Resposta curta: Sim, nossa compreensão do levantamento está completa, mas a solução das equações para alguns casos práticos precisa de mais recursos do que é tecnicamente sensato.
A elevação é uma questão de definição
Em primeiro lugar, o levantamento é apenas uma parte das forças aerodinâmicas. É o componente normal na direção do fluxo de ar. Como a aeronave distorce o fluxo local ao seu redor, essa direção é tomada idealmente a uma distância infinita onde o ar não é perturbado.
O outro componente é, obviamente, arrastar. É definida como a parte das forças aerodinâmicas paralelas à direção do fluxo de ar.
As forças aerodinâmicas são a soma de todas as pressões locais, que atuam ortogonalmente na superfície local do avião, e as forças de cisalhamento, que atuam paralelamente à superfície local.
Quando a aerodinâmica foi pesquisada primeiro, os campos elétricos eram novos e emocionantes, e as mesmas equações que ajudam a calcular as forças eletromagnéticas poderiam ser usadas para calcular as forças aerodinâmicas. Portanto, conceitos abstratos como fontes ou sumidouros foram usados para explicar a aerodinâmica. Isso facilitou a compreensão e muitos autores tentaram encontrar explicações mais simples. Infelizmente, eles eram na maioria simples e incorretos, mas a próxima geração de autores copiava o que havia sido escrito antes, então os conceitos errados ainda eram discutidos.
Para chegar ao fundo, pode ser útil observar a elevação em nível molecular:
Toda molécula de ar está em equilíbrio dinâmico entre os efeitos inerciais, de pressão e viscosos:
- Inercial significa que a massa da partícula quer viajar como antes e precisa que a força seja convencida do contrário.
- Pressão significa que as partículas de ar oscilam o tempo todo e saltam para outras partículas de ar. Quanto mais saltos, mais força eles exercem em seus arredores.
- Viscosidade significa que as moléculas de ar, devido a essa oscilação, tendem a assumir a velocidade e a direção de seus vizinhos.
Todas as três contribuições são bem compreendidas e, com as equações de Navier-Stokes, podem ser completamente expressas matematicamente. O que ainda está melhorando é a nossa capacidade de resolver essas equações e, no fluxo turbulento, o comprimento característico necessário para capturar todos os efeitos é tão pequeno que é praticamente impossível resolver completamente essas equações com tempo e recursos finitos.
Fluxo sobre o lado superior da asa
Agora, para o fluxo de ar: quando uma asa se aproxima em velocidade subsônica, a área de baixa pressão sobre sua superfície superior aspira ar à sua frente. Veja-o desta maneira: acima e abaixo de um pacote de ar, temos menos agitação de moléculas (= menos pressão), e agora a agitação não diminuída do ar abaixo e a montante desse pacote empurrará suas moléculas de ar para cima e em direção à asa. O pacote de ar sobe e acelera em direção à asa e é sugado para a área de baixa pressão. Devido à aceleração, o pacote será esticado longitudinalmente e sua pressão cai em sincronia com a velocidade. A distribuição acontece na direção do fluxo - o pacote é distorcido e esticado longitudinalmente, mas contrai na direção ortogonalmente ao fluxo. Uma vez lá, ele "verá" que a asa abaixo dela se afasta de seu caminho de viagem e, se esse caminho permanecer inalterado, um vácuo entre a asa e nosso pacote de ar se formará. Relutantemente (por ter massa e, portanto, inércia), o pacote mudará de rumo e seguirá o contorno da asa. Isso requer pressão ainda menor, para fazer com que as moléculas superem sua inércia e mudem de direção. Esse ar de fluxo rápido e baixa pressão, por sua vez, aspira novo ar à frente e abaixo dele, desacelera e recupera sua antiga pressão sobre a metade traseira da asa e flui com sua nova direção de fluxo.
Observe que a elevação só pode acontecer se o contorno superior da asa se inclinar para baixo e se afastar do caminho inicial do ar que flui ao redor da borda principal da asa. Isso pode ser curvatura ou ângulo de ataque - ambos terão o mesmo efeito. Como a curvatura permite uma mudança gradual do contorno, é mais eficiente que o ângulo de ataque.
