Khảo sát lực nâng cánh máy bay | Bài thí nghiệm số 1 môn thí nghiệm vật lý 1 Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

Bài thí nghiệm số 1
KHẢO SÁT LỰC NÂNG CÁNH MÁY BAY -----ooo-----
Mục tiêu: Sau khi học xong bài này sinh viên có khả năng:
1. Về kiến thức: Nêu được phương pháp đo và các bước tiến hành thí nghiệm khảo sát lực nâng cánh máy bay,
tìm góc bay lên tối ưu của cánh máy bay
2. Về kỹ năng: Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo, tiến hành đúng trình tự thí nghiệm để thu được số liệu chính xác.
3. Về thái độ: Cẩn thận, kiên trì, chính xác, trung thực, khách quan. I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Cánh máy bay
Ngoài động cơ bắt buộc phải có thì cánh của máy bay cũng không thể thiếu.
Phần bề mặt phía trên cánh máy bay có dạng vòm uốn cong, mặt dưới cánh máy bay bằng phẳng. Trước khi
bay lên, máy bay phải chạy một đoạn dài trên đường băng, khi đó tạo nên sự chuyển động của không khí về phía
sau so với máy bay. Dòng khí lưu xung quanh cánh máy bay chịu ảnh hưởng từ lực bám và tính bám dính của cánh
máy bay. Mặt trên cánh máy bay gồ lên, mặt dưới lại bằng phẳng, làm cho phương hướng của hoàn lưu không khí
sát bề mặt phía trên cánh máy bay hướng về phía sau còn bề mặt phía dưới thì hướng về phía trước. Ở phía trên
cánh máy bay, hướng của hoàn lưu và hướng của dòng khí lưu không xoáy đi qua bề mặt cánh có cùng hướng. Tốc
độ của hoàn lưu cộng với tốc độ của khí lưu không xoáy sẽ đạt tốc độ khá lớn. Do khí lưu trên bề mặt cánh máy
bay nhanh hơn mặt dưới, áp lực tác động lên mặt trên nhỏ hơn ở mặt dưới, từ đó làm sinh ra lực nâng đỡ máy bay bay lên.
2. Không khí chuyển động nhanh
Các phân tử đi qua phía trên cánh phải đi xa hơn – trên đường cong – so với các phân tử đi qua mặt dưới bằng
phẳng của cánh. Cho nên không khí phía trên cánh phải chuyển động nhanh hơn. Và khi không khí chuyển động
nhanh hơn, các phân tử phân tán ra xa hơn. Chúng trở nên kém đặc hơn. Không khí này có áp suất thấp hơn.
Hình 1.1: Hình dạng của cánh máy bay tạo ra lực nâng làm cho máy bay rời khỏi mặt đất. Trang 3
Nhưng không khí bên dưới cánh không bị kém đặc đi hoặc bị mất chút áp suất nào hết. Cho nên không khí
bên dưới cánh đẩy lên cánh với một lực lớn hơn không khí phía trên cánh đẩy xuống. Lực lớn hơn đẩy từ dưới lên
này gọi là lực nâng. Lực nâng là cái làm cho máy bay rời khỏi mặt đất. 3. Đường hầm gió
Để quan sát không khí chuyển động xung quanh một chiếc máy bay như thế nào, các nhà khoa học sử dụng
những đường hầm gió. Bên trong đường hầm, một dòng không khí mạnh thổi lùa về phía máy bay. Những người
kiểm tra thường thêm khói hoặc thuốc nhuộm vào không khí để dễ quan sát các dòng chảy. 4. Bốn lực tác dụng
Hình 1.2: Bốn lực tác dụng
Bạn có thể thấy lực nâng phát huy tác dụng nếu bạn quan sát máy bay trên đường băng. Một chiếc máy bay
đang sẵn sàng nhận tốc độ thật nhanh. Các động cơ của nó đẩy nó chuyển động mỗi lúc một nhanh. Trong chốc
lát, lực hấp dẫn vẫn giữ chiếc máy bay to nặng đó trên mặt đất. Tuy nhiên, cuối cùng thì chiếc máy bay chuyển
động đủ nhanh để cất lên. Vào lúc đó, lực nâng đã đủ mạnh để thắng lực hấp dẫn.
Một khi máy bay đã cất cánh, các động cơ của nó hoạt động hết công suất để đẩy phi thuyền về phía trước.
