Downwash

Wenn Sie jemals in der Nähe eines Hubschraubers gestanden haben, wissen Sie genau, wie es am Himmel bleibt: es erzeugt einen riesigen „Downwash“ (nach unten bewegenden Luftzug) Luft, der sein Gewicht ausgleicht. Hubschrauberrotoren sind Flugzeugprofilen sehr ähnlich, drehen sich jedoch im Kreis, anstatt sich geradlinig vorwärts zu bewegen, wie in einem Flugzeug. Trotzdem erzeugen Flugzeuge Downwash genauso wie Hubschrauber – es ist nur so, dass wir es nicht bemerken. Das Downwash ist nicht so offensichtlich, aber es ist genauso wichtig wie bei einem Chopper.

Dieser zweite Aspekt beim Heben ist zumindest für einen Physiker viel einfacher zu verstehen als Druckunterschiede : Nach Isaac Newtons drittem Bewegungsgesetz muss die Ebene, wenn Luft einem Flugzeug eine Aufwärtskraft verleiht, der Luft eine (gleiche und entgegengesetzte) Abwärtskraft verleihen. Ein Flugzeug erzeugt also auch Auftrieb, indem es mit seinen Flügeln Luft drückt Dahinter dahinter. Das passiert, weil die Flügel nicht perfekt horizontal sind, wie Sie vielleicht annehmen, sondern leicht nach hinten geneigt sind, sodass sie in einem Anstellwinkel in die Luft treffen. Die abgewinkelten Flügel drücken sowohl den beschleunigten Luftstrom (von oben über ihnen) als auch den sich langsamer bewegenden Luftstrom (von unten) nach unten, und dies erzeugt Auftrieb. Da die gekrümmte Oberseite des Schaufelblatts mehr Luft ablenkt (nach unten drückt) als die gerade Unterseite (mit anderen Worten, verändert den Weg der einströmenden Luft viel dramatischer), erzeugt sie deutlich mehr Auftrieb.

Wie Tragflächenflügel Auftrieb erzeugen # 2: Die gekrümmte Form eines Flügels erzeugt einen Bereich mit niedrigem Druck darüber (rot), der Auftrieb erzeugt. Durch den niedrigen Druck beschleunigt die Luft über den Flügel, und die gekrümmte Form des Flügels (und der höhere Luftdruck weit über dem veränderten Luftstrom) zwingt diese Luft zu einer starken Abwaschung, wodurch auch das Flugzeug nach oben gedrückt wird. Diese Animation zeigt, wie unterschiedliche Anstellwinkel (der Winkel zwischen dem Flügel und der einströmenden Luft) den Niederdruckbereich über einem Flügel und den Auftrieb ändern. Wenn ein Flügel flach ist, erzeugt seine gekrümmte Oberseite einen bescheidenen Bereich mit niedrigem Druck und einen geringen Auftrieb (rot). Mit zunehmendem Anstellwinkel nimmt auch der Auftrieb dramatisch zu – bis zu einem Punkt, an dem das Flugzeug durch zunehmenden Luftwiderstand zum Stillstand kommt (siehe unten). Wenn wir den Flügel nach unten kippen, erzeugen wir einen geringeren Druck darunter, wodurch das Flugzeug fällt. Basierend auf Aerodynamics, einem gemeinfreien Schulungsfilm des Kriegsministeriums aus dem Jahr 1941.

