Downwash

Hvis du nogensinde har stået nær en helikopter, ved du nøjagtigt, hvordan det forbliver på himlen: det skaber en kæmpe “downwash” (nedadgående bevægelse) af luft, der afbalancerer dens vægt. Helikopterrotorer ligner meget flyvemaskiner, men drejer rundt i en cirkel i stedet for at bevæge sig fremad i en lige linje, som dem på et fly. Alligevel skaber fly downwash på nøjagtig samme måde som helikoptere – det er bare, at vi ikke lægger mærke til det. Downwash er ikke så indlysende, men det er lige så vigtigt som det er med en chopper.

Dette andet aspekt ved at gøre lift er meget lettere at forstå end trykforskelle, i det mindste for en fysiker : ifølge Isaac Newtons tredje bevægelseslov, hvis luft giver en opadgående kraft til et plan, skal planet give en (lige og modsat) nedadgående kraft til luften. Så et fly genererer også løft ved at bruge sine vinger til at skubbe luft nedad bagved. Det sker, fordi vingerne ikke er helt vandrette, som du måske antager, men vippes meget lidt tilbage, så de rammer luften i en angrebsvinkel. De vinklede vinger skubber ned både den accelererede luftstrøm (ovenfra) og den langsommere bevægende luftstrøm (nedenfra), og dette giver løft. Da den buede top af bærefladen afbøjer (skubber ned) mere luft end den lige bund (med andre ord ændrer stien til den indkommende luft meget mere dramatisk), producerer den betydeligt mere løft.

Hvordan vinger til vinger genererer løft nr. 2: Den vinges buede form skaber et område med lavt tryk op over det (rødt), hvilket genererer løft. Det lave tryk får luft til at accelerere over vingen, og vingens buede form (og det højere lufttryk langt over den ændrede luftstrøm) tvinger luften ind i en kraftig nedvask, hvilket også skubber flyet op. Denne animation viser, hvordan forskellige angrebsvinkler (vinklen mellem vingen og den indkommende luft) ændrer lavtryksområdet over en vinge og den lift, den laver. Når en vinge er flad, skaber dens buede øvre overflade et beskedent område med lavt tryk og en beskeden mængde løft (rød). Når angrebsvinklen øges, øges liften også dramatisk – op til et punkt, når stigende træk får flyet til at gå i stå (se nedenfor). Hvis vi vipper vingen nedad, producerer vi lavere tryk under den, hvilket får flyet til at falde. Baseret på aerodynamik, en træningsfilm fra krigsafdelingen fra det offentlige domæne fra 1941.

Du undrer dig måske over, hvorfor luften overhovedet strømmer ned bag en vinge. Hvorfor rammer det for eksempel ikke forsiden af vingen, kurver over toppen og fortsætter derefter vandret? Hvorfor er der en downwash snarere end blot en vandret “backwash”? Tænk tilbage på vores tidligere diskussion af pres: en vinge sænker lufttrykket umiddelbart over det. Højere op, langt over planet, er luften stadig ved sit normale tryk, hvilket er højere end luften umiddelbart over vingen. Så luften med normalt tryk langt over vingen skubber ned på luften med lavere tryk umiddelbart over den, “sprøjter” effektivt luft ned og bag vingen i en tilbagespyling. Med andre ord er den trykforskel, som en vinge skaber, og nedskylningen af luft bag den ikke to separate ting, men alle del og pakke af den samme effekt: en vinklet bærefløjsvinge skaber en trykforskel, der skaber en nedvask, og dette producerer løft.

Nu kan vi se, at vinger er enheder designet til at skubbe luft nedad, det er let at forstå, hvorfor fly med flade eller symmetriske vinger (eller ups ide-ned stuntfly) kan stadig flyve sikkert. Så længe vingerne skaber en nedadgående strøm af luft, vil flyet opleve en lige og modsat kraft – løft – der holder det i luften. Med andre ord skaber den omvendte pilot en bestemt angrebsvinkel, der genererer lige nok lavt tryk over vingen til at holde flyet i luften.

Hvor meget løft kan du gøre?

Generelt følger luften, der strømmer over toppen og bunden af en vinge, kurven på vingefladerne meget tæt – ligesom du måske følger den, hvis du sporer dens omrids med en pen. Men når angrebsvinklen øges, begynder den glatte luftstrøm bag vingen at bryde ned og blive mere turbulent, og det reducerer liften. I en bestemt vinkel (generelt omkring 15 °, selvom det varierer), flyder luften ikke længere jævnt rundt om vingen. Der er en stor stigning i træk, en stor reduktion i lift, og flyet siges at have stoppet. Det er et lidt forvirrende udtryk, fordi motorerne fortsætter med at køre, og flyet fortsætter med at flyve; bås betyder simpelthen et tab af løft.

