Jarosław Klimentowski Jarosław Klimentowski
5672
BLOG

Fizyka i praktyka latania cz. I

Jarosław Klimentowski Jarosław Klimentowski Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 6

Gdyby zapytać pilota dlaczego samolot lata, zapewne dość popularną odpowiedzią byłoby "bo ktoś za to zapłacił". Niestety sporo prawdy jest w tym satyrycznym rysunku, opisującym cztery fundamentalne siły lotnictwa:

 

Fizyka i praktyka latania cz. I

gdzie samolot napędzają pieniądze, hamują urzędnicy, w górę niosą marzenia, a na ziemię sprowadza rzeczywistość. W tym cyklu notek chciałbym poopowiadać trochę o fizyce latania, ale i o praktyce pilotażu. Mam nadzieję, że będzie to okazja, aby podciągnąć nieco wiedzę u osób zainteresowanych lotnictwem, ale nie mającym z nim jeszcze praktycznej styczności. Nie mam jeszcze spójnej wizji całego cyklu, mam nadzieję, że naprowadzicie mnie w komentarzach na właściwą drogę i pomożecie, aby kolejne wyważyć odpowiednio kolejne części pomiędzy twardą fizyką, a samą poezją walki z naturą.

Podstawowe zasady lotu

Na każde ciało rzucone w atmosferze będą działały dwie fundamentalne siły. Siła ciążenia oraz siła aerodynamiczna. O ile ciało to ma napęd, dołożymy też siłę ciągu. Siłę aerodynamiczną, podobnie jak każdy inny wektor, można rozłożyć na składowe. Zakładając, że będziemy zajmować się przekrojami, a więc schematami dwuwymiarowymi, rozłożymy tę siłę na dwie składowe - składową równoległą do kierunku napływających strug powietrza, którą nazwiemy siłą oporu, oraz składową prostopadłą, którą nazwiemy siłą nośną.

W tym momencie bardzo ważne jest uświadomienie sobie jak zmieniają się konkretnie zwroty wektorów tych sił w różnych sytuacjach, gdyż często prowadzi to do nieporozumień. Dlatego zapamiętajmy, że siła ciężkości zawsze działa dokładnie w dół, siła ciągu zawsze działa zgodnie z kierunkiem ustawienia jednostki napędowej (w przypadku samolotu najczęściej w przód), natomiast rozkład siły aerodynamicznej podyktowany jest kierunkiem ruchu tj. opór działa zawsze w przeciwną stronę niż ruch ciała względem powietrza, a siła nośna jest do niego prostopadła.

Nie jest więc tak, że te cztery siły są zawsze prostopadłe do siebie. Samolot wcale nie musi lecieć idealnie do przodu tj. w kierunku w którym skierowany jest ciąg jego silnika.

Fizyka i praktyka latania cz. I

Przechodząc powoli do fundamentalnej kwestii dla latania tj. profilu lotniczego, warto omówić kilka podstawowych pojęć.

Fizyka i praktyka latania cz. I

Jak widać profile mają swoje wymiary (długość, grubość) i kształt, ale najważniejszą dla nas cechą profilu będzie jego cięciwa. Cięciwa to prosta łącząca dwa skrajne punkty profilu i w pewien sposób wyznacza ona oś tego profilu. Za chwilę okaże się, że ustawienie cięciwy względem napływającego powietrza ma kluczowe znaczenie dla wytwarzanej siły nośnej.

Skąd więc bierze się siła nośna? O ile pozostałe siły (tj. ciąg, opór i ciężar) wydają się proste i zrozumiałe, to sposób powstawania siły nośnej często pozostawia wątpliwości. Fundamentalnie nie ma tutaj żadnego cudu. Zgodnie z zasadą zachowania pędu, aby nadać odpowiedni pęd samolotowi skierowany do góry (przeciwko sile ciężkości), samolotu musi nadać przeciwny pęd (a więc w dół) powietrzu. Samolot działą więc jak wielki wentylator, odpychając powietrze w dół, dzięki czemu sam może utrzymać się w powietrzu wbrew grawitacji, bądź nawet lecieć do góry. Widać tutaj pewną analogię do helikoptera i analogia ta jest bardzo trafna. Helikopter jest właśnie takim wielkim wentylatorem. Samolot nie ma ruchomego wirnika, aby więc osiągnąć ten sam efekt, musi się po prostu rozpędzić do odpowiedniej prędkości.

W ogólności siłę nośną opisuje się następującym wzorem:

Fizyka i praktyka latania cz. I

gdzie

Fizyka i praktyka latania cz. I - gęstość powietrza

S - powierzchnia skrzydła

V - prędkość względem powietrza

Cz - współczynnik siły nośnej

Gęstość powietrza jest oczywiście z góry zadana, ale pozostałymi wielkościami zarówno projektant jak i pilot mogą sterować i omówimy to szczegółowo później. Teraz zakładając, że zarówno zmiana wielkości skrzydła, jak i prędkości może być w pewnych sytuacjach kłopotliwa, skupimy się na ostatnym czynniku tj. Cz. To on będzie przede wszystkim służył do sterowania ilością wytwarzanej siły nośnej.

