…så lägger jag upp lite om ämnet.
Ovanstående skärmflygare hänger under en perfekt formad vingprofil.
Inblåsande luft håller profilen på skärmen.
AERODYNAMISKA GRUNDSATSER, SOM BESTÄMMER EGENSKAPER HOS EN VINGE.
Detta är inget doktorandarbete från NASA, utan är mitt försök, att
på ett förenklat sätt förklara vissa grundläggande fysikaliska begrepp i
samband med skapandet av lyft från en vinge .
4 krafter påverkar en vinge :
Lyftkraften-Gravitationen-Motståndet-Framdrivningen
LYFTKRAFTEN
Se på en fotboll. Om man skjuter den med skruv, så den roterar,
så kommer den, om den roterar medsols att vilja avvika åt höger.
Detta på grund av, att luftskiktet närmast bollens yta förs över
till den andra sidan. Detta tillskott av strömmande luft ger ett
energitillskott på högersidan av bollen och därmed ökar
lufthastigheten.
Vi vet från Bernoullis Lag, att om man ökar hastigheten hos
en gas eller vätska, så sjunker trycket.
Denna tryckförändring suger bollen åt höger.
Bollen ovan skruvas medsols och avviker mot toppen
av papperet. Linjerna visar luftens hastighet/tryckförändringen.
Där linjerna är täta=lägre tryck-sug.
Bollen sedd från ovan.
För att levandegöra Bernoullis Lag, kan ni lägga ett
A4 papper på ett bord och hålla i det i kortsidan.
Papperet ska ligga platt på bordet. Blås sen parallellt med
bord/papper och ni kommer att se, att papperet lyfter.
Det är ett resultat av, att hastigheten på luften ovan
pappersarket ökar och trycket sjunker.
En förutsättning för att en vinge ska kunna skapa lyft,
är att begreppet CIRKULATION uppstår.
Den som skapade begreppet cirkulation, var två
vetenskapsmän, Kutta och Joukowski.
För att visa vad cirkulation är så tänk på den skruvade fotbollen.
Andra exempel på cirkulation är de leksaksflygplan i plast,
som har vingar lagrade längs mitten på kordan och som är
X-formade i profil. När modellplanet, som är fäst i en lina,
placeras i vinden börjar vingarna rotera medsols och då
sker en transport av energi från undersida till ovansida på
vingen, varvid lyft uppstår. Dessa plan var populära på
60-talet och det rasslande, virrande ljudet av de roterande
vingarna var välkända fenomen på stränderna vid västkusten,
där jag bodde.
Dessa plan finns fortfarande att köpa.
En principskiss av de leksaksplan som var populära på
stränderna på 60-talet. Observera riktningen på
vingarnas rotation.
Ett annat sätt att förstå cirkulation är att ta ett papprör och
linda om ett snöre en 10 varv. Ta sen och fäst snöret i en pinne
av 1 meters längd. Lägg röret på ett bord och dra till med pinnen
så pappröret börjar rotera. Vad händer? Jo det kommer att flyga
i en parabel tack vare cirkulationen, som transporterar energi från
undersida till ovansida, varvid trycket sjunker och röret sugs uppåt.
Här ovan är en schematisk bild hur luften rör
sig runt en vinge sett från en betraktare på marken.
Observera de långa pilarna på ovansidan,
som visar hög hastighet/lågt tryck och ett
Starkt downwash.
Ännu ett exempel på cirkulationsprincipen:
Om man tappar en vinge i luften, eller om man
släpper ett 3-millimeters balsaflak från 100 meters
höjd, vad händer?
Jo vingen eller flaket faller inte helt slumpmässigt
mot marken, utan det börja rotera runt sin egen
längdaxel och kava sig framåt i cirklar, om det är
en tapererad vinge, med rotation motsols.
Hur blir det så? Jo vingen eller flaket går in i en
spontan rotation och då uppstår precis som på
modellen med roterande vingar en transport av
energi från undersida till ovansida och betingelserna
för cirkulation är uppfyllda.
Tror ni inte mig så ta ett kreditkort och flippa iväg
det, så det roterar mot er, så får ni se, om ni är
skickliga, vad som händer.
När cirkulationen är igång, så resulterar det i
ett utpräglat downwash eller nedåt/bakåtriktat
energiflöde.
Alltså luften ovan vingen får högre fart och denna
energi lämnar vingens bakkant snett nedåt.
