Aerodynamika i mechanika lotu
TLO.03. Wykonywanie obsługi technicznej płatowca i jego instalacji oraz zespołu napędowego statków powietrznych — Technik mechanik lotniczy 315317
Wizualizacja opływu
WIZUALIZACJA MODELU W GRAFICE 3D
Spis treści
AerodynamikaAerodynamika
Kąt natarciaKąt natarcia
Siła nośnaSiła nośna
Siła oporuSiła oporu
Aerodynamika
Aerodynamika — dział fizyki, mechaniki płynów, zajmujący się badaniem zjawisk związanych z ruchem gazów, a także badaniem ruchu ciał stałych w ośrodku gazowym i sił działających na te ciała.
Ruch powietrza, rozkład ciśnień oraz powstawanie sił aerodynamicznych powstających na płacie jest niewidoczne gołym okiem, dlatego też, aby zaobserwować te zjawiska wzdłuż profilu lotniczego, posłużymy się wizualizacją opływu.
Inspiracją i pierwowzorem dla zaprojektowania skrzydeł samolotów były oczywiście skrzydła ptaków.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BZ7kIOy
Model 3 D przedstawia skrzydło ptaka. Jest ono lekko zgięte. Ma aerodynamiczny kształt. Jego przednia część jest szersza. Skrzydło zwęża się do tyłu. Jego przekrój poprzeczny miałby kształt wydłużonego migdału. Pióra ptaka układają się na skrzydle zgodnie z kierunkiem lotu i kierunkiem powietrza.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Kąt natarcia
Różne kształty profili lotniczych mają różne charakterystyki aerodynamiczne, a ich zastosowanie przesądza o mocnych i słabych właściwościach samolotu.
Profilem nazywamy kształt, jaki otrzymamy po przekrojeniu w poprzek skrzydła.
Profilem aerodynamicznym nazywamy taki profil, który generuje dużą siłę nośną oraz, jako zjawisko niepożądane siły oporu.
Powstawanie sił aerodynamicznych na skrzydle uzależnione jest od szeregu czynników. Czynnikami, które determinują powstawanie sił aerodynamicznych na skrzydle są m. in.: masa samolotu, stan atmosfery (temperatura, ciśnienie, gęstość oraz wilgotność powietrza), wysokość nad poziomem morza, kąt natarcia skrzydła, geometria profilu lotniczego, zastosowanie poszczególnych urządzeń wchodzących w skład mechanizacji skrzydła, a także budowa i kształt całego samolotu. Możliwych kombinacji jest wiele. Oczywiście tych czynników jest znacznie więcej. Aby uprościć sobie zadanie i zrozumieć sedno powstawania sił aerodynamicznych na skrzydle, przyjmiemy, iż niektóre z wcześniej wymienionych czynników są stałe.
Umówmy się, że będziemy analizowali skrzydło w czystej konfiguracji, czyli bez użycia urządzeń zamontowanych na skrzydle, tj.: klapy, poszerzacze, spoilery etc. w warunkach atmosfery wzorcowej na danej wysokości nad poziomem morza, a masa samolotu nie będzie się zmieniać. Przyjrzymy się zjawiskom w oparciu o skrzydło o ujemnym skosie (tzw. skrzydło sierpowe) i o profilu lotniczym niesymetrycznym, dwuwypukłym. Przeanalizujemy tylko wpływ dwóch czynników na powstawanie sił aerodynamicznych na płacie. Są nimi kąt natarcia oraz prędkość samolotu, czyli prędkość napływu strug powietrza.
Zacznijmy od kąta natarcia. Jest to kąt zawarty pomiędzy kierunkiem strugi napływającego powietrza a cięciwą profilu.
Im mniejszy kąt natarcia, tym większa musi być prędkość opływającej strugi powietrza, by utrzymać taką samą wartość siły nośnej. Wraz ze wzrostem kąta natarcia, wzrasta siła nośna, aż do osiągnięcia punktu zwanego kątem krytycznym. Następuje wtedy gwałtowny spadek siły nośnej i dochodzi do przeciągnięcia. Wraz ze wzrostem kąta natarcia, rośnie również siła oporu.
Przyjrzyj się wizualizacjom, aby dobrze zrozumieć to zjawisko.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BZ7kIOy
Wizualizacja 3 D przedstawia powstawanie sił aerodynamicznych. Pokazano poprzecznie wycięty kawałek skrzydła. Widoczny jest jego przekrój poprzeczny w kształcie wydłużonego migdału, gdzie szersza i zaokrąglona część to przód, a wąski ostry koniec to tył skrzydła. Zaznaczono kierunek napływu strug powietrza. Kierunek reprezentuje pozioma strzałka skierowana grotem w przednią część skrzydła. Zakładamy, że prędkość samolotu jest stała, co zapisano jako V równa się constans. Rozważono trzy przypadki opisane trzema wielkościami: kątem nachylenia skrzydła do poziomu alfa, siłą nośną i siłą oporu. Zaznaczmy, że tył skrzydła jest wierzchołkiem kąta. Wektory obu sił przyłożono w środku kawałka skrzydła. Wektor siły nośnej jest pionowy i ma zwrot w górę, natomiast wektor siły oporu jest poziomy i ma zwrot zgodny z kierunkiem działania wiatru, czyli jest skierowany w stronę tyłu samolotu.
Gdy , wektory siły nośnej i siły oporu są najkrótsze.
Gdy , wektory siły nośnej i siły oporu są średniej długości.
Gdy , wektory siły nośnej i siły oporu są najdłuższe.
