Lentokoneen toiminta
Pekka Jarvela
tällainen nettisivu "Siiven tekniikkaa" vaikutti lupaavalta:
http://www.seepia.org/html/seepia5/siipi/siipi.shtml
Sain sivusta käsityksen, että oleellista nostovoiman muodostumiselle
on, että siipi poikkeuttaa sen ohitse virtaavaa ilmaa jollain tavoin:
"Siipi kohdistaa ilmamassaan voiman, joka lisää sen liikemäärän
alaspäin suuntautuvaa komponenttia. Tällöin siipeen itseensä kohdistuu
vastavoima ylöspäin." Nostovoimalle on annettu ns. sirkulaation (kaava
1) avulla lauseke (kaava 2) F = sirkulaatio * v * rhoo * s, jossa rhoo
on ilman tiheys ja s on siiven pituus.
1. Mikä on kaavassa annettu nopeus v? Jos se on ilman virtausnopeus
(maan suhteen?), niin miten lentokoneen nopeus tulee huomioiduksi?
2. Artikkelissa selitetään sakkaus ilmiöksi, jossa nostovoiman
vaikutuspiste eli ns. (takimmainen) patopiste ei olekaan enää
siivellä vaan on siirtynyt liian suuren kohtauskulman (kts. kuva 1b)
vuoksi pois siiven alueelta. "Tällöin ilmavirtaus siiven takaosassa
irtoaa siiven pinnasta ja muuttuu turbulentiksi, jolloin siipi ei enää
käännä virtausta eikä siis tuota nostovoimaa." Aiheutuvatko niin
sanotut ilmakuopat siis ilmakehän omista turbulenteista virtauksista,
jotka väliaikaisesti aiheuttavat liian pienen kohtauskulman ja
nostovoiman pienenemisen?
PJ
Joakim Majander
> Sain sivusta käsityksen, että oleellista nostovoiman muodostumiselle
> on, että siipi poikkeuttaa sen ohitse virtaavaa ilmaa jollain tavoin:
Nostovoiman muodostumista voi yrittää selittää hyvin monella tavoin
"kansanomaisesti". Kaikki ne ovat jotenkin liian yksinkertaisia
tarkemmin katsottuna.
> 1. Mikä on kaavassa annettu nopeus v? Jos se on ilman virtausnopeus
> (maan suhteen?), niin miten lentokoneen nopeus tulee huomioiduksi?
Lentokone toimii ilmassa. Oleellista on vain ilman ja lentokoneen
välinen nopeusero v. Ilman nopeus maan suhteen tulee sitten
oleelliseksi vasta mietittäessä miten nopeasti lentokone siirtyy A->B.
> 2. Artikkelissa selitetään sakkaus ilmiöksi, jossa nostovoiman
> vaikutuspiste eli ns. (takimmainen) patopiste ei olekaan enää
> siivellä vaan on siirtynyt liian suuren kohtauskulman (kts. kuva 1b)
> vuoksi pois siiven alueelta. "Tällöin ilmavirtaus siiven takaosassa
> irtoaa siiven pinnasta ja muuttuu turbulentiksi, jolloin siipi ei enää
> käännä virtausta eikä siis tuota nostovoimaa."
Ei mielestäni täysin oikea kuvaus. Sakkausilmiössä nostovoima ei
suinkaan lopu, vaan se pienenee. Pahempi on se, että samalla siiven
vastusvoima kasvaa voimakkaasti. Tästä syntyy kuolemankierre, sillä
suurempi vastus pienentää nopeutta, jolloin nostovoima tippuu
edelleen, jonka kompensoimiseksi on pakko kasvattaa edelleen
kohtauskulmaa, jolloin vastus kasvaa entisestään.
Mielestäni siis oleellisempaa kuin nostovoiman alentuminen on
nostovoima/vastus -suhteen voimakas huonontuminen. Sakkauksen
jälkeisillä kulmilla siipiprofiili toimii kuten suora levy, jonka voi
ajatella sakkaavan jo hyvin pienillä kohtauskulmilla. Lentokone voisi
lentää myös suorasta levystä tehdyillä siivillä (tai sakkaavilla
siipiprofilleilla), mutta vaadittava moottoriteho olisi
moninkertainen. Tavallaan esimerkki tällaisesta on yliäänikoneet.
Tässä käyriä nostovoimasta (suoraan verrannollinen Cd:hen) ja
vastuksesta (s.v. Cl): http://www.aerospaceweb.org/question/airfoils/q0150b.shtml
Huomaa kuinka pieni Cd on ennen sakkausta (~12 asteen kohdalla).
Huomaa, että sama nostovoima tulee myös 40 asteen kulmalla, mutta nyt
vastus on yli 10-kertainen sakkausta edeltäneeseen tilanteeseen.
> Aiheutuvatko niin
> sanotut ilmakuopat siis ilmakehän omista turbulenteista virtauksista,
> jotka väliaikaisesti aiheuttavat liian pienen kohtauskulman ja
> nostovoiman pienenemisen?
Ei. Ilmakuopat ovat voimakkaita vaihtelevia pystyvirtauksia, joiden
mukana lentokone siirtyy ylös-alas. Siirtyminen tietysti tapahtuu
kohtauskulman muutoksen kautta, mutta muutos ei ole niin suuri, että
sakkaus olisi lähelläkään. Matkalennossa kohtauskulma on vain muutama
aste eli hyvin kaukana sakkauksesta. Sakkaus on ongelma vasta hyvin
hitaassa lennossa, jossa vaaditaan suuri kohtauskulma. Syy tähän on
se, että samalla kohtauskulmalla nostovoima riippuu nopeuden neliöstä.
Lennettäessä siis 800 km/h nostovoima olisi 4-kertainen 400 km/h
verrattuna, mutta vaakalennossa nostovoima=paino, joten kohtauskulma
tippuu karkeasti neljäsosaan. Isommissa koneissa on näin suuria
muutoksia varten muokkautuvat siivet, jolla kohtauskulman vaihteluväli
pidetään pienempänä muuttamalla siiven pinta-alaa ja muotoa nopeuden
mukaan.
Joakim
kuja
>> on, ett� siipi poikkeuttaa sen ohitse virtaavaa ilmaa jollain tavoin:
>
> Nostovoiman muodostumista voi yritt�� selitt�� hyvin monella tavoin
> "kansanomaisesti". Kaikki ne ovat jotenkin liian yksinkertaisia
> tarkemmin katsottuna.
>
Hupaisaa on ett� tuon artikkelin alussa lukee n�in "Lentokoneen siiven
toimintaperiaate selitet��n usein virheellisesti." - ja sitten siit�
l�hdet��n selittelem��n yht� virheellisesti asian ymp�rilt�.
Petri Keckman
+0300:
> Etsiskelin tuossa sopivaa selostusta lentokoneen toiminnasta
Ilman kaasuatomit tￜrmￜￜvￜt siipeen ja tￜrmￜys aiheuttaa nosteen
mekaniikan tï¿œrmï¿œys lakien mukaisesti.
Erkki Esimerkki
Tuosta asian voinee johtaa. Siiven alapinnalla on ylipainetta ja mikￜ
merkittￜvￜmpￜￜ, siiven ylￜpinnalla on alipainetta (ympￜristￜￜn nￜhden)
joka ansiosta siipeen kohdistuu ylï¿œspï¿œin vaikuttava voima.
erno
Vￜhￜn vielￜ lisￜten, miten joskus asiaa on selitetty: Siiven ylￜpinta on
kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
samassa ajassa pidemmￜn matkan ylￜpinnalla, mistￜ seuraa, ettￜ ilman
nopeus on ylￜpinnalla suurempi. Tￜstￜ taas edelleen seuraa Bernoullin
lain mukaan, ettￜ siiven ylￜpinnalla paine on pienempi kuin siiven
alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipeￜ vasten,
tms., what ever).