Från Newtons Lag vet vi, att mot varje kraft svarar
en annan kraft lika stor i motsatt riktning. Alltså
den nedåtriktade energin bakom vingen skapar lyft,
så vingen strävar uppåt.
Vid framkanten har du ett utpräglat upwash.
Bilden illustrerar den mycket utpräglade nedåtriktade kraften bakom planet .
Här visas klart luftens flöde och var det finns up- respektive downwash.
Se även var stagnationspunkterna finns och den kraftigt skilda ankomsttiden
på de ”blåa” paketen vid bakkanten.
En förutsättning för Kutta och Joukowskis teorem,
var det grundläggande arbete, som gjordes av Henri
Coanda, som var en rumänsk vetenskapsman.
Han lade märke till en egenskap hos gaser eller
vätskor, som gjorde, att en strömmande gas eller
vätska ville ”ansluta” till ett näraliggande föremål
och stanna där.
Om du närmar dig en vattenstråle i din vask
med en flaskhals eller liknande föremål, så ser ni,
hur strålen avböjs mot flaskan.
Detta kallas Coandaeffekten.
Coandaeffekten uppstår, på grund av att luftens/vätskans
viskositet (hur trögt ett ämne flyter) gör, att vätskan eller
gasen vill ”klibba” vid föremålet. På en vinge är det ju
bland annat viskositeten hos luft, som gör, att den vill
följa vingens profil.
Denna profil har ingen anfallsvinkel, så den skapar ingen cirkulation eller lyft.
Om man ökar anfallsvinkeln, kommer stagnationspunkten
vid vingens framkant att krypa bakåt, därför att vid ökad
anfallsvinkel, kräver vingen mer tillförd energi för att
fungera.
Således flyttar sig stagnationspunkten bakåt,
så mer luft kan transporteras från undersidan till översidan.
Högre anfallsvinkel kräver mer energi-den hämtas från
undersidan och stagnationspunkten flyttas bakåt.
Luften vid stagnationspunkten står stilla. En fluga kan
alltså ta en behaglig söndagspromenad längs vingens
framkant även på ett supersnabbt plan, om förhållandena
är statiska, alltså ingen förändring i hastighet eller
anfallsvinkel.
Här är en profil med mycket anfallsvinkel. Observera hur
stagnationspunkten har krupit bakåt på undersidan för
att kunna ”hämta” mer luft till ovansidan.
Lägg också märke till hur ”luftpaketen” på ovansidan
ligger långt före undersidans paket vid bakkanten.
Detta beskriver enkelt hur lyft genereras.
Om man ökar anfallsvinkeln för mycket, kommer
strömningen över vingens ovansida till slut att bli så
störd av turbulens (virvlar), att vingen stallar och
tappar all lyftkraft. Kom ihåg det gamla friflyguttrycket:
“Han pallade så han stallade” !
En vinge kan uppleva ovanstående fenomen, dels
om man flyger med för hög nos, eller om man
svänger brant.
Det vill säga stall och avlösning på vingen uppstår
vid för höga belastningar. Vid en sväng med 3 G så
måste vingen ju producera 3 gånger så mycket lyftkraft
som vid planflykt.
Så flyger du för sakta och drar en brant sväng, måste
vingen producera mer lyftkraft, Den tar sin energi från
hastigheten/motorn, vilket betyder, att farten går ner
brant och då händer det, vi inte vill:
Vingen överstegrar och planet snappar in i en spinn,
om du har otur.
Här är en vinge som flyger med: För låg fart eller med
för mycket anfallsvinkel.
Vingen är överstegrad och strömningen på ovansidan
är helt turbulent och all lyftkraft är borta!
Luftskiktet närmast vingen är stillastående…
Om ni inte tror mig så kolla bladen på en gammal
ventilationsfläkt.
Varför tror ni att de är dammiga?Hur tjockt är detta
stillastående skikt? På en modell 0.5-1.5 mm.
Det är dock inte fördelat lika över hela vingytan, utan
det varierar av olika orsaker.
REYNOLDS TAL
Det som påverkar vingens förmåga att behålla en
effektiv strömning, är dess Re-Tal.
Re-Talet bestämmer var på profilen övergången från
laminär till turbulent strömning sker.
Man strävar efter att få denna punkt så långt bak som möjligt.
Re-Talet är ett begrepp, som härleds till en fysiker på 1800-talet,
som hette Reynolds.
