* l.J.F. (Jo) Hermans * Leiden University, The Netherlands *
hermans@physics.leidenuniv.nl * DOI: 10.1051/epn/2009705
|
Upitate li bilo kojeg fizičara kako rade krila aviona, najvjerojatnije će Vam dati popularni odgovor koji se temelji na Bernoullijevoj jednadžbi. Prema toj "teoriji" avionsko krilo je u presjeku zakrivljenije na gornjoj strani, a s donje strane manje-više ravno. Zrak koji se sudara s prednjim („napadnim“) rubom krila dijeli se u dvije struje koje se ponovo spajaju na stražnjem („izlaznom“) rubu krila. Budući da je put koji zrak prelazi po gornjoj površini krila duži, brzina zraka na gornjoj strani mora biti veća. A prema Bernoullijevoj jednadžbi, veća brzina znači manji tlak, pa rezultantna sila djeluje na krilo prema gore. Ovo zvuči jednostavno i logično. Međutim, to je pogrešno. Mi znamo da to mora biti pogrešno. Jer kad bi ovo objašnjenje bilo točno, kako bi onda avioni mogli letjeti naopačke? Dakle, što točno stvara uzgon na krilima? Ispostavlja se da je potrebno samo profilom krila usmjeriti struju zraka prema dolje. Kao što je to elegantno pokazao Holger Babinsky iz Cambridga godine 2003. ( Physics Education 38, str. 497-503), ključ je zakrivljenost strujnica zraka. Zamislite jedrilicu, ali na trenutak zanemarite jarbol. Na jedro možemo gledati kao na uspravno krilo. Jedro radi savršeno kao pogon broda, ali mu oblik nije ni blizu oblika klasičnog krila. Nema razlike u dužini putanje po jednoj ili drugoj strani jedra, tako da objašnjenje s Bernoullijem i različitim dužinama putanje pada u vodu. Pa ipak, jedro je vrlo učinkovito, jednostavno zato što stvara skretanje toka zraka. Ako to razradimo, naći ćemo jednostavan odnos između zakrivljenosti struje zraka i gradijenta tlaka okomito na strujnice : dp/dn = ρv2/R, gdje je n koordinata okomita na strujnice zraka, ρ je gustoća zraka, v je brzina, a R je polumjer zakrivljenosti. Predznak je takav da se tlak smanjuje prema središtu zakrivljenosti. To smanjuje tlak na konveksnoj strani jedra i povećava ga na udubljenoj strani. |
Zaista, tanka zakrivljena krila koja sliče na jedra idealna su za stvaranje zakrivljenosti strujnica. To je često i oblik ptičjih krila. Za zrakoplove ovo nije privlačna opcija : tanka zakrivljena krila ne bi zadovoljila konstrukcijske zahtjeve, a osim toga, ne bi imala korisnu zapreminu za spremanje goriva. Na sreću, bilo koji oblik koji dovodi do zakrivljenost struje zraka može stvoriti uzgon, čak i krilo simetričnog profila. Sve što moramo učiniti je pravilno odabrati napadni kut: ako je krilo lagano zakrenuto prema gore, njegova gornja strana će stvoriti zakrivljenost struje zraka jednako učinkovito kao i zakrivljeno krilo, dajući time daleko najveći doprinos uzgonu. Ispod krila su područja različitih smjerova zakrivljenosti što stvara ukupnu silu na krilo koja je blizu nuli. Stoga je za simetrično krilo količina uzgona –
pozitivnog ili negativnog – samo pitanje podešavanja napadnog kuta, očito
unutar određenih granica. A letenje naopačke je sada dječja igra. Naravno,
ako Vam je stalo do toga. Sve o načelima letenja aviona može se naći u "bibliji" za pilote John S. Denker: See How It Flies a ulogu krila opisuje poglavlje 'Airfoils and Airflow' |