Foto: Hvordan et fly går i stå: Her er en bærefløj i en vind tunnel vendt mod den modkørende luft i en stejl angrebsvinkel. Du kan se linjer med røgfyldt luft, der nærmer sig fra højre og afviger rundt om vingen, når de bevæger sig til venstre.Normalt vil luftstrømsledningerne følge vingens form (profil) meget nøje. Her på grund af den stejle angrebsvinkel er luftstrømmen adskilt bag vingen og turbulens og træk er steget betydeligt. Et fly, der flyver som dette, oplever et pludseligt tab af lift, som vi kalder “stall”. Foto med tilladelse fra NASA Langley Research Center.

Fly kan flyve uden vingeformede vinger; du ved det, hvis du nogensinde har lavet et papirfly – og det blev bevist den 17. december 1903 af brødrene Wright. I deres originale “Flying Machine” patent (US patent nr. 821393) er det klart, at let vippede vinger (som de kaldte “fly”) er nøgleelementerne i deres opfindelse. Deres “fly” var simpelthen stykker stof strakte sig over en træramme, de havde ikke en profil (aerofoil) profil. Wrights indså, at angrebsvinklen er afgørende: “I flyvende maskiner af den karakter, som denne opfindelse vedrører, understøttes apparatet i luften på grund af kontakten mellem luften og underfladen på et eller flere fly, kontakten -overfladen præsenteres i en lille indfaldsvinkel til luften. ” . Selvom Wrights var strålende eksperimentelle videnskabsmænd, er det vigtigt at huske, at de manglede vores moderne viden om aerodynamik og en fuld forståelse af, hvordan vinger fungerer nøjagtigt.

Ikke overraskende, jo større vinger, jo mere løft de skaber: fordobling af en vings areal (det er det flade område, du ser kigge ned ovenfra) fordobler både liften og træk, den gør. Derfor har gigantiske fly (som C-17 Globemaster på vores topfoto) gigantiske vinger. Men små vinger kan også producere en hel del lift, hvis de bevæger sig hurtigt nok. For at producere ekstra lift ved start har fly klapper på deres vinger, de kan strække sig for at skubbe mere luft ned. Løft og træk varierer med kvadratet af din hastighed, så hvis et fly går dobbelt så hurtigt i forhold til den modkørende luft, producerer dets vinger fire gange så meget løft (og træk). producerer en enorm mængde løft ved at dreje deres rotorblade (i det væsentlige tynde vinger, der spinder i en cirkel) meget hurtigt.

Vingehvirvler

Nu kaster et fly ikke luft ned bagved det på en helt ren måde. (Man kan f.eks. Forestille sig, at nogen skubber en stor luftkasse ud af bagdøren til en militærtransportør, så den falder lige ned. Men den fungerer ikke sådan!) Hver fløj sender faktisk luft ned ved at lave en snurrende vortex (en slags mini-tornado) umiddelbart bagved den. Det er lidt som når du står på en platform ved en jernbanestation, og et højhastighedstog skynder sig forbi uden at stoppe og efterlader det, der føles som et stort sugende vakuum i Med et plan er vortexen ganske kompleks og det meste bevæger sig nedad – men ikke alt. Der er et stort luftudkast, der bevæger sig ned i midten, men noget luft hvirvler faktisk opad på begge sider af vingespidserne. , reducerende lift.

Foto: Newtons love får fly til at flyve: Et fly genererer en opadgående kraft (løft) ved at skubbe luft ned mod jorden. Som disse fotos viser, bevæger luften sig ikke ned i en pæn og pæn strøm, men i en hvirvel. Blandt andre ting, vortex påvirker, hvor tæt et fly kan flyve bag et andet, og det er især vigtigt nær lufthavne, hvor der er mange fly, der bevæger sig hele tiden, hvilket skaber komplekse mønstre af turbulens i luften. Venstre: Farvet røg viser vingevirvlerne produceret af en rigtigt fly. Røgen i midten bevæger sig nedad, men den bevæger sig opad ud over vingespidserne. Højre: Hvordan hvirvelbilledet ser ud nedenfra. Hvid røg viser den samme effekt i mindre skala i en vindtunneltest. Begge fotosøgning fra NASA Langley Research Center.