Downwash

Hvis du noen gang har stått i nærheten av et helikopter, vet du nøyaktig hvordan det holder seg på himmelen: det skaper en enorm «downwash» (nedadgående trekk) av luft som balanserer vekten. Helikopterrotorer ligner veldig på flyplater, men snurrer rundt i en sirkel i stedet for å bevege seg fremover i en rett linje, som de på et fly. Likevel skaper fly downwash på nøyaktig samme måte som helikoptre – det er bare det vi ikke merker. Downwash er ikke så tydelig, men det er like viktig som det er med en helikopter.

Dette andre aspektet ved å lage løft er mye lettere å forstå enn trykkforskjeller, i det minste for en fysiker : ifølge Isaac Newtons tredje lov om bevegelse, hvis luft gir en oppadgående kraft til et plan, må flyet gi en (lik og motsatt) nedadgående kraft til luften. Så et fly genererer også løft ved å bruke vingene til å skyve luft nedover bak. Det skjer fordi vingene ikke er helt vannrette, som du kanskje antar, men vippes litt tilbake slik at de traff luften i en angrepsvinkel. De vinklede vingene skyver ned både den akselererte luftstrømmen (ovenfra) og den langsommere bevegelige luftstrømmen (nedenfra), og dette gir løft. Siden den buede toppen av bunnbladet avbøyer (skyver ned) mer luft enn den rette bunnen (med andre ord endrer banen til den innkommende luften mye mer dramatisk), gir den betydelig mer løft.

Hvordan vingevinger genererer løft nr. 2: Den buede formen på en vinge skaper et område med lavt trykk opp over den (rød), som genererer løft. Lavtrykket får luft til å akselerere over vingen, og den buede formen på vingen (og det høyere lufttrykket godt over den endrede luftstrømmen) tvinger luften inn i et kraftig nedvask, og skyver også flyet opp. Denne animasjonen viser hvordan forskjellige angrepsvinkler (vinkelen mellom vingen og den innkommende luften) endrer lavtrykksregionen over en vinge og heisen den gjør. Når en vinge er flat, skaper den buede øvre overflaten en beskjeden region med lavt trykk og en beskjeden mengde løft (rød). Når angrepsvinkelen øker, øker heisen dramatisk også – opp til et punkt når økende motstand får flyet til å stanse (se nedenfor). Hvis vi vipper vingen nedover, produserer vi lavere trykk under den, slik at flyet faller. Basert på Aerodynamics, en offentlig filmen War Department-treningsfilm fra 1941.

Du lurer kanskje på hvorfor luften i det hele tatt strømmer ned bak en ving. Hvorfor treffer den for eksempel ikke forsiden av vingen, kurver over toppen og fortsetter deretter vannrett? Hvorfor er det en nedvask i stedet for bare en horisontal «tilbakespyling»? Tenk tilbake til vår forrige diskusjon om press: en vinge senker lufttrykket rett over det. Høyere opp, godt over flyet, er luften fremdeles ved sitt normale trykk, som er høyere enn luften rett over vingen. Så normaltrykkluften godt over vingen skyver ned på lavtrykksluften rett over den, «spruter» effektivt luft nedover og bak vingen i et tilbakespyling. Med andre ord, trykkforskjellen som en vinge skaper og nedvannet av luft bak den er ikke to separate ting, men alle del og pakke med samme effekt: en vinklet bærefløyving skaper en trykkforskjell som gjør en nedvask, og dette gir løft.

Nå kan vi se at vingene er enheter designet for å skyve luften nedover, den er lett å forstå hvorfor fly med flate eller symmetriske vinger (eller ups ide-ned stuntfly) kan fortsatt trygt fly. Så lenge vingene skaper en luftstrøm nedover, vil flyet oppleve en lik og motsatt kraft – løft – som vil holde det i luften. Med andre ord skaper piloten opp og ned en bestemt angrepsvinkel som genererer akkurat nok lavt trykk over vingen til å holde flyet i luften.

Hvor mye løft kan du gjøre?

Generelt følger luften som flyter over toppen og bunnen av en vinge kurven på vingeflatene veldig nøye – akkurat som du kan følge den hvis du sporer omrisset med en penn. Men når angrepsvinkelen øker, begynner den jevne luftstrømmen bak vingen å bryte ned og bli mer turbulent, og det reduserer heisen. I en viss vinkel (vanligvis rundt 15 °, selv om det varierer), flyter luften ikke lenger jevnt rundt vingen. Det er en stor økning i luftmotstand, en stor reduksjon i heis, og flyet sies å ha stoppet. Det er et litt forvirrende begrep fordi motorene fortsetter å gå og flyet fortsetter å fly; bod betyr ganske enkelt tap av heis.