Wizualizacje przedstawiają profil lotniczy niesymetryczny dwuwypukły. Kąty natarcia o wartościach , i stopni są również wielkościami umownymi. Kąt natarcia stopnie jest normalnym kątem równym kątowi zaklinowania skrzydła. Oznacza to, że samolot lecący lotem poziomym będzie leciał z kątem natarcia równym stopnie. Przyjmujemy, iż kąt natarcia równy stopni jest to kąt, z jakim samolot wznosiłby się. Przyjmujemy również, iż kąt stopni jest w naszym przykładzie kątem krytycznym. Pamiętać należy, iż dla każdego samolotu kąt krytyczny będzie miał inną wartość.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Siła nośna
Siła nośna powstaje w wyniku różnicy ciśnień nad i pod skrzydłem samolotu. Różnica ta jest spowodowana kształtem płata, który wymusza większą prędkość przepływu powietrza nad niż pod skrzydłem.
Im większa jest prędkość lotu, czyli im szybciej skrzydło samolotu przecina powietrze, tym większa jest siła nośna.
Podciśnienie czy strefa niskiego ciśnienia nad skrzydłem jest dwukrotnie większe niż nadciśnienie, czyli strefa wysokiego ciśnienia pod skrzydłem.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BZ7kIOy
Model 3 D przestawia powstawanie siły nośnej. Pokazano poprzecznie wycięty kawałek skrzydła. Widoczny jest jego przekrój poprzeczny w kształcie wydłużonego migdału, gdzie szersza i zaokrąglona część to przód, a wąski ostry koniec to tył skrzydła. Zaznaczono kierunek napływu strumienia powietrza. Kierunek reprezentuje pozioma strzałka skierowana grotem w przednią część skrzydła. Zaznaczono również kierunek lotu. Reprezentuje go pozioma strzałka o zwrocie przeciwnym do kierunku strumienia powietrza. Rozważono trzy przypadki opisane czterema wielkościami: kątem nachylenia skrzydła do poziomu alfa, siłą nośną przyłożoną do górnej powierzchni skrzydła oraz podciśnieniem i nadciśnieniem. Zaznaczmy, że tył skrzydła jest wierzchołkiem kąta. Siłę nośną zaznaczono wektorem pionowym przyłożonym na środku górnej powierzchni skrzydła. Wektor ma zwrot w górę. Podciśnienie oznaczono promienistymi strzałkami o zwrocie w górę na górnej powierzchni skrzydła w taki sposób, że są one ustawione w jednej poprzecznej do skrzydła linii. Najkrótsze strzałki znajdują się przy krańcach przednim i tylnym. Długości strzałek rosną w kierunku środka skrzydła. Podciśnienie znajdujące się pod skrzydłem zaznaczono analogicznie, czyli promienistymi strzałkami znajdującymi się w jednej linii. Strzałki te są krótsze przy krańcach i dłuższe w środku skrzydła. Dodatkowo w modelu widoczna jest wyraźna różnica między podciśnieniem i nadciśnieniem. Podciśnienie znajdujące się nad skrzydłem jest wyraźnie większe niż nadciśnienie znajdujące się pod skrzydłem.
Gdy , siła nośna jest najmniejsza, podciśnienie nad skrzydłem jest najmniejsze, a nadciśnienie pod skrzydłem jest średniej wielkości.
Gdy , siła nośna jest średniej wielkości, podciśnienie nad skrzydłem jest średniej wielkości, a nadciśnienie pod skrzydłem jest największe.
Gdy , siła nośna jest największa, podciśnienie nad skrzydłem jest największe, a nadciśnienie pod skrzydłem jest najmniejsze.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Siła oporu
Prędkość, z jaką skrzydło samolotu przecina strugi powietrza, również ma duże znaczenie dla powstawania sił aerodynamicznych na skrzydle.
Wraz ze wzrostem kąta natarcia, rośnie również siła oporu, a prędkość spada. Spadek prędkości nie wynika jednak ze zmniejszenia ciągu, ale ze zwiększenia siły oporu.
Zwiększając prędkość lotu, a zatem prędkość, z jaką strugi powietrza nacierają na profil skrzydła, zwiększa się tym samym siła nośna oraz siła oporu dla danego kąta natarcia.
Zwiększenie prędkości opływu i jednocześnie kąta natarcia sprawi, że samolot będzie się wznosił, aż osiągnie tzw. teoretyczny pułap lotu, czyli poziom, na którym zwiększanie prędkości i kąta natarcia nie będzie już możliwe, a kontynuacja doprowadzi do sytuacji przeciągnięcia samolotu.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BZ7kIOy
Wizualizacja 3 D przedstawia działanie siły oporu. Pokazano poprzecznie wycięty kawałek skrzydła. Widoczny jest jego przekrój poprzeczny w kształcie wydłużonego migdału, gdzie szersza i zaokrąglona część to przód, a wąski ostry koniec to tył skrzydła. Zaznaczono kierunek napływu strug powietrza. Kierunek reprezentuje pozioma strzałka skierowana grotem w przednią część skrzydła. Zakładamy, że kąt nachylenia skrzydła do poziomu jest stały. Tu jest to alfa równa się cztery stopnie. Zaznaczmy, że tył skrzydła jest wierzchołkiem kąta. Rozważono trzy przypadki opisane czterema wielkościami: kątem nachylenia skrzydła do poziomu alfa, prędkością podaną w węzłach, symbol oraz siłą nośnąi i siłą oporu. Wektory obu sił przyłożono w środku kawałka skrzydła. Wektor siły nośnej jest pionowy i ma zwrot w górę, natomiast wektor siły oporu jest poziomy i ma zwrot zgodny z kierunkiem działania wiatru, czyli jest skierowany w stronę tyłu samolotu.
Gdy , , wektory siły nośnej i siły oporu są najkrótsze.
Gdy , , wektory siły nośnej i siły oporu są średniej długości.
Gdy , , wektory siły nośnej i siły oporu są najdłuższe.