Współczynnik siły nośnej Cz zależy oczywiście przede wszystkim od samego profilu. Inaczej zachowuje się profil gruby, inaczej cieńki, inaczej symetryczny, a inaczej asymetryczny. Współczynnik ten podlega więc doświadczalnemu wyznaczeniu. Ale zakładając, że mamy w samolocie jeden, konkretny profil, który nie ulega zmianie, kluczowym czynnikiem mającym wpływ na ten współczynnik staje się kąt natarcia.

Zapamiętajmy to wyrażenie - kąt natarcia jest wielkością wręcz fundamentalną dla mechaniki lotu, gdyż bezpośrednio wpływa na ilość wytwarzanej siły nośnej. Kąt natarcia wyznaczamy pomiędzy cięciwą skrzydła, a wektorem napływających strug powietrza.

Jak łatwo się domyślić np. w profilu symetrycznym, jaki widać tutaj:

Fizyka i praktyka latania cz. I

zerowy kąt natarcia będzie oznaczał zerową siłę nośną. Kąty dodatnie (skrzydło uniesione przodem do góry) oznaczają dodatnią siłę nośną (skierowaną do góry), a ujemne siłę skierowaną w dół. W ten właśnie sposób samolot może latać bez problemu w locie odwróconym. Tego typu profile stosuje się w samolotach akrobacyjnych. W samolotach, które latają głównie w pozycji normalnej stosuje się profile, które nawet przy zerowym kącie natarcia wytwarzają siłę nośną w górę, chociaż oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby na ujemnym kącie tę siłę wyzerować, a nawet skierować w dół, gdy zajdzie taka potrzeba.

Ponieważ siła nośna jest składową siły aerodynamicznej, której drugą składową jest opór, obie te siły są nierozerwalnie związane ze sobą. Przy czym o ile siła nośna może być zerowa, o tyle opór zawsze występuje, o ile tylko ciało znajduje się w ruchu. Wzór na siłę oporu jest identyczny, jedynie współczynnik Cz, zastępujemy współczynnikiem Cx. O zależności między siłą nosną, a siłą oporu w zależności od kąta natarcia dla przykładowego profilu opowiada rysunek:

 

Fizyka i praktyka latania cz. I

Warto go dobrze przeanalizować. Zaczynając od lewej strony, tj. ujemnych kątów natarcia przechodzimy od ujemnej, do dodatniej siły nośnej. Zależność jest niemalże liniowa. Wraz ze wzrostem kąta natarcia rośnie siła nośna, ale i opór. W pewnym momencie osiągamy krytyczny kąt natarcia. Jest to kąt, przy którym siła nośna jest w danych warunkach maksymalna. Dalej siła nośna już tylko spada, za to opór rośnie dramatycznie.

Dlaczego tak się dzieje?

Fizyka i praktyka latania cz. I

Skrzydło działa najlepiej wtedy, gdy opływ jest niezaburzony. Wraz z rosnącym kątem natarcia rośnie różnica ciśnień nad i pod skrzydłem, rośnie więc siła nośna, ale w pewnym momencie strugi zaczynają się odrywać i powstaje turbulencja. Proces ten zaczyna się od końca skrzydła (krawędzi spływu) i wraz z rosnącym kątem natarcia przesuwa ku jego początkowi (krawędzi natarcia). W tej strefie skrzydło nie wytwarza już efektywnie siły nośnej. Kiedy opanuje ona większość powierzchni skrzydła, przestaje ono działać. Następuje tzw. przeciągnięcie i samolot najczęściej zaczyna spadać.

Praktyczne wnioski

Po przebrnięciu przez tę teorię kilka praktycznych problemów do rozwiązania, gdyż okazuje się, że pewne sprawy są zupełnie nieoczywiste.

Przykład 1: Dwa identyczne samoloty lecą na tej samej wysokości (ustalony lot poziomy), przy czym jeden jest znacznie szybszy od drugiego. Który wytwarza większą siłę nośną?

Odpowiedź: Pytanie jest podchwytliwe. Skoro lot obu samolotów jest ustalony, to wszystkie siły muszą się równoważyć. Skoro tak, to oczywiście obydwa samoloty wytwarzają taką samą siłę nośną. Oczywiście ten, który leci wolniej, musi lecieć na większych kątach natarcia, aby zniwelować wpływ mniejszej prędkości na siłę nośną.

Przykład 2: Samolot z ustalonego lotu poziomego przechodzi na ustalony lot wznoszący (z taką samą prędkością). Czy wytwarzana przez niego siła nośna wzrośnie, spadnie, czy pozostanie bez zmian?

