ей помогли новые технические требования, отодвинувшие назад диффузор, и предоставившие, таким образом, пространство и возможность для более низкого размещения коробки передач.

Фото: Демонстрация различий между подвесками с тянущими рычагами («Ред Булл», слева) и толкающими штангами («Рено», справа)

Идея, в принципе, не нова: такая компоновка подвески, правда, передней, применялась, например, на «Эрроузе» A22 2000 года рождения и «Минарди» PS01, появившейся годом позднее. Конструкция не прижилась – это были последние болиды, где она использовалась. В качестве одной из причин, по которым это произошло, можно назвать конфликт с требованиями аэродинамики – в последние годы болиды все выше и выше задирали носы, начали избавляться от килей, что сделало проблематичной инсталляцию подвески с тянущими рычагами, для которой все основные элементы (коромысла, амортизаторы и торсионы) должны располагаться внизу шасси.

Высокие носы болидов сделали проблематичной инсталляцию подвески с тянущими рычагами

Есть и еще одна причина, по которой антипод – подвеска с толкающей штангой – более предпочтительна. Ее основные элементы, напротив, располагаются вверху шасси, подвеска всегда находится в нагруженном состоянии, и со стороны толкающей тяги при высоких частотах колебаний постоянно оказывается давление на нижний рычаг. Другими словами, такая конструкция обеспечивает оптимальное механическое сцепление с дорожным полотном – колесо отрабатывает все неровности дороги и постоянно передает крутящий момент. Кроме того, сила, действующая со стороны штанги на треугольный рычаг, частично компенсирует нагрузки, воспринимаемые им на поворотах, что позволяет сделать его более легким. Снижение массы нижних рычагов также обеспечивает высокий уровень механического сцепления с трассой, и именно этот довод приводит в своей книге Питер Райт, объясняя, почему «Феррари» всегда будет использовать толкающие штанги.

Чем же тогда хороша подвеска с тянущей штангой, примененная «Ред Буллом»? Основным преимуществом такой компоновки является снижение центра масс автомобиля, что обеспечивает меньшее перераспределение веса при смене ускорений. Также не стоит забывать, что тянущая штанга работает на растяжение, что позволяет сделать ее более легкой. Ну и, конечно, всегда нужно держать в уме предполагаемый выигрыш в аэродинамике.

Но неудобств, кажется, у такой системы гораздо больше. Одно из очевидных – расположение регулируемых элементов подвески (пружин и торсионов) в самом низу, что затрудняет быстрый доступ к ним, а значит, усложняет процесс их настройки. Здесь уже не подступишься за несколько минут, и, например, для замены элементов потребуется снять днище, и, скорее всего, коробку передач. Представьте, чем может аукнуться ошибка в настройке подвески во время практики или, еще критичнее, в квалификации.

Расположение регулируемых элементов подвески усложняет процесс их настройки

Еще одна заметная проблема: верхний рычаг подвески RB5 проходит прямо над выхлопной трубой, что сразу вызывает опасения в живучести машины. Допустим, на большой скорости поток набегающего воздуха оперативно унесет раскаленные газы от элемента, но что будет происходить на прогревочном круге или при движении за автомобилем безопасности, когда скорости далеки от максимальных? Видимо, это одна из главных проблем, которую решал коллектив «Ред Булла», чтобы воплотить в жизнь идею Ньюи. Наконец, конструкция подвески с тянущими штангами не может обеспечить контакт с дорожным полотном на уровне показателе подвески с толкающей штангой, что вкупе со своеобразной кинематикой может вылиться в избыточный износ задних шин. Им и так будут страдать практически все болиды пелотона из-за особенностей новых сликов (напомним, они дают лучшее сцепление на передних колесах) и перегруза хвоста, где расположен KERS.

Естественно, маловероятно, что Эдриан Ньюи предложил столь революционное решение исключительно из любви к искусству. Он наверняка просчитал все механические минусы и аэродинамические плюсы, после чего кинематику подвески и сцепление с трассой принес в жертву ее Величеству аэродинамике. Что ж, на первых тестах команда демонстрировала достойные результаты, так что жертва может оказаться вполне оправданной. И вот ведь еще в чем трюк – такую подвеску быстро не скопируешь, поскольку потребуется пересматривать всю философию задней части болида. А значит, если идея окажется удачной, соперники подтянутся через годик, не раньше

Источник

Тянуть или толкать?

Так что же лучше, передний привод или задний?

Во-первых, Мерседесы бывают и с передним приводом, например, малолитражка » А класса «, как и положено компактному автомобилю размера гольф-класса и меньше. Во-вторых, у нас в стране принято думать, что передний привод начал применяться на массовых автомобилях сравнительно недавно. Это не так. Ещё на самой заре автомобилестроения изобретатели экспериментировали с моделями первых самобеглых повозок, приводимые в движение передними колёсами. Первый паровой тягач с передним приводом и расположенным прямо над ведущим колесом котлом, был изобретен в 1764 году французом Николой Жозефом Куньо. Во время испытаний заклинило систему управления, и машина врезалась в стену. Стена пострадала больше чем прообраз переднеприводного автомобиля!

Плюсы заднего привода:

Минусы заднего привода:

Плюсы переднего привода:

1. Дешевле в производстве.
2. Нет кардана и, соответственно отпадает необходимость в туннеле, что увеличивает полезную площадь салона.
3. Отличная курсовая устойчивость и проходимость по снегу и грязи.

Минусы переднего привода:

КАКОЙ ПРИВОД ЛУЧШЕ?

Но вернемся к гражданской езде. Водитель переднеприводного автомобиля чувствует себя на зимней скользкой дороге уверенно, благодаря прекрасной курсовой устойчивости. При движении по прямой и во время разгонов переднеприводный автомобиль «танцует» на дороге значительно меньше заднеприводного. «Абсолютно ясно, что лучше тянуть, чем толкать». лучше держит зимнюю дорогу именно по этой причине. Ведущие колеса переднеприводного автомобиля тянут за собой автомобиль, и он менее склонен к заносам, чем заднеприводный, который толкают вперед задние.

Источник

Катить легче, чем тянуть

Из жизненного опыта каждый из нас знает, что если нужно переместить какой-нибудь предмет, то предметы округлой формы лучше катить, а квадратной или прямоугольной – приходится тянуть. Примером этому может послужить «команда» муравьёв, которая именно перекатывает маленький камень, нужный им для строительства своего дома. Так же, если положить на стол круглый деревянный карандаш и подтолкнуть его с боковой стороны, то он не будет скользить, а покатится. Это было известно ещё древним египтянам, которые при строительстве пирамид для перемещения больших тяжёлых блоков подкладывали под них круглые деревянные брёвна и фактически их катили. Давайте попробуем разобраться, почему катить легче, чем тянуть.

где μ₁ – коэффициент трения скольжения.

,

где μ₂ – коэффициент трения качения, R – радиус бревна.

Тогда находим отношение сил F ₁ и F ₂:

Для материалов из дуба μ₁ = 0,43 – 0,62, а μ₂ = 0,0008м. тогда если считать радиус бревна R = 0,1м, то получим:

Таким образом катить более чем в 50 раз легче, чем тянуть.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:

Вам нужно поднять тяжелое дубовое бревно массы 100 кг на высоту 1 м. Поднимать по вертикали тяжело, но Вы можете его закатить по наклонной плоскости из досок. Какой длины доски нужно взять, чтобы приложенная для этого сила была в 10 раз меньше веса бревна. Радиус бревна считать равным 10 см.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г.Москвы

Источник