Downwash

Om du någonsin har stått nära en helikopter, vet du exakt hur det stannar på himlen: det skapar en enorm ”downwash” (nedåtgående rörelse) luft som balanserar dess vikt. Helikopterrotorer liknar väldigt mycket flygplan, men snurrar runt i en cirkel istället för att röra sig framåt i en rak linje, som de i ett plan. Ändå skapar flygplan nedtvätt på exakt samma sätt som helikoptrar – det är bara att vi inte märker det. Avvattnet är inte så uppenbart, men det är lika viktigt som det är med en hackare.

Denna andra aspekt av att göra lyft är mycket lättare att förstå än tryckskillnader, åtminstone för en fysiker : enligt Isaac Newtons tredje rörelselag, om luft ger ett plan uppåt, måste planet ge en (lika och motsatt) nedåtstyrka till luften. Så ett plan genererar också lyft genom att använda sina vingar för att trycka luft nedåt bakom det. Det händer för att vingarna inte är helt horisontella, som du antar, men lutar mycket bakåt så att de träffar luften i en angreppsvinkel. De vinklade vingarna trycker ner både det accelererade luftflödet (uppifrån ovanför dem) och det långsammare rörliga luftflödet (från under dem), och detta ger lyft. Eftersom den böjda toppen av flygplattan avböjer (skjuter ner) mer luft än den rakare botten (med andra ord förändrar banan för den inkommande luften mycket mer dramatiskt), ger den betydligt mer lyft.

Hur vingar på vingar genererar lyft nr 2: En vings böjda form skapar ett område med lågt tryck upp över den (röd), vilket genererar lyft. Det låga trycket gör att luften accelererar över vingen, och den böjda formen på vingen (och det högre lufttrycket långt över den förändrade luftströmmen) tvingar den luften in i ett kraftfullt nedtvätt, vilket också skjuter planet uppåt. Denna animation visar hur olika attackvinklar (vinkeln mellan vingen och den inkommande luften) förändrar lågtrycksregionen ovanför en vinge och den lyft den gör. När en vinge är plan skapar den böjda övre ytan en blygsam region med lågt tryck och en blygsam lyft (röd). När attackvinkeln ökar ökar hissen dramatiskt – upp till en punkt när ökande drag gör att planet stannar (se nedan). Om vi lutar vingen nedåt producerar vi lägre tryck under den och får planet att falla. Baserat på Aerodynamics, en utbildningsfilm från krigsdepartementet från 1941.

Du kanske undrar varför luften överhuvudtaget rinner ner bakom en vinge. Varför, till exempel, träffar den inte framsidan av vingen, böjer sig över toppen och fortsätter sedan horisontellt? Varför finns det en nedtvätt snarare än bara en horisontell ”backwash”? Tänk tillbaka på vår tidigare diskussion om tryck: en vinge sänker lufttrycket omedelbart över det. Högt upp, långt över planet, är luften fortfarande vid sitt normala tryck, vilket är högre än luften omedelbart ovanför vingen. Så normaltrycksluften långt över vingen skjuter ner på luften med lägre tryck omedelbart ovanför den, ”sprutar” effektivt luft ner och bakom vingen i en backwash. Med andra ord, tryckskillnaden som en vinge skapar och downwashen av luft bakom den är inte två separata saker men alla del och paket med samma effekt: en vinklad vinge för vingar skapar en tryckskillnad som gör en nedtvätt, och detta ger lyft.

Nu kan vi se att vingarna är enheter som är konstruerade för att trycka luften nedåt, den är lätt att förstå varför plan med plana eller symmetriska vingar (eller ups ide-down-stuntplan) kan fortfarande flyga säkert. Så länge vingarna skapar ett luftflöde nedåt kommer planet att uppleva en lika och motsatt kraft – lyft – som håller den i luften. Med andra ord skapar den upp och ned piloten en viss attackvinkel som genererar tillräckligt lågt tryck över vingen för att hålla planet i luften.

Hur mycket lyft kan du göra?

I allmänhet följer luften som flyter över toppen och botten av en vinge kurvorna på vingytorna mycket nära – precis som du kan följa den om du spårade dess konturer med en penna. Men när attackvinkeln ökar börjar det jämna luftflödet bakom vingen bryta ner och bli mer turbulent och det minskar hissen. I en viss vinkel (vanligtvis runt 15 °, även om det varierar), flyter luften inte längre smidigt runt vingen. Det är en stor ökning av luftmotståndet, en kraftig minskning av hissen och planet sägs ha fastnat. Det är en något förvirrande term eftersom motorerna fortsätter att köra och planet fortsätter att flyga; stall betyder helt enkelt en förlust av hiss.