Odpowiedź: Jeśli chciemy z lotu poziomego przejść na wznoszenie, to musimy oczywiście zwiększyć siłę nośną, poprzez zwiększenie kątów natarcia (zadarcie nosa samolotu do góry). Spowoduje to wzrost oporu, a więc aby zachować prędkość postępową, musimy też zwiększyć siłę ciągu. Zwiększona siła nośna spowoduje powstanie pionowego przyspieszenia, które zacznie rozpędzać nasze wznoszenie. Jednak po chwili, zakładając stały kąt pochylenia, wektor strug napływającego powietrza obróci się - te nie będą napływać już w poziomie, lecz nieco od góry, co spowoduje ponowne zmniejszenie kąta natarcia, redukcję siły nośnej i ustalenie wznoszenia ze stałą prędkością, gdzie wszystkie siły się równoważą. Jednak dodatkowym czynnikiem jest zmiana wektora ciągu - teraz nie jest on już skierowany w poziomie, lecz nieco do góry. Jego składowa pionowa dodaje się do siły nośnej, a więc aby zachować ruch jednostajny, siła nośna musi być paradoksalnie mniejsza, niż w locie poziomym. Po prostu część siły ciążenia równoważymy zwiększonym ciągiem silnika. Wyraźnie widać to na takim rysunku:

Fizyka i praktyka latania cz. I

gdzie siła nośna bez wątpienia jest mniejsza, od ciężaru.

Jednym z bardziej interesujących zagadnień, pozwalającym zrozumieć wiele zachowań samolotu, jest analiza krzywych biegunowych. Te krzywe polegają na wykreśleniu jednej prędkości względem innej. Popularna krzywa to np. prędkość opadania względem prędkości postępowej w locie ustalonym bez napędu (lot szybowy).

Fizyka i praktyka latania cz. I

Punkt A odpowiada sytuacji lotu na maksymalnym kącie natarcia - duża siła nośna, ale i duży opór - dzięki temu można lecieć bardzo wolno (V_min), ale także i dystans dolotu będzie bardzo krótki. Punkt B odpowiada tzw. prędkości ekonomicznej. Jest to prędkość przy której opadanie jest najniższe, ale prędkość też nie jest duża. Prędkość ta stosowana jest np. przez szybowce w kominie, gdy nie zależy im na dalekim locie, a jedynie na jak najdłuższym utrzymaniu się w powietrzu. Punkt C, wypadający na styku biegunowej i prostej wychodzącej z początku układu współrzędnych to tzw. prędkość optymalna. Przy tej prędkości stosunek siły nośnej do oporu jest największy, dzięki czemu największy jest zasięg dolotu. Mimo iż opadanie jest większe, niż przy prędkości ekonomicznej, to prędkość lotu jest znacznie większa. Prędkość optymalną stosuje się np. po awarii silnika, aby zalecieć jak najdalej. Każda prędkość powyżej optymalnej przyspieszy tylko zniżanie i ponownie skróci dolot, poprzez niewspółmierny wzrost oporów.

Krzywą tę można też przetłumaczyć na sytuację lotu poziomego o ustalonej prędkości w samolocie z napędem, wtedy zamiast prędkości opadania mamy aktualną moc silnika (albo zużycie paliwa). I podobnie sytuacja A odpowiada gdy samolot leci na dużej mocy i małej prędkości, sytuacja B to lot poziomy przy najmniejszej możliwej dla lotu poziomego mocy silnika, punkt C to lot najbardziej ekonomiczny (moc większa, niż w B, ale i prędkość większa), a punkt D to szybki lot na bardzo dużej mocy.

Z powyższego wynika, że inaczej, niż np. w samochodzie, lot poziomy z małą prędkością będzie wykonywany na dużej mocy silnika. Tak właśnie się dzieje, a opisywane jest to często tzw. zakresami prędkości. Pierwszym zakresem prędkości nazywamy zakres gdzie kąty natarcia są mniejsze od krytycznego. Chcąc lecieć szybciej dodajemy mocy i mniejszamy kąt, a chcąc lecieć wolniej, zmniejszamy moc i zwiększamy kąt natarcia. Wszystko odwraca się po przekroczeniu krytycznego kąta natarcia. Teraz aby lecieć jeszcze wolniej zwiększamy kąty natarcia, ale musimy też dodać mocy. Z koleji aby przyspieszyć, zmniejszamy kąty natarcia i redukujemy moc. Ten nieintuicyjny sposób pilotażu nazywamy lotem w drugim zakresie prędkości.

Na tym zakończymy wstęp do teorii  latania, a w następnej części skupimy się bardziej na samym procesie sterowania.

Ikarus, MAN, Jelcz i Solaris

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie