Question

Skąd się bierze siła nośna samolotu i od czego ona zależy?

Answer 1

Poniewaz odpowiedz na pytanie skad sie bierze sila nosna oraz, czy jest to efekt Bernoulliego, czy nie, wzbudza wciaz wiele kontrowersji (rowniez wśród samych fizykow) pozwole sobie na komentarz. Po pierwsze wcale nie jest tak, ze zagadnienie aerodynanamiczne opisujące sile nosna jest tak skomplikowane lub tak tajemnicze, ze tylko nieliczni wiedza jak to naprawde z ta sila nosna jest. Odpowiedz na pytanie dlaczego samoloty lataja jest od dawien dawna znana i wsrod specjalistow nie ma o ta kwestie darcia szat. Nieporozumienia pojawiaja sie gdy osoba spoza kregu specjalistow (może to byc oczywiscie fizyk ale „z innej dzialki”) cos zaslyszy, potem cos powtorzy, kolejna osoba powtorzy dalej, niekoniecznie to samo co uslyszala itd... W pewnym momencie informacja jest tak znieksztalcona, ze w istotnych czesciach nie przypomina oryginalu. Malo tego: taka zdeformowana informacja propaguje się znacznie szybciej i zyje znacznie dluzej niz informacja zrodlowa. Jest to dobrze znany efekt plotki. A teraz do rzeczy. Czy mozna powiedziec, ze sila nosna powstaje na skutek efektu Bernoulliego. Odpowiedz brzmi TAK. (notabene chcialem zwrocic uwage, ze w literaturze fizycznej nie istnieje cos takiego jak "efekt Bernoulliego", jest tylko "rownanie Bernoulliego" i tej nomenklatury bede sie od tej pory trzymal). Rzeczywiscie, przy odpowiednim kacie natarcia, strumien powietrza nad skrzydlem porusza sie szybciej niz strumien pod skrzydlem. Roznice w predkosciach przeplywu mozna przeliczyc na roznice cisnien ZGODNIE Z ROWNANIEM BERNOULLIEGO. Zgodnie z tym rownaniem w obszarze, gdzie strumien porusza sie szybciej mamy nizsze cisnienie gazu. Wobec tego nad skrzydlem mamy cisnienie nizsze, niz pod skrzydlem i powstaje wypadkowa sila dzialajca na skrzydlo do gory – jest to wlasnie sila nosna. W czym wiec problem? Problem pojawia sie w momencie, gdy „postronni” zaczynaja wyjasniac DLACZEGO nad skrzydlem powietrze
porusza sie szybciej, niż pod skrzydlem. Niestety najczęściej wyjasnianie jest następujące: roznica prędkości wynika z kształtu profilu skrzydla, który jest wypukly u gory i z grubsza plaski na dole. Element objetosci powietrza uderzajacy w punkcie natarcia, tzn. w punckie, w którym skrzydlo „rozpruwa” powietrze, rozdziela sie na czesc gorna i dolna. Czesc gorna wskakuje do gornego strumienia, a czesc dolna do dolnego. Oba elementy objetosci leca swoimi drogami, po czym SPOTYKAJA sie znowu za skrzydlem. Poniewaz gorny profil jest wypukly, to droga gornego elementu objętości powietrza jest dluzsza, niz droga dolnego elementu objętości. W którym miejscu przedstawionego rozumowania skrywa się nieprawda? Otoz pojawia się ona w stwierdzeniu "oba elementy objętości… spotykaja się znowu za skrzydlem". To jedno stwierdzenie implikuje, ze czasy przelotu przez cale skrzydlo gornego i dolnego elementu objetosci musza byc sobie ROWNE, co jest
nieprawda, potwierdzona w wielu eksperymentach w tunelach aerodynamicznych. Ba! nawet teoria, nie przewiduja aby gorny i dolny element objetosci powietrza spotkaly sie razem za skrzydlem). Otoz gorny element objetosci w istocie porusza sie szybciej niz dolny i to ZNACZNIE SZYBCIEJ niż wynikaloby to z krzywizny profilu gornego plata skrzydla. Porusza sie tak szybko, ze za skrzydlem wyprzedza swojego dolnego "kolege" o spory dystans. Sprawdcie jak to wyglada na symulacji komputerowej:
http://www.diam.unige.it/~irro/profilo1a_e.html
Polecam poniższy adres (szczególnie ostatnia czesc „Flow around a wing”, gdzie, oprocz wizualizacji przepływów, można znaleźć wizualizacje pola cisnien i sil):
http://www.diam.unige.it/~irro/lecture_e.html
Wniosek: dwa elementy objetosci powietrza rozdzielone na poczatku skrzydla juz nigdy się ze soba nie spotkaja. To smutne ale prawdziwe. Profil skrzydla ma drugorzędne znaczenie w mechanizmie powstawania sily nosnej czego dowodem sa wszystkie jednostki latajace z plaskimi profilami skrzydel. Mysliwce bojowe (np. taki F-16) maja zazwyczaj skrzydla plaskie jak blat stolu, a wiemy ze swietnie lataja (oczywiście piloci Migow 29 nie podziela tego pogladu ale mniejsza o to). Jest wiele innych argumentow za tym, ze profil skrzydla nie jest kluczowy w zagadnieniu sily nosnej. Kilka z nich przytoczono w komentowanym przeze mnie artykule. Jeśli wiec profil nie jest tak wazny, to skad bierze tak duza roznica w prędkościach opływu gornego i dolnego strumienia powietrza? Odpowiedz krotka brzmi: bo powietrze jest plynem , a plyny nie cierpia pustki. Pomyslmy przez chwile. Za skrzydlem rozcinającym mase powietrza niechybnie powstaje pustka. Oczywiście nie jest ona zauwazalna, gdyz migiem (nomen omen) jest "zalewana" strumieniem powietrza. To szybkie wypelnianie pustki jest nieodlaczna cecha wszelkich płynów, która zreszta wszyscy dobrze znamy (no może nie dotyczy to pewnej specyficznej klasy płynów podobnych do miodu). Zrobcie następujący eksperyment z nie-plynem (np. z piaskiem): wsypcie piach na dno duzej, prostokątnej formy do ciasta; uzyjcie linijki jako skrzydla, ustalcie pewien kat natarcia i przesuwajcie linijke od prawa do lewa. Za linijka pozostanie obszar pozbawiony piasku. Teraz powtórzcie te czynosci z woda i choc jest to eksperyment z kategorii "i tak wiadomo co wyjdzie", warto przyjrzec sie szybkości strumienia wody nad linijka. Aby zobaczyc linie strumienia posypcie powierzchnie wody pieprzem. Powiniscie zauważyć, ze prędkość przepływu wody jest wieksza nad linijka. Dzieje się tak, chociaż linijka jest plaska jak.... linijka. Przyspieszony przeplyw plynu nie ma nic wspolnego z kształtem oplywanego obiektu. Pojawia się zawsze przy niezerowym kacie natarcia. No dobrze, a jak nazwac wlasnosc plynow "nie lubienia pustki"? Jak dla mnie mozna to nazwac ciagloscia (zreszta każdy model dynamiki plynow w elementarzu ma rownanie ciaglosci). W gruncie rzeczy jest to cecha, ktora kazdy zna i rozumie intuicyjnie i jej nazwanie jest sprawa drugorzedna. Jakkolwiek zapewniam Was, opis zjawisk wynikajacych z jej istnienia to przyslowiowa „masakra”. Jak do takiego opisu zabieraja się fizycy? Po pierwsze mamy osobne rownania na zachowanie pedu, osobne na zachowanie energii. Po drugie dochodzi do tego rownanie ciągłości. Żeby nie było za latwo możemy jeszcze dorzucic rozne przypadki (ciecz lepka, nielepka) i robi sie naprawde ciekawie (patrz rownania Navier’a – Stokes’a)... Opis matematyczny jest rzeczywiście skomplikowany ale natura zjawiska wszystkim dobrze znana.