Lieneekￜ pￜtevￜ selitys enￜￜ, vai onko maailma tￜltￜkin osin
oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?
ernz
Joakim Majander
> Vähän vielä lisäten, miten joskus asiaa on selitetty: Siiven yläpinta on
> kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
> samassa ajassa pidemmän matkan yläpinnalla, mistä seuraa, että ilman
> nopeus on yläpinnalla suurempi. Tästä taas edelleen seuraa Bernoullin
> lain mukaan, että siiven yläpinnalla paine on pienempi kuin siiven
> alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipeä vasten,
> tms., what ever).
>
> Lieneekö pätevä selitys enää, vai onko maailma tältäkin osin
> oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?
Aika huono selitys, sillä miten tuolla perustellaan se, että
symmetrinenkin profiili, kuten vaikkapa purjeveneen köli tai
lentokoneen peräsin (ehkä myös joidenkin lentokoneiden siivet ovat
symmetrisiä) tuottaa aivan hienosti nostovoimaa. Samoin tekee myös
tasolevy. Siiven muoto ei siis ole syynä nostovoimaan, vaan sen
ansiosta nostovoima saadaan aikaiseksi pienellä vastusvoimalla.
Mikää ei muuten pakota niitä siiven ylä- ja alapuolella olevaa
molekyyliä matkaamaan samassa ajassa siiven ohi.
Bernoullin yhtälö on erikoistapauksiin soveltuva yksinkertaistus
Navier-Stokesin yhtälöistä, jotka selittävät täysin siiven toiminnan.
Valitettavasti eivät vain kovinkaan "kansanomaisesti", sillä ne pitää
ratkaista numeerisesti ja vieläpä käytännön tilanteissa
turbulenssimallia käyttäen, koska laskentakapasiteetti ei läheskään
riitä tarpeeksi tiheään ajan ja paikan kuvaukseen, jota turbulenssi
vaatisi.
Joakim
erno
> On 15 loka, 10:25, erno <e...@ei.ei> wrote:
>
>> kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
>> nopeus on yl�pinnalla suurempi. T�st� taas edelleen seuraa Bernoullin
>> lain mukaan, ett� siiven yl�pinnalla paine on pienempi kuin siiven
>> alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipe� vasten,
>> tms., what ever).
>>
>> Lieneek� p�tev� selitys en��, vai onko maailma t�lt�kin osin
>> oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?
>
> symmetrinenkin profiili, kuten vaikkapa purjeveneen k�li tai
> lentokoneen per�sin (ehk� my�s joidenkin lentokoneiden siivet ovat
> symmetrisi�) tuottaa aivan hienosti nostovoimaa. Samoin tekee my�s
> tasolevy. Siiven muoto ei siis ole syyn� nostovoimaan, vaan sen
> ansiosta nostovoima saadaan aikaiseksi pienell� vastusvoimalla.
>
> Mik�� ei muuten pakota niit� siiven yl�- ja alapuolella olevaa
> molekyyli� matkaamaan samassa ajassa siiven ohi.
>
> Bernoullin yht�l� on erikoistapauksiin soveltuva yksinkertaistus
> Navier-Stokesin yht�l�ist�, jotka selitt�v�t t�ysin siiven toiminnan.
> Valitettavasti eiv�t vain kovinkaan "kansanomaisesti", sill� ne pit��
> ratkaista numeerisesti ja viel�p� k�yt�nn�n tilanteissa
> turbulenssimallia k�ytt�en, koska laskentakapasiteetti ei l�hesk��n
> riit� tarpeeksi tihe��n ajan ja paikan kuvaukseen, jota turbulenssi
> vaatisi.