Man räknar ut Re-talet på följande sätt:
Luftens viskositet x hastigheten i m/sekund x kordan i meter
För luftens viskositet använder man i vardagligt tal
en koefficient på 70000, så har vi en modell som flyger
med 72 km/timmen och har en korda av 25 cm så får vi
följande Re-tal:
70000 x 20 x 0.25 =350000
Detta är ett värde, som är klart godkänt. En modell bör
ligga mellan 100000–500000 i Re-tal för att få behagliga
egenskaper.
Kan man göra något för att förbättra egenskaperna vid
dåliga Re-tal.
Ja ett gammalt friflygknep är att sätta turbulatorer på
vingens framkant som skapar en ”kontrollerad” turbulent
kan vi kalla gränsskiktsströmning.
Vad är en turbulator? Ja det kan vara allt från en sytråd
fastlackad till små triangelformade sågbladsliknande
konstruktioner vid framkanten.
En turbulator hjälper också till att hålla seperationsbubblan
under kontroll på profilens översida vid låga Re-Tal.
INDUCERAT MOTSTÅND ELLER LYFTKRAFTSMOTSTÅNDET
Nu är det ju så, att inget i världen är gratis, inte heller lyft.
Om du har en vinge med cirkulation, som skapar lyftkraft,
så kommer detta att skapa ett motstånd,
som kallas lyftkraftsmotståndet eller det inducerade
motståndet.
När cirkulationen var igång, minns vi, vi har ett markera
t undertryck på ovansidan och ett inte lika markerat
övertryck på undersidan. Eftersom allt i naturen strävar
efter jämvikt, kommer övertrycket från undersidan att
flytta sig via vingspetsen till ovansidans undertryck.
Det är ju det enda sättet tryckutjämningen kan ske på.
Då händer det, att i spetsarna bildas virvlar, som skruvar
sig mot flygplanet på respektive sida. Skruven roterar
alltså motsols på högervingen och medsols på vänstervingen
sett framifrån. Dessa virvlar kan vara mycket kraftiga
och finns efter vingen, så länge den flyger. De börjar på
startbanan och hänger kvar tills modellen nästan står stilla,
då du landat.
Observera den kraftiga virveln vid vingspetsen. Detta är ett resultat
av lyftkraftsmotståndet då undersidans övertryck smiter över till
ovansidan. Det finns ingen möjlighet att bli av med
virvlarna vid spetsarna mer än på ett sätt och det är
att stanna på marken.
Inducerat motstånd utan och med winglets
Man kan emellertid reducera det inducerade motståndet
genom att använda vingar med stort sidoförhållande.
Se på ett segelplan. De moderna trafikplanen har winglets,
dels för att minska inducerade motståndet dels för att öka spännvidden.
Winglets på ett modernt passagerarplan. Winglets ökar
spännvidden och förbättrar bränsleekonomin.
SIDOFÖRHÅLLANDET
Sidoförhållandet är förhållandet mellan korda och spännvidd.
Om sidoförhållandet är 1:5 betyder det att kordan är en meter
och spännvidden är fem meter.
För att levandegöra detta med vingens sidoförhållande
: En lång smal kniv skär mer tårta än en kniv med tjockt
och kort blad.
Alltså en vinge som är lång och smal ”möter” mer luft
än en kort och tjock.
Sen kan man ha modeller, som man vill ha korta och breda
vingar på av vissa orsaker. Det kan vara, för att de ska bli
manövrerbara på grund av övermotorisering och med massan
samlad i sitt rörelsecentrum.
Se hur en Boeing 707 rollar och jämför med en Pitts!
Skillnaden mellan litet, respektive stort sidoförhållande syns här tydligt.
Förutom lyftkraftsmotståndet, som svarar för den överväldigande
delen av motståndet, så finns det frontalmotstånd, vilket ju är
den yta som planet visar upp frontalt mot den mötande luften
och ytmotståndet på planets ytor.
Till exempel så kommer genom viskositeten luften att ”klibba”
på en dåligt slipad/utformad kropp.
Vi modellflygare kan i stort bortse från detta, då vi utför beräkningar
för Rc-modeller.
Kan en vinge se ut hur som helst?
Ja i stort sett. Vad som krävs för att skapa cirkulation, är en
area (vingen) anfallsvinkel, hastighet och ett medium, som har
viskositet (luft).