No dobrze czemu w takim razie czesto slyszy sie o profilu skrzydla? Po pierwsze dlatego, ze z powodu efektu plotki, wiele osob przywiazuje zbyt duza wage do tego zagadnienia w kontekście powstawania sily nosnej. Poza drugie, w przypadku samolotow dlugo-dystansowych skrzydlo jest jednoczesnie zbiornikiem paliwa, wiec oprocz powierzchni musi mieć tez okreslona objętość. W tego typu problemie pojawia się pytanie jak zwiększyć pojemność zbiornika paliwa nie degradują przy tym za mocno sily nosnej. Po trzecie zagadnienie profilu skrzydla jest zagadnieniem niezwykle waznym w przypadku samolotow bez silnikow, czyli szybowcow. Pomyslcie: jezeli plaskie drzwi od stodoly beda lecialy poziomo (kat natarcia = zero) to nie mam zadnej sily nosnej, bo strumien powietrza nad i pod skrzydlem mkna z ta sama predkoscia. Jezeli zwiekszymy odrobine kat natarcia pojawia sie sila nosna.
Hurrrra! Ale hola hola... owszem zyskalismy na sile nosnej ale stracilismy na oporach ruchu, tzn. opor powietrza zwiększył sie. Kazda kolejna minuta katowa w kacie natarcia oznacza coraz wieksza sila nosna ale również, w sposób nieunikniony, coraz wiekszy opor powietrza. Dla samolotu z silnikiem nie stanowi to duzego problemu – oznacza tylko wieksza konsumpcje paliwa. Dla pilota szybowca zwiekszone opory ruchu to sprawa zycia lub smierci. Konstruktorzy skrzydel szybowcow graja wiec w taka gierke: wymyslmy taki kształt, który przy danym kacie natarcia będzie generowal maksymalnie duza sile nosna, powodując przy tym minimalne opory ruchu. Jest to szukanie ekstremow dwoch funkcji jednej zmiennej. Ta zmienna jest funkcja, a dokladnie funkcja opisujaca profil skrzydla  Jest to zagadnienie z obszaru teorii funkcjonałów, gdzie do optymalizacji uzywa się metod rachunku wariacyjnego. Jak się slusznie domyślacie jest to zadanie karkołomne. Intuicyjnie czujemy, ze w przypadku szybowcow zarówno profil jak i kat natarcia sa wazne.