Tuo oli j��nyt mieleen todenn�k�isesti SIL:n Suuresta lennokkirjasta
60-luvulta. Arvelinkin, ett� potaskaahan se varmaan on.
ernz
Vesa Lappalainen
>> riit� tarpeeksi tihe��n ajan ja paikan kuvaukseen, jota turbulenssi
>> vaatisi.
> Tuo oli j��nyt mieleen todenn�k�isesti SIL:n Suuresta lennokkirjasta
> 60-luvulta. Arvelinkin, ett� potaskaahan se varmaan on.
Ei kai se potaskaa ole sin�ns�. Kyse on ymm�rt��ksnei siit�,
puhutaanko syyst� vai seurauksesta.
Mutta kovin hyv� selitys ei minusta ole sellainen, miss� hyp�t��n
nopeasti johonkin yht�l��n, mill� sitten kansalle vakuutetaan
ett� t�m� p�tee.
Ja onko alipainetta olemassakaan? Eik� ole vain enemm�n painetta
ja v�hemm�n painetta? Lopulta kun piane on kuitenkin molekyylien
t�rm�yksi�. Ja jos yksikin molekyyli joskus t�rm��, on kyseess�
pieni paine.
Periaatteessahan minusta venturiputken vet�minen selitykseen mukaan
kertomaan miksi siiven yl�pinnalla on alipaine, ei ole kovin
maalaisj�rjell� ymm�rett�v��. Jokainenhan tiet�� ett� alennusmyynnin
tapauksessa kaupan ovella on suurin paine vaikka venturiputken
kapeimmassa kohdassa paine pienenee. Miksi kapeata kohtaa muka
ehtii pukkailemaan v�hemm�n molekyylej�?
Haluan sellaisen selityksen, joka toimii pingispalloillakin.
On selv�� ett� jos levy� viskoo alhaaltap�in riitt�v�n monella
pingispallolla, levy pysyy ilmassa. Jos joku raukkamaisesti
viskoo pingispalloja samaan aikaa yht� paljon ylh��lt�p�in,
levy tietysti putoaa.
Jatkakaa t�st� joku eteenp�in :-)
Vesa
Joakim Majander
> Ja onko alipainetta olemassakaan? Eikö ole vain enemmän painetta
> ja vähemmän painetta? Lopulta kun piane on kuitenkin molekyylien
> törmäyksiä. Ja jos yksikin molekyyli joskus törmää, on kyseessä
> pieni paine.
Riippuu siitä mitä tarkoittaa alipaine. Jos mitataan STAATTINEN paine
siiven ylä- ja alapuolelta, havaitaan, että alapuolella paine on yli
vallitsevan ilmanpaineen ja yläpuolella ali sen. Kaipa sitten voidaan
puhua ali- ja ylipaineesta. Tuo ylipaine ei koskaan ole enempää kuin
1/2*rho*V^2 (V siiven nopeus ilmamassaan nähden, ei paikallinen
nopeus) yli vallitsevan paineen, mutta alipainetta voi olla "enemmän"
eli paine voi laskea jopa moninkertaisesti tuon verran alle
vallitsevan paineen.
Painekäytöksen voi jotenkuten perustella Bernoullin yhtälöllä eli
patopisteessä virtaus pysähtyy ja paine on tuon 1/2*rho*V^2 enemmän ja
sitten taas siiven yläpuolelle, erityisesti aivan alkupäässä, virtaus
kiihtyy voimakkaasti (siis menee kovaa eri suuntaan kuin lentokone
maahan nähden), jolloin paine laskee (suunnilleen) Bernoullin yhtälön
mukaisesti. Bernoullin yhtälöhän olettaa, että virtaus on häviötöntä
eli staattisen ja dynaamisen paineen summa säilyy vakiona.
Bernoullin yhtälö ei kuitenkaan selitä, miksi virtaus pysähtyy
patopisteessä tai menee kovempaa siiven yläpuolella.
> Haluan sellaisen selityksen, joka toimii pingispalloillakin.