Sie fragen sich vielleicht, warum die Luft überhaupt hinter einem Flügel nach unten strömt. Warum trifft es zum Beispiel nicht auf die Vorderseite des Flügels, krümmt sich über die Oberseite und fährt dann horizontal fort? Warum gibt es eher eine Abwärtsspülung als nur eine horizontale „Rückspülung“? Denken Sie an unsere vorherige Diskussion über Druck zurück: Ein Flügel senkt den Luftdruck unmittelbar darüber. Weiter oben, weit über dem Flugzeug, befindet sich die Luft immer noch auf ihrem Normaldruck, der höher ist als die Luft unmittelbar über dem Flügel. Die Normaldruckluft weit über dem Flügel drückt also nach unten auf die Luft mit niedrigerem Druck unmittelbar darüber, die Luft bei einer Rückspülung effektiv nach unten und hinter den Flügel „spritzt“. Mit anderen Worten, der Druckunterschied, den ein Flügel erzeugt, und das Abwaschen der Luft dahinter sind nicht zwei getrennte Dinge, sondern alle Teil und Paket des gleichen Effekts: Ein abgewinkelter Tragflächenflügel erzeugt einen Druckunterschied, der eine Abwaschung bewirkt, und dies erzeugt einen Auftrieb.

Jetzt können wir sehen, dass Flügel Vorrichtungen sind, die Luft nach unten drücken sollen leicht zu verstehen, warum Flugzeuge mit flachen oder symmetrischen Flügeln (oder Ups) ide-down Stuntflugzeuge) können immer noch sicher fliegen. Solange die Flügel einen Luftstrom nach unten erzeugen, erfährt das Flugzeug eine gleiche und entgegengesetzte Kraft – Auftrieb -, die es in der Luft hält. Mit anderen Worten, der auf dem Kopf stehende Pilot erzeugt einen bestimmten Anstellwinkel, der gerade genug niedrigen Druck über dem Flügel erzeugt, um das Flugzeug in der Luft zu halten.

Wie viel Auftrieb können Sie machen?

Im Allgemeinen folgt die Luft, die über die Ober- und Unterseite eines Flügels strömt, sehr genau der Krümmung der Flügeloberflächen – genau wie Sie es vielleicht tun würden, wenn Sie den Umriss mit einem Stift nachzeichnen würden. Mit zunehmendem Anstellwinkel beginnt der gleichmäßige Luftstrom hinter dem Flügel zusammenzubrechen und turbulenter zu werden, was den Auftrieb verringert. In einem bestimmten Winkel (im Allgemeinen um 15 °, obwohl er variiert) strömt die Luft nicht mehr gleichmäßig um den Flügel. Es gibt eine große Zunahme des Luftwiderstands, eine große Verringerung des Auftriebs, und das Flugzeug soll ins Stocken geraten sein. Das ist ein etwas verwirrender Begriff, weil die Triebwerke weiterlaufen und das Flugzeug weiter fliegt. Stall bedeutet einfach einen Auftriebsverlust.

Foto: Wie ein Flugzeug blockiert: Hier ist ein Tragflächenflügel im Wind Tunnel mit steilem Anstellwinkel in Richtung der entgegenkommenden Luft. Sie können rauchgefüllte Luftlinien sehen, die sich von rechts nähern und um den Flügel herum abweichen, wenn sie sich nach links bewegen.Normalerweise würden die Luftströmungslinien der Form (dem Profil) des Flügels sehr genau folgen. Hier hat sich aufgrund des steilen Anstellwinkels der Luftstrom hinter dem Flügel getrennt und Turbulenzen und Luftwiderstand haben erheblich zugenommen. Ein Flugzeug, das so fliegt, würde einen plötzlichen Auftriebsverlust erleiden, den wir „Stall“ nennen. Foto mit freundlicher Genehmigung des NASA Langley Research Center.

Flugzeuge können ohne Tragflächenflügel fliegen. Sie werden es wissen, wenn Sie jemals ein Papierflugzeug gebaut haben – und es wurde am 17. Dezember 1903 von den Gebrüdern Wright bewiesen. In ihrem ursprünglichen „Flying Machine“ -Patent (US-Patent Nr. 821393) ist klar, dass leicht geneigte Flügel (die sie als „Flugzeuge“ bezeichneten) die Schlüsselelemente ihrer Erfindung sind. Ihre „Flugzeuge“ waren einfach Stoffstücke Sie waren über ein Holzgerüst gespannt und hatten kein Tragflächenprofil. Die Wrights erkannten, dass der Anstellwinkel entscheidend ist: „Bei Flugmaschinen des Charakters, auf den sich diese Erfindung bezieht, wird die Vorrichtung aufgrund des Kontakts zwischen der Luft und der Unterfläche eines oder mehrerer Flugzeuge, dem Kontakt, in der Luft gehalten -Oberfläche in einem kleinen Einfallswinkel zur Luft dargestellt. “ . Obwohl die Wrights brillante experimentelle Wissenschaftler waren, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass ihnen unser modernes Wissen über Aerodynamik und ein umfassendes Verständnis der Funktionsweise von Flügeln fehlten.