Foto: Hvordan et fly stanser: Her er en bærefløy i en vind tunnel vendt mot den møtende luften i en bratt angrepsvinkel. Du kan se linjer med røykfylt luft som nærmer seg fra høyre og avviker rundt vingen når de beveger seg mot venstre.Normalt vil luftstrømslinjene følge vingens form (profil) veldig nøye. Her, på grunn av den bratte angrepsvinkelen, har luftstrømmen skilt seg ut bak vingen og turbulens og motstand har økt betydelig. Et fly som flyr som dette vil oppleve et plutselig tap av heis, som vi kaller «stall». Foto med tillatelse fra NASA Langley Research Center.

Fly kan fly uten vingeformede vinger; du vet at hvis du noen gang har laget et papirfly – og det ble bevist 17. desember 1903 av Wright-brødrene. I deres opprinnelige «Flying Machine» patent (US patent nr. 821393) er det tydelig at lett vinklede vinger (som de refererte til som «fly») er de viktigste delene av deres oppfinnelse. Deres «fly» var ganske enkelt tøystykker. strukket over et treverk, de hadde ikke en profilprofil (aerofoil). Wrights innså at angrepsvinkelen er avgjørende: «I flygende maskiner av den karakteren som oppfinnelsen vedrører, støttes apparatet i luften på grunn av kontakten mellom luften og underflaten til et eller flere fly, kontakten -overflaten blir presentert i en liten innfallsvinkel til luften. » . Selv om Wrights var strålende eksperimentelle forskere, er det viktig å huske at de manglet vår moderne kunnskap om aerodynamikk og en full forståelse av nøyaktig hvordan vingene fungerer.

Ikke overraskende, jo større vingene er, jo mer løft de skaper: dobling av en vinges areal (det er det flate området du ser ned fra oven) dobler både heisen og dra den gjør. Derfor har gigantiske fly (som C-17 Globemaster på vårt toppbilde) gigantiske vinger. Men små vinger kan også produsere mye løft hvis de beveger seg raskt nok. For å produsere ekstra løft ved start har fly klaffer på seg vinger de kan strekke seg ut for å skyve mer luft ned. Løft og dra varierer med kvadratet av hastigheten din, så hvis et fly går dobbelt så raskt, i forhold til den møtende luften, produserer vingene fire ganger så mye løft (og dra). produsere en enorm mengde løft ved å snurre rotorbladene (i det vesentlige tynne vinger som spinner i en sirkel) veldig raskt.

Vingehvirvler

Nå kaster et fly ikke luft ned bak det på en helt ren måte. (Du kan for eksempel forestille deg at noen skyver en stor kasse med luft ut av bakdøren til en militærtransporter slik at den faller rett ned. Men den fungerer ikke sånn!) Hver fløy sender faktisk luft ned ved å lage en snurrende vortex (en slags mini-tornado) rett bak den. Det er litt som når du står på en plattform på en jernbanestasjon og et høyhastighetstog suser forbi uten å stoppe, og etterlater det som føles som et enormt sugende vakuum i Med et fly er vortexen ganske kompleks og det meste beveger seg nedover – men ikke alt. Det er et stort luftuttak som beveger seg nedover i midten, men noe luft virvler faktisk oppover hver side av vingespissene. , reduserer heisen.

Foto: Newtons lover får fly til å fly: Et fly genererer en oppadgående kraft (løft) ved å skyve luft ned mot bakken. Som disse bildene viser, beveger luften seg ikke ned i en ryddig og ryddig strøm, men i en virvel. Blant andre ting, vortexen påvirker hvor tett ett fly kan fly bak et annet, og det er spesielt viktig i nærheten av flyplasser hvor det er mange fly som beveger seg hele tiden, og lager komplekse mønstre av turbulens i luften. Venstre: Farget røyk viser vinghvirvler produsert av en ekte fly. Røyken i sentrum beveger seg nedover, men den beveger seg oppover utover vingespissene. Høyre: Hvordan virvelen ser ut nedenfra. Hvit røyk viser den samme effekten i mindre skala i en vindtunneltest. Begge bildene fra NASA Langley Research Senter.