Nhưng không khí cũng tác dụng lực đẩy ngược, hay lực cản, đối với máy bay. Lực cản này được gọi là lực kéo
theo. Nó làm chậm những vật đang chuyển động trong không khí. Nếu phi thuyền chuyển động chậm đi, thì lực
nâng sẽ nhỏ hơn để thắng nổi lực hấp dẫn. Để giữ cho máy bay ở trong không trung và chuyển động về phía trước,
các động cơ hoạt động mạnh hơn.
Để cho máy bay bay trong không khí, lực nâng từ các cánh của nó phải mạnh hơn lực hấp dẫn, và lực đẩy về
phía trước từ những động cơ của nó phải mạnh hơn lực của không khí đẩy ngược lại. Trang 4
Hình 1.3: Khi máy bay đã cất cánh xong, các bánh xe sẽ thu vào để giảm lực kéo theo khi máy bay bay.
5. Lực nâng khí động lực học qua cánh máy bay
Hình 1. 4: Mô hình lực nâng khí động học bằng tiếng Anh: Thrust: lực đẩy (tạo bởi động cơ); Drag: lực
cản của không khí; Weight:trọng lực; Lift: lực nâng khí động lực học (Joukowski)
Máy bay thắng được trọng lực và bay lên được là nhờ lực nâng khí động động lực học hay còn gọi là lực nâng
Joukowski. Là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể (cánh máy bay)
khi dòng khí chuyển động chảy bao vật thể.
Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật thể (cánh) phải không đối xứng qua trục chính và đường
biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có hình dạng thiết diện như vậy được gọi là có hình
dạng khí động lực học. Khi không khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí động lực và đồng thời xuất
hiện lực cản. Hình khí động lực nào cho hiệu ứng lực nâng càng cao mà lực cản càng ít thì được coi là có hiệu
suất khí động học càng tốt. Đối với chất lỏng hiệu ứng cũng tương tự (thuỷ động học). Trang 5
Hình 1.5: Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay
Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh, tại mặt dưới sẽ có áp suất cao hơn so với mặt trên và hệ quả là
sẽ xuất hiện một lực tác động từ dưới lên vuông góc với cánh.
Lực nâng có độ lớn bằng diện tích cánh nhân với chênh lệch áp suất hai mặt.
Độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của
cánh, góc tấn (góc chảy của không khí tương đối với vật khí động ) và vận tốc dòng chảy.
Như vậy khi vận tốc dòng chảy đạt đến độ lớn nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ
để thắng trọng lực và vật thể có thể bay lên được. Muốn có lực nâng đủ thì vận tốc và diện tích cánh phải đủ: cánh
càng rộng thì máy bay có thể cất cánh với vận tốc nhỏ hơn, ngược lại cánh càng nhỏ thì đòi hỏi vận tốc càng lớn để cất cánh.
Trong máy bay có cánh cố định vật thể khí động học để tạo lực nâng là đôi cánh của máy bay được gắn cố
định vào thân. Vận tốc ngang của máy bay (cũng đồng nghĩa với vận tốc dòng chảy bao máy bay nếu xét trong hệ
quy chiếu gắn với máy bay) có được nhờ lực tác động ngang sinh ra nhờ động cơ (có thể thông qua cánh quạt hoặc
dòng khí phản lực). Động cơ quay cánh quạt (hoặc phụt dòng khí phản lực) sẽ tạo phản lực đẩy máy bay chuyển
động tương đối với không khí về phía trước, khi chuyển động tương đối như vậy cánh máy bay sẽ bị dòng khí chảy
bao bọc xung quanh và tạo hiệu ứng lực nâng khí động lực học tác động từ dưới lên, khi vận tốc máy bay đạt đến
giá trị nào đó lực nâng sẽ đủ lớn để thắng trọng lực và máy bay sẽ bay được.
Trong bài thí nghiệm này, đường hầm gió cung cấp một mô hình đo cho các thí nghiệm định lượng về khí
động học. Trong đó, một luồng không khí có vận tốc không đổi theo không gian và thời gian.
Một trong các ứng dụng của đường hầm gió là tạo điều kiện lý tưởng cho các phép đo vật lý của sự bay.
Ở đây, FW là sức cản không khí và FA là lực nâng của cánh máy bay nó được đo như một hàm của góc cản 
của cánh máy bay với dòng lưu lượng. Trong đồ thị, FW được minh họa như là một hàm của FA với góc cản  như
tham số. Từ đồ thị này, chúng ta có thể đọc ví dụ như góc cản tối ưu.