Es überrascht nicht, dass je größer die Flügel, desto mehr Auftrieb Sie erzeugen: Das Verdoppeln der Fläche eines Flügels (das ist die flache Fläche, die Sie von oben sehen) verdoppelt sowohl den Auftrieb als auch den Luftwiderstand. Aus diesem Grund haben gigantische Flugzeuge (wie der C-17 Globemaster auf unserem Foto oben) gigantische Flügel. Kleine Flügel können aber auch viel Auftrieb erzeugen, wenn sie sich schnell genug bewegen. Um beim Start zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen, haben Flugzeuge Klappen Flügel, die sie ausdehnen können, um mehr Luft nach unten zu drücken. Heben und Ziehen variieren mit dem Quadrat Ihrer Geschwindigkeit. Wenn ein Flugzeug im Vergleich zur entgegenkommenden Luft doppelt so schnell fliegt, erzeugen seine Flügel viermal so viel Auftrieb (und Luftwiderstand). Hubschrauber Sie erzeugen eine enorme Menge an Auftrieb, indem Sie ihre Rotorblätter (im Wesentlichen dünne Flügel, die sich in einem Kreis drehen) sehr schnell drehen.

Flügelwirbel

Jetzt wirft ein Flugzeug keine Luft mehr nach unten es auf völlig saubere Weise. (Sie können sich zum Beispiel vorstellen, dass jemand eine große Luftkiste aus der Hintertür eines Militärtransporters schiebt, damit sie direkt nach unten fällt. Aber so funktioniert das nicht!) Jeder Flügel sendet tatsächlich Luft nach unten, indem er eine Unmittelbar dahinter dreht sich ein Wirbel (eine Art Mini-Tornado). Es ist ein bisschen so, als ob Sie auf einem Bahnsteig an einem Bahnhof stehen und ein Hochgeschwindigkeitszug vorbeirast, ohne anzuhalten, und so etwas wie ein riesiges Saugvakuum hinterlässt Mit einer Ebene ist der Wirbel eine ziemlich komplexe Form und der größte Teil bewegt sich nach unten – aber nicht alle. In der Mitte bewegt sich ein riesiger Luftzug nach unten, aber etwas Luft wirbelt tatsächlich zu beiden Seiten der Flügelspitzen nach oben

Foto: Newtons Gesetze lassen Flugzeuge fliegen: Ein Flugzeug erzeugt eine Aufwärtskraft (Auftrieb), indem Luft nach unten in Richtung Boden gedrückt wird. Wie diese Fotos zeigen, bewegt sich die Luft nicht in einem ordentlichen Strom, sondern in einem Wirbel nach unten. Der Wirbel beeinflusst, wie eng ein Flugzeug hinter einem anderen fliegen kann. Dies ist besonders wichtig in der Nähe von Flughäfen, auf denen sich ständig viele Flugzeuge bewegen, wodurch komplexe Turbulenzmuster in der Luft entstehen. Links: Farbiger Rauch zeigt die Flügelwirbel, die von a erzeugt werden echtes Flugzeug. Der Rauch in der Mitte bewegt sich nach unten, aber er bewegt sich über die Flügelspitzen hinaus nach oben. Rechts: Wie der Wirbel von unten erscheint. Weißer Rauch zeigt in einem Windkanaltest den gleichen Effekt in kleinerem Maßstab. Beide Fotos mit freundlicher Genehmigung der NASA Langley Research Mitte.