Dolní výplach

Pokud jste někdy stáli poblíž vrtulníku, budete přesně vědět, jak zůstává na obloze: to vytváří obrovský „downwash“ (dolů se pohybující tah) vzduchu, který vyvažuje jeho hmotnost. Rotory vrtulníků jsou velmi podobné profilům křídel letadel, ale otáčejí se v kruhu, místo aby se pohybovaly vpřed v přímce, jako ty v letadle. Přesto letadla vytvářejí proplachování úplně stejným způsobem jako vrtulníky – to si jen nevšimneme. Downwash není tak zřejmý, ale je stejně důležitý jako u vrtulníku.

Tento druhý aspekt zvedání je mnohem snazší pochopit než tlakové rozdíly, alespoň pro fyzika : podle třetího pohybového zákona Isaaca Newtona, pokud vzduch dává rovině sílu vzhůru, musí rovina dát vzduchu (stejnou a opačnou) sílu dolů. Takže rovina také generuje vztlak pomocí svých křídel k tlačení vzduchu To se děje proto, že křídla nejsou úplně vodorovná, jak byste předpokládali, ale naklonila se velmi mírně dozadu, takže dopadly na vzduch pod úhlem útoku. Šikmá křídla tlačí dolů jak zrychlený proud vzduchu (z výše nad nimi), tak i pomaleji se pohybující vzduch (z pod nich), což způsobuje vztlak. Vzhledem k tomu, že zakřivená horní část profilu odkloňuje (tlačí dolů) více vzduchu než rovnější dno (jinými slovy, mění dráhu příchozího vzduchu mnohem dramatičtěji), vytváří výrazně větší vztlak.

Jak křídla profilu křídla generují vztlak č. 2: Zakřivený tvar křídla vytváří nad ním oblast s nízkým tlakem (červená), která generuje vztlak. Nízký tlak způsobuje zrychlení vzduchu nad křídlem a zakřivený tvar křídla (a vyšší tlak vzduchu značně nad změněným proudem vzduchu) nutí tento vzduch do silného proplachování a také tlačí rovinu nahoru. Tato animace ukazuje, jak různé úhly náběhu (úhel mezi křídlem a přiváděným vzduchem) mění oblast nízkého tlaku nad křídlem a zdvihem, který vytváří. Když je křídlo ploché, jeho zakřivená horní plocha vytváří skromnou oblast s nízkým tlakem a mírnou míru vztlaku (červená). Jak se zvětšuje úhel náběhu, dramaticky se zvyšuje i vztlak – až do bodu, kdy se zvětšením odporu letadlo zastaví (viz níže). Pokud nakloníme křídlo dolů, vytvoříme pod ním nižší tlak, čímž letadlo spadne. Na základě Aerodynamiky, což je veřejně dostupný výcvikový film War Department z roku 1941.

Možná si říkáte, proč vzduch vůbec proudí dolů za křídlo. Proč například „nezasáhne přední část křídla, nezakřiví se přes vrchol a potom nebude pokračovat vodorovně? Proč existuje spíše proplachování než jen horizontální„ proplachování “? Vzpomeňte si na naši předchozí diskusi o tlaku: křídlo snižuje tlak vzduchu bezprostředně nad ním. Vyšší, značně nad rovinou, je vzduch stále na svém normálním tlaku, který je vyšší než vzduch bezprostředně nad křídlem. Normálně tlakový vzduch nad křídlem tedy tlačí dolů na nízkotlakém vzduchu bezprostředně nad ním, účinně „stříká“ vzduch dolů a za křídlo v proplachování. Jinými slovy, tlakový rozdíl, který vytváří křídlo, a proplachování vzduchu za ním nejsou dvě oddělené věci, ale vše nedílnou součástí stejného efektu: úhlové křídlové křídlo křídla vytváří tlakový rozdíl, který způsobuje proplachování, a to vytváří vztlak.

Nyní vidíme, že křídla jsou zařízení určená k tlačení vzduchu dolů, je to snadno pochopitelné, proč letadla s plochými nebo symetrickými křídly (nebo vzestupy) ide-down kaskadérská letadla) mohou stále bezpečně létat. Dokud křídla vytvářejí proudění vzduchu dolů, letadlo zažije stejnou a opačnou sílu – vztlak – která ji udrží ve vzduchu. Jinými slovy, pilot vzhůru nohama vytváří určitý úhel náběhu, který generuje jen dost nízkého tlaku nad křídlem, aby udržel letadlo ve vzduchu.

Kolik můžete zvednout?

Obecně platí, že vzduch proudící přes horní a dolní část křídla velmi těsně sleduje křivku povrchů křídla – přesně tak, jak byste jej mohli sledovat, kdybyste perem sledovali jeho obrys. Jak se však zvyšuje úhel náběhu, plynulé proudění vzduchu za křídlem se začíná rozpadat a je vířivější, což snižuje vztlak. Při určitém úhlu (obvykle kolem 15 °, i když se mění) už vzduch kolem křídla neproudí plynule. Došlo k velkému nárůstu odporu, velkému snížení vztlaku a letadlo se prý zastavilo. To je trochu matoucí pojem, protože motory stále běží a letadlo stále letí; stání jednoduše znamená ztrátu výtahu.

