Downwash

Als je ooit in de buurt van een helikopter hebt gestaan, weet je precies hoe die in de lucht blijft: creëert een enorme “neerwaartse luchtstroom” (neerwaarts bewegende luchtstroom) die het gewicht in evenwicht houdt. Helikopterrotors lijken erg op vliegtuigvleugels, maar draaien rond in een cirkel in plaats van vooruit te bewegen in een rechte lijn, zoals die in een vliegtuig. Toch creëren vliegtuigen downwash op precies dezelfde manier als helikopters – het is alleen dat we het niet merken. De downwash is niet zo voor de hand liggend, maar het is net zo belangrijk als bij een helikopter.

Dit tweede aspect van het maken van een lift is een stuk gemakkelijker te begrijpen dan drukverschillen, althans voor een natuurkundige : volgens de derde bewegingswet van Isaac Newton, als lucht een opwaartse kracht aan een vliegtuig geeft, moet het vliegtuig een (gelijke en tegengestelde) neerwaartse kracht aan de lucht geven. Dus een vliegtuig genereert ook lift door zijn vleugels te gebruiken om lucht te duwen naar beneden. Dat gebeurt omdat de vleugels niet perfect horizontaal zijn, zoals je zou denken, maar een heel klein beetje naar achteren zijn gekanteld, zodat ze onder een aanvalshoek de lucht raken. De schuine vleugels duwen zowel de versnelde luchtstroom (van bovenaf) als de langzamer bewegende luchtstroom (van onderaf) naar beneden, en dit produceert lift. Omdat de gebogen bovenkant van het vleugelprofiel meer lucht afbuigt (naar beneden drukt) dan de rechtere onderkant (met andere woorden, het pad van de inkomende lucht veel dramatischer verandert), produceert het aanzienlijk meer lift.

Hoe vleugelprofielvleugels lift # 2 genereren: de gebogen vorm van een vleugel creëert een gebied met lage druk erboven (rood), dat lift genereert. De lage druk zorgt ervoor dat lucht over de vleugel versnelt, en de gebogen vorm van de vleugel (en de hogere luchtdruk ruim boven de veranderde luchtstroom) dwingt die lucht in een krachtige neerwaartse spoeling, waardoor het vliegtuig ook omhoog wordt geduwd. Deze animatie laat zien hoe verschillende invalshoeken (de hoek tussen de vleugel en de inkomende lucht) het lagedrukgebied boven een vleugel veranderen en de lift die deze maakt. Wanneer een vleugel plat is, creëert het gebogen bovenoppervlak een bescheiden gebied met lage druk en een bescheiden hoeveelheid lift (rood). Naarmate de aanvalshoek toeneemt, neemt de lift ook dramatisch toe – tot een bepaald punt, wanneer toenemende weerstand het vliegtuig doet afslaan (zie hieronder). Als we de vleugel naar beneden kantelen, produceren we een lagere druk eronder, waardoor het vliegtuig valt. Gebaseerd op Aerodynamics, een trainingsfilm van het War Department in het publieke domein uit 1941.

Je vraagt je misschien af waarom de lucht überhaupt achter een vleugel naar beneden stroomt. Waarom raakt het bijvoorbeeld niet de voorkant van de vleugel, buigt het over de bovenkant en gaat het dan horizontaal verder? Waarom is er een neerwaartse spoeling in plaats van alleen een horizontale ‘terugspoeling’? Denk eens terug aan onze eerdere bespreking van druk: een vleugel verlaagt de luchtdruk direct erboven. Hogerop, ruim boven het vliegtuig, is de lucht nog steeds op de normale druk, die hoger is dan de lucht direct boven de vleugel. Dus de normale luchtdruk ruim boven de vleugel drukt naar beneden op de lucht met lagere druk direct erboven, waardoor lucht effectief naar beneden en achter de vleugel wordt “gespoten” in een terugspoeling. Met andere woorden, het drukverschil dat een vleugel creëert en de neerwaartse lucht erachter zijn niet twee afzonderlijke dingen, maar alles een essentieel onderdeel van hetzelfde effect: een schuin geplaatste vleugelprofielvleugel creëert een drukverschil dat een neerwaartse spoeling veroorzaakt, en dit produceert lift.

Nu kunnen we zien dat vleugels apparaten zijn die zijn ontworpen om lucht naar beneden te duwen. gemakkelijk te begrijpen waarom vliegtuigen met platte of symmetrische vleugels (of ups ide-down stuntvliegtuigen) kunnen nog steeds veilig vliegen. Zolang de vleugels een neerwaartse luchtstroom creëren, zal het vliegtuig een gelijke en tegengestelde kracht ervaren – lift – die het in de lucht houdt. Met andere woorden, de ondersteboven piloot creëert een bepaalde aanvalshoek die net genoeg lage druk boven de vleugel genereert om het vliegtuig in de lucht te houden.

Hoeveel lift kun je maken?

Over het algemeen volgt de lucht die over de boven- en onderkant van een vleugel stroomt de kromming van de vleugeloppervlakken zeer nauwkeurig – net zoals je deze zou kunnen volgen als je de omtrek met een pen zou volgen. Maar naarmate de aanvalshoek toeneemt, begint de soepele luchtstroom achter de vleugel af te breken en turbulenter te worden en dat vermindert de lift. Onder een bepaalde hoek (meestal rond ongeveer 15 °, hoewel het varieert), stroomt de lucht niet meer soepel rond de vleugel. Er is een grote toename in luchtweerstand, een grote afname in lift, en het vliegtuig zou zijn afgeslagen. Dat is een enigszins verwarrende term omdat de motoren blijven draaien en het vliegtuig blijft vliegen; stall betekent simpelweg verlies van lift.