Ngoài ra, sinh viên thực hiện các phép đo so sánh trên cánh máy bay tự thiết kế. Mục đích là để xác định hình
dạng cánh máy bay để thu được tỷ số FW / FA là nhỏ nhất ở góc cản xác định. 
II. DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO 1. Dụng cụ đo:
Các dụng cụ thí nghiệm gồm có: - Đường hầm gió (1).
- Ống hút và quạt áp lực (2). Trang 6
- Mô hình cánh máy bay (3).
- Xe đẩy cho phép đo đường hầm gió (4).
- Lực kế quạt (lực kế góc quay) 0,65N (5).
- Nguồn điều khiển cường độ gió (6).
Các dụng cụ thí nghiệm này được lắp đặt như ở hình vẽ 1.6:
Hình 1.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát lực nâng cánh máy bay. 2. Phương pháp đo:
- Tạo luồng gió tác động lên cánh máy bay ứng với các góc nghiêng khác nhau.
- Quan sát, ghi lại các giá trị của lực cản và lực nâng
- Tính tỷ số lực cản so với lực nâng.
III. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1. Kiểm tra:
- Kiểm tra xem thiết bị có lắp như hình 1.6 chưa?
- Kiểm tra công tắt của bộ nguồn (6) ở vị trí 0 và vặn hết chiết áp về bên trái chưa ? Nếu chưa, vui lòng chỉnh lại.
- Kiểm tra xem cánh quạt đã gắn vào lực kế nâng được gắn trên xe đẩy chưa ? Kim của lực kế nâng đã chỉ
số 0 chưa ? Nếu chưa, hãy gắn cánh quạt vào lực kế nâng được gắn trên xe đẩy (như hình ) và điều chỉnh lại lực
kế nâng để kim chỉ số 0
- Lưu ý, hai thanh treo cánh quạt cùng ở vị trí số 0 tức tương ứng với góc nghiêng của cánh máy bay bằng không.
- Kiểm tra xem có dây móc nối từ lực kế quạt (5) vào xe đẩy (4) chưa ? Nếu chưa, hãy móc dây vào. 2. Thực hành :
- Điều chỉnh (nhẹ nhàng) góc nghiêng của cánh máy bay là lớn nhất (140).
- Mở nguồn điện cho quạt áp lực, điều chỉnh chiết áp nguồn thích hợp để giá trị trên các lực kế là gần cực đại. Trang 7
- Ghi lại các giá trị của lực cản và lực nâng vào bảng 1.1.
- Tắt nguồn, thay đổi lại góc nghiêng của cánh quạt ở giá trị nhỏ hơn và lặp lại cách đo như trên, tiếp tục ghi
các giá trị của lực cản và lực nâng vào bảng 1.1. Tính tỷ số lực cản so với lực nâng.
Lưu ý : trong các lần đo ta phải giữ nguyên cường độ gió trong đường hầm gió bằng cách chỉ tắt nguồn mà
không thay đổi chiết áp nguồn.
*** Sau khi thực hành xong, SV lưu ý nhớ tắt máy, phủ khăn lên dụng cụ thí nghiệm, xếp ghế lại gọn gàng ngay ngắn . IV. BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
1. Ghi giá trị của lực nâng và lực cản ứng với các góc nghiêng vào bảng 1.1. Tính tỉ số lực cản/ lực nâng tương ứng 0 FA(N) FW(N) f = FW/FA 0 2 4 6 8 10 12 14
2. Tính sai số tuyệt đối của FA và FW.
3. Vẽ đồ thị lực nâng phụ thuộc góc nghiêng FA ( ) và lực cản phụ thuộc góc nghiêng FW(), và tỉ số f( )  . Cho Δα = 0,05
4. Nhận xét các kết quả rút ra từ mỗi đồ thị và giải thích.
5. Tính sai số tương đối εf và sai số tuyệt đối Δf
6. Viết kết quả đo của tỷ số f tối ưu nhất và nhận xét kết quả đo V. CÂU HỎI CHUẨN BỊ
1. Cánh máy bay trong bài có hình dạng như thế nào ? Tại sao nó cần hình dạng như vậy ?
2. Đường hầm gió dùng để làm gì ?
3. Lực tác dụng lên cánh máy bay gồm các lực cơ bản nào ?
4. Giải thích sự xuất hiện của lực nâng và lực cản lên cánh máy bay
5. Góc cản tối ưu là góc như thế nào?
6. Trình bày dụng cụ và nguyên tắc đo. Trang 8