A czy mozna mowic, ze sila nosna jest generowana przez zakrzywianie linii strumienia nad gorna czescia skrzydla? Oczywiscie TAK. Rownanie Bernoulliego jest rownaniem skalarnym, tzn. wiaze ze soba wartość cisnienia i predkosci, nie mowiac jednak nic o zwrocie i kierunku tej predkosci. Jesli chcielibysmy byc skrupulatni to musielibysmy przyjrzec sie wartosciom cisnienia, watosciom predkosci i liniom strumienia (czyli zwrotom i kierunkom predkosci). Wowczas otrzymujemy kompletny obraz. Kiedy uda AM się dokonac takiego pelnego opisu, to okaze sie, ze generowaniu roznicy cisnien ZAWSZE towarzyszy zakrzywianie linii strumienia i vice versa, zakrzywione jakims czynikiem zewetrznym linie strumienia, niechybnie generuja roznice cisnien. To sa opisy komplementarne, a nie wykluczające sie. Czasem wygodniej jest wyjaśnić jakis aspekt dynamiki płynów stosujac jezyk cisnien, a inym razem lepiej uzyc opisu z zaginaniem strumienia. Bardzo często wybor tego lub innego jezyka wynika z poziomu zaawansowania naszego audytorium. Z mojego doświadczenia wynika, ze cisnienie jest pojeciem bardzo slabo rozumianym przez tlumy. Ludzie o wiele lepiej „lapia” fizyke zaginanych strumieni. Dlatego kiedy zaczynam mowic o sile nosnej, wole nie wprowadzac skomplikowanych pojec, a już na pewno staram się unikac zaklec w stylu „rownanie Bernoulliego”. A najpiekniejsze jest to, ze wcale nie musze ich wprowadzac, aby wyjaśnić pochodzenie sily nosnej. Ot cala filozofia.