Foto: hoe een vliegtuig afslaat: hier is een vleugelprofiel in de wind tunnel gericht op de tegemoetkomende lucht met een steile aanvalshoek.Je kunt lijnen met rook gevulde lucht van rechts zien naderen en rond de vleugel afwijken terwijl ze naar links bewegen.Normaal gesproken volgen de luchtstroomlijnen de vorm (profiel) van de vleugel zeer nauw. Hier is vanwege de steile aanvalshoek de luchtstroom achter de vleugel afgescheiden en zijn turbulentie en luchtweerstand aanzienlijk toegenomen. Een vliegtuig dat op deze manier vliegt, zou een plotseling verlies van lift ervaren, wat we “stall” noemen. Foto met dank aan NASA Langley Research Center.

Vliegtuigen kunnen vliegen zonder vleugelvormige vleugels; dat weet je als je ooit een papieren vliegtuigje hebt gemaakt – en het werd op 17 december 1903 bewezen door de gebroeders Wright. In hun oorspronkelijke “Flying Machine” -octrooi (Amerikaans octrooi nr. 821393), is het duidelijk dat licht gekantelde vleugels (waarnaar ze “vliegtuigen” noemden) de belangrijkste onderdelen van hun uitvinding zijn. Hun “vliegtuigen” waren gewoon lappen stof. gespannen over een houten raamwerk; ze hadden geen vleugelprofiel (aerofoil) profiel. De Wrights realiseerden zich dat de aanvalshoek cruciaal is: “In vliegmachines van het karakter waarop deze uitvinding betrekking heeft, wordt het apparaat in de lucht ondersteund door het contact tussen de lucht en het onderoppervlak van een of meer vliegtuigen, -oppervlak wordt gepresenteerd onder een kleine invalshoek in de lucht. “Hoewel de Wrights briljante experimentele wetenschappers waren, is het belangrijk om te onthouden dat ze onze moderne kennis van aerodynamica en een volledig begrip van hoe vleugels precies werken, ontbrak.

Het is niet verrassend dat hoe groter de vleugels, hoe meer lift. ze creëren: een verdubbeling van het oppervlak van een vleugel (dat is het vlakke gebied dat je van bovenaf naar beneden kijkt) verdubbelt zowel de lift als de sleep die het maakt. Daarom hebben gigantische vliegtuigen (zoals de C-17 Globemaster op onze bovenste foto) gigantische vleugels. Maar kleine vleugels kunnen ook veel lift produceren als ze snel genoeg bewegen. Om extra lift te produceren bij het opstijgen, hebben vliegtuigen flappen op hun vleugels kunnen ze uitschuiven om meer lucht naar beneden te duwen. Lift en sleep variëren met het kwadraat van je snelheid, dus als een vliegtuig twee keer zo snel gaat in verhouding tot de tegemoetkomende lucht, produceren zijn vleugels vier keer zoveel lift (en weerstand). Helikopters produceren een enorme hoeveelheid lift door hun rotorbladen (in wezen dunne vleugels die in een cirkel draaien) heel snel te laten draaien.

Vleugelwervelingen

Nu gooit een vliegtuig geen lucht naar achteren het op een volledig schone manier. (Je zou je bijvoorbeeld kunnen voorstellen dat iemand een grote kist met lucht uit de achterdeur van een militaire transporter duwt zodat deze recht naar beneden valt. Maar zo werkt het niet!) Elke vleugel stuurt lucht naar beneden door een draaiende vortex (een soort mini-tornado) er direct achter. Het is een beetje zoals wanneer je op een perron bij een treinstation staat en een hogesnelheidstrein voorbij snelt zonder te stoppen, wat voelt als een enorm zuigend vacuüm zijn kielzog. Met een vliegtuig heeft de vortex een vrij complexe vorm en het meeste ervan beweegt naar beneden – maar niet alle. Er beweegt een enorme luchtstroom naar beneden in het midden, maar wat lucht wervelt in feite omhoog aan weerszijden van de vleugeltips , waardoor de lift wordt verminderd.

Foto: de wetten van Newton laten vliegtuigen vliegen: een vliegtuig genereert een opwaartse kracht (lift) door lucht naar de grond te duwen. Zoals deze foto’s laten zien, beweegt de lucht niet naar beneden in een nette en opgeruimde stroom maar in een draaikolk. de vortex beïnvloedt hoe dicht het ene vliegtuig achter het andere kan vliegen en het is vooral belangrijk in de buurt van luchthavens waar veel vliegtuigen constant in beweging zijn, waardoor complexe turbulentiepatronen in de lucht ontstaan. Links: Gekleurde rook toont de vleugelwervelingen geproduceerd door een echt vliegtuig. De rook in het midden beweegt naar beneden, maar het beweegt omhoog voorbij de vleugeltips. Rechts: hoe de vortex van onderaf verschijnt. Witte rook vertoont hetzelfde effect op kleinere schaal in een windtunneltest. Beide foto’s met dank aan NASA Langley Research Centrum.