Downwash
Jos olet koskaan seisonut helikopterin lähellä, tiedät tarkalleen, kuinka se pysyy taivaalla: se luo valtavan ”alaslaskevan” (alaspäin liikkuvan vedon) ilman, joka tasapainottaa sen painon. Helikopteriroottorit ovat hyvin samankaltaisia kuin lentokoneen kantolevyt, mutta pyörivät ympyrässä sen sijaan, että liikkuisivat eteenpäin suorassa linjassa, kuten lentokoneessa olevat. Silti lentokoneet aiheuttavat laskuvettä täsmälleen samalla tavalla kuin helikopterit – me emme vain huomaa. Downwash ei ole niin ilmeinen, mutta se on yhtä tärkeä kuin hakkurilla.
Tämä toinen tekijä nostossa on paljon helpompi ymmärtää kuin paine-erot, ainakin fyysikoille : Isaac Newtonin kolmannen liikelain mukaan, jos ilma antaa tasolle ylöspäin suuntautuvan voiman, koneen on annettava ilmalle (yhtä suuri ja vastakkainen) alaspäin suuntautuva voima. Joten myös kone tuottaa nousun käyttämällä siipiään ilman työntämiseen Tämä tapahtuu, koska siivet eivät ole täysin vaakasuorassa, kuten luulet, mutta kallistuvat taaksepäin hyvin vähän, niin että ne osuvat ilmaan hyökkäyskulmassa. Kulmaiset siivet painavat sekä kiihtynyttä ilmavirtaa (ylhäältäpäin) että hitaammin liikkuvaa ilmavirtaa (niiden alapuolelta), ja tämä nostaa. Koska etukannen kaareva yläosa ohjaa (työntää alas) enemmän ilmaa kuin suorempi pohja (toisin sanoen muuttaa saapuvan ilman polkua paljon dramaattisemmin), se tuottaa huomattavasti enemmän nostoa.
Kuinka kantosiipien siivet tuottavat nousun # 2: Siiven kaareva muoto luo matalan paineen alueen sen yläpuolelle (punainen), mikä nostaa. Matalan paineen ansiosta ilma kiihtyy siiven yli, ja siiven kaareva muoto (ja korkeampi ilmanpaine selvästi muutetun ilmavirran yläpuolella) pakottaa sen ilman voimakkaaseen alavirtaan, myös työntämällä koneen ylös. Tämä animaatio osoittaa, kuinka erilaiset hyökkäyskulmat (siiven ja tulevan ilman välinen kulma) muuttavat siiven yläpuolella olevaa matalapainealuetta ja sen tekemää nostoa. Kun siipi on tasainen, sen kaareva yläpinta luo vaatimattoman matalapaineisen alueen ja vaatimattoman määrän nostoa (punainen). Hyökkäyskulman kasvaessa myös hissi kasvaa dramaattisesti – pisteeseen saakka, kun kasvava vastus saa koneen pysähtymään (katso alla). Jos kallistamme siipeä alaspäin, tuotamme sen alle pienemmän paineen, jolloin kone putoaa. Perustuu aerodynamiikkaan, joka on julkinen sotaministeriön koulutuselokuva vuodelta 1941.
Saatat ihmetellä, miksi ilma virtaa lainkaan siiven takana. Miksi esimerkiksi se ei osu siiven etuosaan, käyrä ylhäältä ja jatkuu sitten vaakasuoraan? Miksi tapahtuu alavirta eikä yksinkertaisesti vaakasuora ”takapesu”? Mieti takaisin edelliseen painekeskusteluun: siipi laskee ilmanpainetta heti sen yläpuolelle.Korkeammalla, huomattavasti tason yläpuolella, ilma on edelleen normaalipaineessaan, joka on korkeampi kuin välittömästi siiven yläpuolella oleva ilma. suoraan sen yläpuolella olevaan alemman paineen ilmaan, ”ruiskuttamalla” ilmaa siipien takana ja takana pesuvedessä. Toisin sanoen, siiven aiheuttama paine-ero ja sen takana olevan ilman alipesu eivät ole kaksi erillistä asiaa, mutta kaikki osa ja paketti, jolla on sama vaikutus: kulmikas kantolaipan siipi luo paine-eron, joka aiheuttaa alavirtauksen, ja tämä aiheuttaa nousun.
Nyt voimme nähdä, että siivet ovat laitteita, jotka on suunniteltu työntämään ilmaa alaspäin. helppo ymmärtää miksi koneet, joissa on tasaiset tai symmetriset siivet (tai ylöspäin) stunt-lentokoneet) voivat silti lentää turvallisesti. Niin kauan kuin siivet synnyttävät alaspäin suuntautuvaa ilmavirtaa, kone kokee samanlaisen ja vastakkaisen voiman – noston – joka pitää sen ilmassa. Toisin sanoen ylösalaisin ohjaaja luo erityisen hyökkäyskulman, joka tuottaa vain tarpeeksi matalan paineen siiven yläpuolelle pitääkseen koneen ilmassa.
Kuinka paljon voit nostaa?
Yleensä siiven ylä- ja alaosan yli virtaava ilma seuraa siipien käyrää hyvin tarkasti – aivan kuten saatat seurata sitä, jos seuraat sen ääriviivoja kynällä. Mutta hyökkäyskulman kasvaessa siiven takana oleva tasainen ilmavirta alkaa hajota ja muuttua myrskyisemmäksi, mikä vähentää nostoa. Tietyssä kulmassa (yleensä noin 15 °: n ympäri, vaikka se vaihtelee), ilma ei enää virtaa tasaisesti siiven ympäri. Siellä on suuri lisäys vetoon, suuri lasku hississä, ja koneen sanotaan pysähtyneen. Se on hieman hämmentävä termi, koska moottorit käyvät jatkuvasti ja kone lentää; pysähtyminen tarkoittaa yksinkertaisesti hissin menetystä.