Fluxo sobre o lado inferior da asa
Um pacote de ar que termina abaixo da asa experimentará menos elevação e aceleração, e na parte convexa dos aerofólios altamente curvados, ocorrerá uma compressão. Ele também precisa mudar seu caminho de fluxo, porque a asa curvada e / ou inclinada empurrará o ar abaixo dela para baixo, criando mais pressão e mais quedas de cima para o nosso pacote abaixo da asa. Quando os dois pacotes chegarem à borda de fuga, eles terão atingido uma velocidade descendente.
Atrás da asa, os dois pacotes continuarão no seu caminho descendente por um tempo devido à inércia e empurrarão outro ar abaixo deles para baixo e para os lados. Acima deles, esse ar, empurrado para o lado antes, agora preencherá o espaço acima de nossos dois pacotes. Macroscopicamente, isso se parece com dois grandes vórtices. Mas o ar nesses vórtices não pode mais atuar na asa, portanto não afetará o arrasto ou a elevação. Vejo aqui para saber mais sobre esse efeito, incluindo fotos bonitas.
O elevador pode ser explicado de várias maneiras equivalentes
Seguindo a imagem de um campo de pressão descrito acima, elevação é a diferença de pressão entre a superfície superior e inferior da asa. As moléculas saltarão contra a pele da asa mais no lado inferior do que no lado superior, e a diferença é a sustentação.
Ou você olha para a imagem macroscópica: uma certa massa de ar foi acelerada para baixo pela asa, e isso exigiu uma força para agir naquele ar. Essa força é o que mantém a aeronave no ar: levante.
Se você olhar para a asa como uma caixa preta e prestar atenção apenas ao impulso do ar que entra e sai, a asa mudará o impulso adicionando um componente descendente. A força de reação dessa mudança de impulso é a elevação.
De qualquer maneira, você chegará ao mesmo resultado. A propósito: a maior parte das mudanças direcionais ocorre na parte dianteira do aerofólio, não na borda traseira!
Fluxo supersônico
Quando a aeronave se move mais rápido do que as mudanças de pressão se propagam pelo ar, as mudanças de pressão não são mais suaves, mas repentinas. A aeronave empurrará as moléculas de ar para o lado, produzindo um choque de compressão. Por trás da pressão frontal do choque, a temperatura e a densidade são maiores do que a frente e o aumento é proporcional à mudança local na direção do fluxo. A mudança de pressão incremental $ \ delta p $ devido à aeronave atingir o ar com um ângulo incremental de $ \ delta \ vartheta $, expresso em termos do fluxo não perturbado com o índice $ \ infty $, é proporcional à mudança nas linhas de fluxo : $$ \ delta p = - \ frac {\ rho _ {\ infty} \ cdot v ^ 2 _ {\ infty}} {\ sqrt {Ma ^ 2 _ {\ infty} - 1}} \ cdot \ delta \ vartheta $$
A pressão do gás no nível molecular é o número e a gravidade das colisões de partículas. As moléculas de ar sofrem mais colisões no lado a jusante do choque, uma vez que a pressão do ar é mais alta lá. A direção média das colisões adicionais é de fato ortogonal ao choque, porque é o limite entre moléculas alegremente inconscientes à pressão ambiente à frente do choque e seus irmãos machucados rio abaixo que acabaram de cruzar esse limite. Depois que uma molécula passa pelo choque, as colisões estão voltando igualmente de todos os lados e sua velocidade não muda mais.
Se a superfície se afastar da direção do fluxo local, o ar produz uma ventilador de expansão que redefine os antigos valores de pressão e densidade quando o ar flui novamente em sua direção original.
A elevação supersônica pura é apenas uma questão de ângulo de incidência e qualquer curvatura local da asa não altera a elevação geral (mas aumenta o arrasto). Agora a força aerodinâmica total é normal para a asa e o arrasto se tornará proporcional ao ângulo de incidência. No fluxo hipersônico, você obterá bons resultados com a venerável teoria do impacto, formulada pela primeira vez por Isaac Newton.
Fluxo separado
Isso acontece quando as moléculas de ar são não é mais capaz de seguir o contorno da aeronave. Em vez disso, você obtém um padrão de fluxo caótico e oscilante que é muito difícil de calcular exatamente. Esta é realmente a única parte da aerodinâmica que não pode ser prevista com precisão, mesmo que os efeitos sejam bem compreendidos. O fluxo separado também produzirá elevação, mas menos do que o fluxo anexado. Nas asas delta, essa separação é produzida de propósito para criar o que é chamado elevador de vórtice.