|
|
 |
Dlaczego samolot lata?
 |
|
Siły działające na skrzydło ustawione pod kątem natarcia do kierunku ruchu samolotu
|
|
Aby samolot uniósł się w powietrze musi działać siła zwrócona do góry, zwana siła nośną, która przezwycięża siłę ciężkości. Gdy samolot napędzany silnikiem porusza się z dużą prędkością to zgodnie z zasadą względności ruchu powietrze przesuwa się w przeciwną stronę. Siła nośna powstaje na skutek ruchu powietrza względem odpowiednio wyprofilowanych skrzydeł samolotu, nachylonych względem kierunku lotu pod pewnym kątem zwanym kątem natarcia. Dodatkowo skrzydła zaopatrzone są w zespół łopatek i dysz zwróconych do dołu. Na powstawanie siły nośnej ma kilka czynników.
Pierwszym i najważniejszym czynnikiem jest nachylenie skrzydeł w stosunku do opływających mas powietrza. Nacierające powietrze w wyniku działania skrzydła samolotu na powietrze zmienia swój pęd w kierunku prostopadłym do tego ruchu, ponieważ skrzydłła nachylone są do kierunku ruchu pod kątem zwanym kątem natarcia. Z uogólnionej drugiej zasady dynamiki (działająca siła jest równa szybkości zmiany pędu ciała na które ta siła działa) wynika, że skrzydło działa wtedy na powietrze pewną siłą zwróconą w dół. Wtedy zgodnie z trzecią zasadą dynamiki powietrze działa na opływane skrzydło siłą o takiej samej wartości ale przeciwnym zwrocie, co powoduje powstawanie siły nośnej. Siła ta jest bezpośrednio wynikiem ciśnień, występujących na powierzchni skrzydła. Ciśnienia te na skutek ruchu są różne dla różnych punktów tej powierzchni. Na dolnej części skrzydła ciśnienie jest większe , a na górnej mniejsze. Konstruktorzy samolotów starają się znaleźć odpowiednie kąty natarcia skrzydła na powietrze i właściwy kształt, aby zwiększyć siłę nośną, a zmniejszyć siły oporu powietrza.
Drugi czynnik związany jest z opływem powietrza z obu stron skrzydeł. Przepływające powietrze dzieli się na dwa strumienie, z których jeden przepływa nad skrzydłem samolotu, a drugi pod nim. Powietrze, które otacza skrzydło od góry przebywa dłuższą drogę, porusza się więc z większą prędkością niż powietrze
 |
|
Duża szybkość powietrza nad dachem powoduje wzrost ciśnienia dynamicznego w wyniku czego ciśnienie statyczne jest mniejsze niż pod dachem. Dach może wylecieć do góry.
|
|
opływające skrzydło z dołu. Zgodnie z prawem Bernouliego suma ciśnienia statycznego (zwykłe ciśnienie) i dynamicznego w danej strudze płynu (cieczy lub gazu) jest stała. Ciśnienie dynamiczne zależy od prędkości płynu (jest wprost proporcjonalne do kwadratu prędkości, czyli jeśli prędkość wzrośnie dwa razy to ciśnienie dynamiczne wzrośnie cztery razy). Powietrze, które ma większą prędkość, czyli na górze skrzydła, będzie miało więc mniejsze ciśnienie statyczne, niż powietrze na dole. W związku z czym ciśnienie u dołu skrzydła napiera mocniej na skrzydło, niż ciśnienie z góry skrzydła. Szacuje się, że ten czynnik stanowi jedynie kilka procent siły potrzebnej do uniesienia współczesnych samolotów.
To samo zjawisko można zauważyć także w sytuacji zrywania dachu przez wiatr. Na rysunku obok przedstawiony jest obieg powietrza związany z dachem dwuspadowym. Różnica ciśnień powoduje, że dach zostaje uniesiony do góry, a nie zgodnie z kierunkiem wiatru.
 Trzecim czynnikiem wykorzystywanym często we współczesnych samolotach jest pompowanie dużych ilości powietrza w dół przez skrzydła, co powoduje zgodnie z trzecią zasadą dynamiki reakcję uniesienia samolotu do góry. Wynika to z , czyli przylegania powietrza do powierzchni opływu. Powietrze poruszające się nad skrzydłem może być skierowane w stronę ziemi poprzez użycie łopatek i ustawienie dyszy ponad zakrzywioną powierzchnią.
Silniki samolotu oprócz nadania ruchu umożliwiają także hamowanie i sterowanie prędkością lotu. Żeby samolot był w pełni był sterowny, czyli mógł skręcać, wznosić się i opadać, niezbędne jest odpowiednie usterzenie, czyli zespół ruchomych krawędzi skrzydeł. Odpowiednie ustawienie tych części umożliwia obrót samolotu wokół dowolnej osi współrzędnych. Wytłumaczenie takiego stany rzeczy jest zupełnie podobne do istoty samego wznoszenia. Zmiana geometrii skrzydeł powoduje działanie siły nośnej w różnych kierunkach i z różną wartością na każde skrzydło, zatem, wraz z połączeniem sterowanej mocy silników, możliwa jest dowolna kombinacja układu sił. Dzięki temu można oglądać efektowne pokazy lotnicze.
 Helikopter wznosi się na podobnej zasadzie co samolot. Łopatki kręcącego się wirnika, dzięki odpowiedniemu kątowi nachylenia i kształtowi, wytwarzają siłę nośną, która podnosi helikopter w górę. Dodatkowo z tyły helikoptera umieszcza się dodatkowe małe śmigło. Zapobiega ono obracaniu się helikoptera w przeciwną stronę co duże śmigło.
Siła nośna działa również na żagiel jachtu, łopatki turbin i sprężarek, działa również na lecące pociski i rakiety. Spojlery w samochodach lub dodatkowe skrzydła samochodów wyścigowych, wytwarzając siłę nośną skierowaną w dół, powodują zwiększanie docisku do jezdni przez co zwiększając przyczepność skracając drogę hamowania i umożliwiając skręcanie z większymi prędkościami.
Zachowanie się samolotu w powietrzu testuje się w tunelu aerodynamicznym. Wykonuje się model samolotu w pomniejszeniu i dym zawarty w tunelu pozwala zobaczyć, jak układają się strugi powietrza, przez co widoczne są zawirowania. Takie tunele używane są do testowania nowych konstrukcji |
|
 |
|
|
|
|