Kuva: Kuinka kone pysähtyy: Tässä on tuulilasin siipi tuulessa Tunneli on vastakkain tulevaa ilmaa vasten jyrkässä hyökkäyskulmassa. Voit nähdä savun täyttämän ilman viivoja lähestymässä oikealta ja poikkeavia siiven ympäri, kun ne liikkuvat vasemmalle.Normaalisti ilmavirran linjat seuraavat hyvin siiven muotoa (profiilia). Täällä jyrkän iskukulman takia ilmavirta on eronnut siiven taakse ja turbulenssi ja vastus ovat lisääntyneet merkittävästi. Näin lentävä kone kokee äkillisen hissin menetyksen, jota kutsumme ”pysähtymiseksi”. Kuva: NASA Langley Research Center.
Lentokoneet voivat lentää ilman kantolevyn muotoisia siipiä; tiedät sen, jos olet koskaan tehnyt paperilentokoneen – ja Wrightin veljet todistivat sen 17. joulukuuta 1903. Alkuperäisessä ”Flying Machine” -patentissaan (Yhdysvaltain patentti 821393) on selvää, että hiukan kallistetut siivet (joita he kutsuvat ”lentokoneiksi”) ovat heidän keksintönsä keskeisiä osia. Heidän ”lentokoneet” olivat yksinkertaisesti kangaspaloja venytetty puurungon yli; heillä ei ollut aluksen kantokennoprofiilia. Wrights tajusi, että hyökkäyskulma on ratkaisevan tärkeä: ”Tämän keksinnön mukaisessa luonteessa lentävissä koneissa laitetta tuetaan ilmassa ilman ja yhden tai useamman lentokoneen pinnan välisen kosketuksen vuoksi. -pinta on pienessä ilmaan kohdistuvassa kulmassa. ” . Vaikka Wrightit olivat loistavia kokeellisia tutkijoita, on tärkeää muistaa, että heiltä puuttui moderni aerodynamiikan tietämyksemme ja täydellinen käsitys siipien tarkasta toiminnasta.
Ei ole yllättävää, että mitä isommat siivet, sitä enemmän hissiä ne luovat: kaksinkertaistamalla siiven pinta-alan (joka on tasainen alue, jonka näet ylhäältä katsottuna), tuplaa sekä hissi että vetää sen tekemää. Siksi jättimäisillä lentokoneilla (kuten C-17 Globemaster meidän yläkuvassa) on jättimäiset siivet. Mutta pienet siivet voivat myös tuottaa paljon nostoa, jos ne liikkuvat riittävän nopeasti. Lisähissin tuottamiseksi lentoonlähdössä lentokoneissa on läpät. siivet voivat ulottua työntää enemmän ilmaa alaspäin. Nosto ja vetäminen vaihtelevat nopeutesi neliön mukaan, joten jos kone kulkee kaksinkertaisen nopeammin tulevaan ilmaan nähden, sen siivet tuottavat neljä kertaa enemmän hissiä (ja vetoa). tuottavat valtavan määrän nostoa pyörittämällä roottorin siipiä (lähinnä ohuita siipiä, jotka pyörivät ympyrässä) hyvin nopeasti.
Siipipyörät
Nyt kone ei heitä ilmaa taakse se täysin puhtaalla tavalla. (Voisit kuvitella, että joku työntää suuren laatikon ilmaa sotilaskuljettimen takaovesta, jotta se putoaa suoraan alas. Mutta se ei toimi aivan niin!) Jokainen siipi lähettää itse asiassa ilmaa tekemällä pyörivä pyörre (eräänlainen mini-tornado) heti sen takana. Se on vähän kuin silloin, kun seisot korilla rautatieasemalla ja pikajuna ryntää ohi pysähtymättä, jättäen tunteen valtavalta imuroivalta tyhjiöltä Sen pyörre on koneella melko monimutkainen ja suurimmaksi osaksi se liikkuu alaspäin – mutta ei kaikki. Keskellä on valtava ilmavirta, mutta ilma pyörii todella ylöspäin siipien molemmin puolin. , vähentää hissiä.
Kuva: Newtonin lait panevat lentokoneet lentämään: Lentokone tuottaa ylöspäin suuntautuvan voiman (noston) työntämällä ilmaa alas kohti maata. Kuten nämä kuvat osoittavat, ilma liikkuu alaspäin ei siistinä ja siistinä virtana, vaan pyörteenä. pyörre vaikuttaa siihen, kuinka lähellä yksi kone voi lentää toisen takana, ja se on erityisen tärkeää lentokenttien lähellä, joissa on paljon lentokoneita, jotka liikkuvat koko ajan, aiheuttaen monimutkaisia kuvioita turbulenssista ilmassa. Vasen: Värillinen savu näyttää lentokoneen tuottamat siipipyörteet todellinen kone. Savu keskellä liikkuu alaspäin, mutta se liikkuu ylöspäin siipikärkien yli. Oikea: Kuinka pyörre näkyy alhaalta. Valkoinen savu osoittaa saman vaikutuksen pienemmässä mittakaavassa tuulitunnelitestissä. Molemmat kuvat NASA Langley Researchin suostumuksella Keskellä.