> On selvää että jos levyä viskoo alhaaltapäin riittävän monella
> pingispallolla, levy pysyy ilmassa. Jos joku raukkamaisesti
> viskoo pingispalloja samaan aikaa yhtä paljon ylhäältäpäin,
> levy tietysti putoaa.
En oikein ymmärrä miten kansanomaisesti jotain selittäisi
pingispalloilla. Aika harva taitaa ymmärtää, että pingispallojen
törmäilyllä ja paineella olisi jotain yhteistä. Ja vaikka ymmärtäisi,
pitäisi vielä ymmärtää, miksi se paine on sellainen kuin se on. Ja kun
vielä paine riippuu virtauksesta ja virtaus paineesta ollaan pahemman
kerran muna-kana -ilmiössä.
Aika moni kuitenkin varmaan ymmärtää, että paine aiheuttaa voiman
pintaan. Sitten virtauksen aiheuttaman alipaineen vaikutusta voi
kokeilla puhaltamalla sopivan kevyen paperin yläpuolta pitkin ja
havaita kuinka paperi nousee puhalluksen suuntaiseksi, vaikka
alapuolella ei tapahdu mitään.
Joakim
abc
> On 15 loka, 10:25, erno <e...@ei.ei> wrote:
>
>> kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
>> nopeus on yl�pinnalla suurempi. T�st� taas edelleen seuraa Bernoullin
>> lain mukaan, ett� siiven yl�pinnalla paine on pienempi kuin siiven
>> alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipe� vasten,
>> tms., what ever).
>>
>> oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?
>
> symmetrinenkin profiili, kuten vaikkapa purjeveneen k�li tai
> lentokoneen per�sin (ehk� my�s joidenkin lentokoneiden siivet ovat
> tasolevy. Siiven muoto ei siis ole syyn� nostovoimaan, vaan sen
> ansiosta nostovoima saadaan aikaiseksi pienell� vastusvoimalla.
Eik� tuo selitys oikeastaan mene pieleen vain siin� ett� keskittyy
_siiven pinnan_ kaarevuuteen. Oleellisempaa siin� on ett� ilmavirta
kulkee kaarevaa reitti� yl�pinnan ymp�ri jolloin matka on pidempi jne.
N�in ilmaistuna tuo sama selitys p�tee hyvinkin my�s symmetrisiin
profiileihin, joista tasolevy on yksi esimerkki.
(Nuo symmetriset tapaukset edellytt�� tietysti jonkun verran
kohtauskulmaa profiilin ja ilmavirran v�lill�.)
Vaikka tuo selitys selitt��kin siiven ymp�rill� vallitsevan tilanteen
ilmavirtojen, nopeuksien ja paineitten suhteen, se ei v�ltt�m�tt� ole
paras selitys sille miksi nosto "syntyy". Noston "synty" selittyy paljon
havainnollisemmin sill� ett� siipi k��nt�� ilmavirtaa alasp�in.
(Ja kyll� vaan: symmetrisi� profiileja on lentokoneissakin, esim.
taitolentokoneissa sit� pidet��n jopa etuna selk�lento-ominaisuuksien
takia.)
> Mik�� ei muuten pakota niit� siiven yl�- ja alapuolella olevaa
> molekyyli� matkaamaan samassa ajassa siiven ohi.
Kuitenkin jos ne yl�pinnan matkaajat laiskottelevat matkalla eiv�tk�
saavukaan ajoissa kohtaamispaikalle takareunan tuntumaan niin eik�
siihen paikkaan syntyisi tyhji�? Tyhji�n joutuisi t�ytt�m��n alareunan
kautta tulleet molekyylit hiipim�ll� takareunan ymp�ri viel� jonkun
matkaa yl�pintaa pitkin vastasuuntaan. N�in k�sitt��kseni tapahtuukin
hyvin suurilla kohtauskulmilla, muttei "normaalissa" ei-sakatussa
lentotilassa.