En masonitskiva fungerar som vinge utan problem.
Naturligtvis fungerar en riktig profil bättre, därför den effektivare
påverkar den förbiströmmande luften.
Ska man försöka definiera en vinges funktion, så kan man säga,
att en vinge är en mycket effektiv maskin, som ändrar
luftens riktning.
Det finns alltså inget, som skiljer en masonitskivas funktion
som vinge från en ”Riktig” vinge. Båda två fungerar som en
luftpump, när betingelserna för cirkulation är uppfyllda.
Som vi alla vet, kan ett flygplan flyga på rygg eller inverterat.
En modern konstflygmaskin har i regel en symmetrisk profil,
vilket ger i stort samma egenskaper inverterat som rättvänt.
Men en kraftigt bärande profil, exempelvis en fet Clark Y-profil,
hur kan den skapa lyft inverterat?
Inga problem.
Genom att öka anfallsvinkeln när du flyger inverterat, vilket du
märker , genom att du får hålla upp nosen mer, än då du
flyger rättvänt, så kommer du att skapa betingelser för cirkulation
och din vinge skapar lyftkraft.
Hur kraftig är cirkulationen? Ja ett vanligt privatplan av Cessna 152
storlek 125-150 hk ändrar riktningen (pumpar luft) varje sekund,
som väger cirka 8 ton!
Klart det blir lyftkraft av det.
Om man ska gå på de preferenser,vilka hävdades förr, av de
som omhuldade teorin om luftmolekylernas längre väg på
översidan än undersidan och som möttes vid bakkanten och
då skapade ett undertryck som sög upp vingen, så skulle en
Cessna av ovanstående storlek flyga med ca 800 km i timmen
för att kunna hålla sig i luften…
Här ser ni att ” Molekylentusiasterna” är ute på hal is.
Observera att luftpaketen INTE möts samtidigt vid bakkanten.
Molekylteorin är falsk, för ”luftpaketen” som delar sig vid främre
stagnationspunkten möts inte alls vid bakkanten. Luftpaketen från
översidan når bakkanten, långt innan luftpaketen från undersidan
kommer dit.
GRAVITATIONEN
Gravitationen eller tyngdkraften påverkar alla föremål på
vår jord.
Det innebär att alla föremål med en massa dras mot jordens
medelpunkt.
Det gäller alltså även för ett flygplan.
Ett segelplan använder gravitationen som ”motor” för att få
framåtdriv. Denna motor kostar ju något, för vi vet ju alla,
att energi inte kan förstöras utan endast omvandlas och
det vi betalar i avgift för att komma framåt, är kinetisk energi
eller rörelseenergi.
I praktiken betyder det, att för att kunna flyga en segelmodell
eller annan modell utan egen framdrivning så betalar vi
med höjdförlust.
MOTSTÅNDET
Motståndet har vi avhandlat tidigare, så här blir bara en
uppräkning av de viktigaste resultanterna:
Lyftkraftsmotståndet eller det inducerade motståndet.
Inducera=påverka, sätta igång.
Frontalmotståndet är det motstånd, som de framifrån
projicerade areorna orsakar vid färd framåt.
Ytmotståndet är det motstånd som uppstår på grund
av luftens viskositet vilket gör, att den vill klibba fast vid
alla ytor.
FRAMDRIVNINGEN
En vinge måste röra sig relativt omgivande luft för att skapa lyftkraft.
Ett plan utan motor skapar framdrivning genom gravitationen.
(Flyger i “nerförsbacke”.
En propeller DRAR planet framåt.
En jetmotor SKJUTER planet framåt.
Vi kan alla Newtons Lagar och därmed förstår vi sammanhanget:
Mot varje kraft svarar en annan kraft lika stor i motsatt riktning.
SLUTKLÄM:
En vinge är en effektiv maskin , som ändrar riktning på luften
och skapar lyft.
För att skapa lyft krävs cirkulation.
För att erhålla cirkulation måste du ha en vinge, luft med viss
viskositet, anfallsvinkel och hastighet.
Det är på den främre 40 % av vingens ovansida, som 65 % av
lyftet skapas.
Långa smala vingar är effektivare än korta tjocka.
Utan inducerat motstånd så har du ingen lyftkraft.
Inducerat motstånd kostar energi, som tas från hastigheten.
Hoppas detta gav dig en känsla vad lyftkraft är…