Foto: Hur ett plan stannar: Här är en flygplansvinga i en vind tunnel mot den mötande luften i en brant attackvinkel. Du kan se linjer med rökfylld luft närma sig från höger och avvika runt vingen när de rör sig åt vänster.Normalt följer luftflödeslinjerna vingens form (profil) mycket noggrant. Här, på grund av den branta attackvinkeln, har luftflödet separerat sig bakom vingen och turbulens och drag har ökat avsevärt. Ett flyg som flyger som detta skulle uppleva en plötslig förlust av hiss, som vi kallar ”stall”. Foto med tillstånd av NASA Langley Research Center.

Plan kan flyga utan vingar av flygplansform; du vet att om du någonsin har gjort ett pappersflygplan – och det bevisades den 17 december 1903 av bröderna Wright. I deras ursprungliga ”Flying Machine” patent (US patent nr 821393) är det tydligt att lätt lutande vingar (som de kallade ”flygplan”) är de viktigaste delarna av deras uppfinning. Deras ”flygplan” var helt enkelt tygstycken sträckte sig över en träram, de hade ingen profilprofil (aerofoil). Wrights insåg att attackvinkeln är avgörande: ”I flygmaskiner av den karaktär som denna uppfinning hänför sig till stöds apparaten i luften på grund av kontakten mellan luften och underytan på ett eller flera flygplan, kontakten -ytan presenteras med en liten infallsvinkel mot luften. ” . Även om Wrights var lysande experimentforskare är det viktigt att komma ihåg att de saknade vår moderna kunskap om aerodynamik och en fullständig förståelse för exakt hur vingar fungerar.

Inte överraskande, ju större vingar desto mer lyft de skapar: en fördubbling av en vings yta (det är det plana området du ser nerifrån och ner) fördubblar både hissen och dra den. Därför har gigantiska flygplan (som C-17 Globemaster på vårt foto) gigantiska vingar. Men små vingar kan också producera en hel del hiss om de rör sig tillräckligt snabbt. För att producera extra hiss vid start har plan flikar på sig vingar de kan sträcka ut för att trycka ner mer luft. Lyft och drag varierar beroende på hastigheten på din hastighet, så om ett plan går dubbelt så snabbt i förhållande till den kommande luften, producerar dess vingar fyra gånger så mycket lyft (och drag). producerar en enorm mängd lyft genom att snurra sina rotorblad (i huvudsak tunna vingar som snurrar i en cirkel) mycket snabbt.

Vingvirvlar

Nu kastar ett plan inte luften bakom det på ett helt rent sätt. (Du kan till exempel föreställa dig någon som skjuter en stor låda luft ut från en militär transportörs bakdörr så att den faller rakt ner. Men det fungerar inte riktigt så!) Varje vinge skickar faktiskt luft ner genom att göra en snurrande virvel (en slags mini-tornado) omedelbart bakom den. Det är lite som när du står på en plattform vid en järnvägsstation och ett höghastighetståg rusar förbi utan att stanna och lämnar det som känns som ett enormt sugande vakuum i Med ett plan är virveln ganska komplex och det mesta rör sig nedåt – men inte allt. Det finns ett stort luftdrag i mitten, men lite luft virvlar faktiskt uppåt på båda sidor om vingspetsarna. , minskar hissen.

Foto: Newtons lagar får flygplan att flyga: Ett plan genererar en uppåtriktad kraft (lyft) genom att trycka ner luften mot marken. Som dessa bilder visar rör sig luften ner inte i en snygg och snygg ström utan i en virvel. Bland andra saker, virveln påverkar hur nära ett plan kan flyga bakom ett annat och det är särskilt viktigt nära flygplatser där det finns massor av plan som rör sig hela tiden, vilket gör komplexa turbulensmönster i luften. Vänster: Färgad rök visar vingvirvlarna som produceras av en riktigt plan. Röken i mitten rör sig nedåt, men den rör sig uppåt utöver vingspetsarna. Höger: Hur virveln ser ut underifrån. Vit rök visar samma effekt i mindre skala i ett vindtunneltest. Båda foton från NASA Langley Research Center.