Jak Lotniska Latają: Podnoszenie, Cyrkulacja i Zaburzenia

Błąd równych przebiegów

Opowieść, której prawdopodobnie słyszałeś: powierzchnia górna skrzydła jest dłuższa niż dolna, więc strumień powietrza rozdzielający się na krawędzi prowadzącej musi zreagować w miejscu końcowym, co wymusza szybsze ruch strumienia górnej części — i według zasady Bernoulliego, szybszy oznacza niższą ciśnenną, stąd podnoszenie. To jest błąd. Nie ma prawa fizycznego obowiązującego, że cząsteczki powietrza rozdzielające się na krawędzi prowadzącej muszą ponownie spotkać się w miejscu końcowym, a symulacje widoczne za pomocą dymu w tunelu wiatrowym pokazują, że strumień powietrza z górnej części skrzydła dotyka miejsca końcowego przed strumieniem dolną części. Szybsze ruchy strumienia powietrza na górnej części są rzeczywiste — tylko nie są one spowodowane rywalizacją, aby ponownie spotkać się.

Newtonowski pogląd: odchylanie powietrza

Jedna całkowicie poprawna, choć niepełna, interpretacja: skrzydło odchyla powietrze w dół, a zgodnie z trzecim prawem Newtona powietrze odpowiada na to odchylenie siłą równą i przeciwną w kierunku do góry. Nawet płaski płytek ustawionych pod kątem do prądów powietrza generują lot toczne — handlowe skrzydła są ustawione na kąt kilka stopni względem przychodzącego powietrza nawet w trakcie lotu poziomego, ten kąt nazywa się kątem ataku. Newtonowski pogląd wyjaśnia wszystko lot toczne, ale sam w sobie nie może ci powiedzieć, ile to jest lot toczne bez dokładnego rozważania strumienia powietrza.

Równanie Bernoulliego i różnica wciśnienia

Wynik 18-wieczny Bernoulliego wynika z zachowania energii longiwalnej w idealnym, nieprzewodzącym, niewyrażalnym przepływie:

P + ½ρv² + ρgh = stała P = ciszowe ciśnienie, ρ = gęstość, v = prędkość przepływu, h = wysokość Jeśli prędkość wzrasta longiwalnie, ciszowe ciśnienie musi spadać. Powietrze przemieszczające się nad wygiętą górną powierzchnią skrzydła naprawdę porusza się szybciej niż poniżej, więc na prawdę jest ono naprawdę mniej naciskane nad nią i bardziej naciśnięte pod nią — istnieje rzeczywisty netto siła w górę. Równanie Bernoulliego jest poprawne; tylko opowieść o równych przechodnictwach, dlaczego powietrze na górnym brzegu przyspiesza, jest fałszywa.

P + ½ρv² + ρgh = constant
P = static pressure, ρ = density, v = flow speed, h = height

Circulacja i twierdzenie Kutta-Joukowski

Precyzyjne, unifikujące wyjaśnienie opiera się na circulacji Γ, która jest całką zamkniętą prędkości around profilu skrzydła. W momencie nachylenia do przestrzeni powietrza, lepkość spowodowuje wydzielenie odgałęzienia początkowego z krawędzi końcowej (warunek Kutta), a zgodnie z twierdzeniem circulacji Kelvina, wokół samego skrzydła indukuje się równa i przeciwna circulacja — przyspieszając prąd nad górną stroną i wolniej oddychając poniżej. Twierdzenie Kutta-Joukowski daje natomiast podnoszenie bezpośrednio: L = ρ·V∞·Γ·b, gdzie ρ to gęstość powietrza, V∞ jest prędkością przepływową i b to szerokość skrzydła. To jest dokładne dla idealnej dwuwymiarowej strumieniowości i doskonałe przybliżenie dla rzeczywistych skrzydeł — a perspektywy Newtona i Bernoulliego są tylko dwa opisy tego samego pola circulacji.

Kąt ataku, zderzenie i opór indukowany

Zwiększanie kąta ataku powoduje wzrost podnoszenia do krytycznego kąta, który wynosi obecnie 15–20°. Po przekroczeniu tego kąta warstwa brzmienna na górnej stronie skrzydła już nie może śledzić krzywej skrzydła i oddziela się; spływ gładki zanika w turbulencję, obwodnictwo maleje, a podnoszenie nagle spada – zderzenie, które ma nic wspólnego z mocą silników i może nastąpić na dowolnej prędkości powietrza. Podnoszenie nigdy nie jest bez kosztu: taka sama obwodnictwo odsypuje się w tył od skrzydeł, tworząc opór indukowany, który jest najwyższy przy niskiej prędkości i najniższy przy wysokiej prędkości – co dokładnie wyjaśnia dlaczego długie, szerokościowe, o dużym stosunku powierzchni skrzydła (gliderzy, a także skręcalne końce skrzydeł na Boeing 787 i Airbus A350) mniej zużywają energii na ten opór.

Często zadawane pytania