Foto: Jak se letadlo zastaví: Tady je křídlo křídla ve větru tunel směřující k přicházejícímu vzduchu pod strmým úhlem náběhu. Můžete vidět linie kouřem naplněného vzduchu, jak se přibližují zprava a jak se pohybují doleva, odchylují se kolem křídla.Normálně by linie proudění vzduchu velmi těsně sledovaly tvar (profil) křídla. Tady se kvůli prudkému úhlu náběhu oddělilo proudění vzduchu za křídlem a výrazně se zvýšila turbulence a odpor. Letadlo letící takto by narazilo na náhlou ztrátu výtahu, kterou nazýváme „stání“. Foto s laskavým svolením výzkumného střediska NASA Langley Research Center.

Letadla mohou létat bez křídel ve tvaru křídla; „Víš, že pokud jsi někdy vyráběl papírové letadlo – a bylo to prokázáno 17. prosince 1903 bratry Wrightovými. V jejich původním patentu „Flying Machine“ (americký patent č. 821393) je zřejmé, že lehce nakloněná křídla (která se jim říká „letadla“) jsou klíčové součásti jejich vynálezu. Jejich „letadla“ byly prostě kousky látky natažené přes dřevěnou konstrukci; neměli profil profilu křídla (křídla). Wrights si uvědomili, že úhel náběhu je zásadní: „U létajících strojů charakteru, kterého se tento vynález týká, je zařízení podporováno ve vzduchu z důvodu kontaktu mezi vzduchem a povrchem jednoho nebo více letadel, kontakt – povrch je prezentován pod malým úhlem dopadu do vzduchu. “ . Ačkoli byli Wrights skvělí experimentální vědci, je třeba si uvědomit, že jim chyběly naše moderní znalosti aerodynamiky a úplné pochopení toho, jak křídla fungují.

Není divu, že čím větší křídla, tím větší vztlak vytvářejí: zdvojnásobení plochy křídla (to je plochá plocha, kterou vidíte při pohledu shora) zdvojnásobuje jak zdvih, tak i jeho přetažení. Proto mají gigantická letadla (jako C-17 Globemaster na naší fotce nahoře) gigantická křídla. Ale malá křídla mohou také způsobit velký vztlak, pokud se pohybují dostatečně rychle. Aby při vzletu vyprodukovali další vzlet, mají letadla na svých klapkách křídla, která se mohou rozšířit, aby tlačila více vzduchu dolů. Zvedání a tažení se mění s druhou mocninou vaší rychlosti, takže pokud letadlo letí dvakrát rychleji, ve srovnání s přicházejícím vzduchem, jeho křídla produkují čtyřikrát větší vztlak (a tažení). produkují obrovské množství vztlaku velmi rychlým otáčením lopatek rotoru (v podstatě tenkých křídel, které se točí v kruhu).

Víry křídla

Nyní letadlo za sebou nehází vzduch je to zcela čisté. (Dovedete si představit, že někdo tlačí velkou přepravku vzduchu ze zadních dveří vojenského transportéru, takže padá přímo dolů. Ale takhle to nefunguje!) Každé křídlo ve skutečnosti vysílá vzduch dolů vytvořením točí se vír (jakési mini tornádo) hned za ním. Je to trochu jako když stojíte na nástupišti u železniční stanice a vysokorychlostní vlak projede kolem bez zastavení a zanechá to, co vypadá jako obrovské sací vakuum s letadlem je vír poměrně složitý tvar a většina se pohybuje dolů – ale ne všichni. Ve středu se pohybuje obrovský tah vzduchu, ale nějaký vzduch ve skutečnosti víří nahoru po obou stranách konců křídel. , snižující vztlak.

Foto: Newtonovy zákony nutí letadla létat: Letadlo generuje vzestupnou sílu (výtah) tlačením vzduchu dolů k zemi. Jak ukazují tyto fotografie, vzduch se pohybuje dolů ne v čistém a uklizeném proudu, ale ve víru. vír ovlivňuje, jak těsně může jedno letadlo letět za druhým, a to je obzvláště důležité v blízkosti letišť, kde se neustále pohybuje mnoho letadel, což vytváří ve vzduchu složité vzory turbulencí. Vlevo: Barevný kouř ukazuje víry křídla produkované skutečné letadlo. Kouř ve středu se pohybuje dolů, ale pohybuje se nahoru za konce křídel. Vpravo: Jak se vír objevuje zespodu. Bílý kouř vykazuje stejný účinek v menším měřítku při zkoušce v aerodynamickém tunelu. Obě fotosvobody NASA Langley Research Centrum.