Aerodynamika, czyli rzecz o samolotach, szybkich samochodach i przystrojonych kominach.

Tekst: Gabriela Zielińska

Data publikacji

22 10 2024

Każdy przedmiot upuszczony z wysokości – spada na Ziemię. Takie doświadczenia gromadzimy od najmłodszych lat. Nie ma wyjątków: owoce spadają z drzew zawsze ku ziemi, nieopacznie upuszczony ołówek również, nawet lekkie piórka początkowo szybujące w powietrzu w końcu i tak osiadają na gruncie. I gdy mamy już jakąś pewność, że ze wszystkim tak się dzieje, obserwujemy lecące samoloty.

Duże i ciężkie konstrukcje, które jakoś utrzymują się w powietrzu. Wtedy w umyśle kiełkują wątpliwości, które po chwili przybierają postać niewygodnego pytania: dlaczego samoloty nie spadają?!

Jeśli to pytanie zostanie wypowiedziane na głos, osoby znajdujące się w pobliżu, aby ratować swój autorytet, mają do wyboru trzy opcje:

A) w wiarygodny sposób odegrać nagłe wystąpienie afazji językowej, skutkującej utratą zdolności mowy - może to rozwiązanie mało eleganckie, ale powinno być skuteczne. W końcu krytyczna sytuacja wymaga nadzwyczajnych środków.

B) przypomnieć sobie, że bardzo pilnie muszą być w tym momencie zupełnie gdzie indziej i nie mają czasu na wyjaśnienia;

C) podjąć próbę odpowiedzi – jednak osoby wybierające tę trzecią opcję, muszą być też świadome, że odpowiedź wcale nie jest prosta.

Od pierwszego lotu braci Wright minęło ponad 120 lat. Mogłoby się wydawać, że było wystarczająco dużo czasu, aby wyjaśnić wszystkie aspekty dotyczące fizyki lotu. Tymczasem trudno o inny przykład równie dobitnie pokazujący, że pomimo zwiększenia stanu wiedzy, wciąż może brakować jednego spójnego wytłumaczenia teoretycznego. Sami naukowcy zdążyli gruntownie nie zgodzić się ze sobą i wzajemnie podważać proponowane wyjaśnienia. Na to nałożyły się uproszczenia w nauczaniu o locie, błędne założenia lub nadinterpretacje. (Temat zreferowany dokładnie w wielu opracowaniach naukowych i popularnonaukowych - np.: [1], [2]) Na szczęście wśród dyskusji teoretycznych ostały się “wysepki faktów”, co do których panuje zgodność.

O aerodynamice traktuje także eksponat: „Dlaczego szybowiec nie spada?” (sala „Jak zmieniamy Ziemię?”)

Konsultacja naukowa eksponatu: Prof. Krzysztof Sibilski, Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych

Ostatnio dodane w Rozoom

Na wystawie w Cogiteonie. Co się działo, zanim ludzie stworzyli cywilizację? cz.2

Aerodynamika, czyli rzecz o samolotach, szybkich samochodach i przystrojonych kominach.

Na wystawie w Cogiteonie. Co się działo, zanim ludzie stworzyli cywilizację?

Świat Diuny. (Nie)realna biologia czerwi pustyni, cz. 2

Świat Diuny. (Nie)realna biologia czerwi pustyni, cz. 1

Wiosna w lesie

Cztery siły w aerodynamice

Zacznijmy więc od początku, czyli od przybliżenia tego, czym są siły, które działają na samolot w locie.

Ciężar jest siłą z jaką obiekty są przyciągane przez Ziemię. Zwrot tej siły skierowany jest w stronę środka Ziemi, co w praktyce dla obiektu znajdującego się w powietrzu oznacza „w dół”. Wartość tej siły jest zależna od masy obiektu. Im obiekt ma większą masę, z tym większą siłą jest „ściągany” do powierzchni Ziemi.

Aby jakikolwiek obiekt mógł wznieść się w powietrze potrzebna jest siła nośna, która ma przeciwny zwrot niż ciężar (dla uproszczenia przyjmijmy – do góry). Obiekt może się wznieść dopiero w momencie, kiedy wartość siły nośnej przewyższa ciężar (czyli siła pchająca do góry jest większa niż ta ciągnąca w dół).

Konieczne jest również nadanie samolotowi odpowiedniej prędkości. Dzięki pracy silników powstaje siła ciągu umożliwiająca przemieszczanie się w powietrzu. Co ważne, aby wytworzyła się siła nośna ważne jest wprawienie samolotu w ruch postępowy. Kiedy samolot stoi statycznie na ziemi, siła nośna się nie wytworzy. Dlatego zanim możliwe będzie wzbicie się samolotu wykonuje on kołowanie po pasie startowym, stopniowo zwiększa prędkość jazdy po nawierzchni pasa. W tym czasie wartość siły nośnej wzrasta i dopiero kiedy osiągnie ona odpowiedni poziom jadący samolot odrywa się od nawierzchni i rozpoczyna się jego lot.

Jednak istnieje jeszcze opór, który utrudnia poruszanie się obiektu w obranym przez niego kierunku i działa przeciwnie do ruchu postępowego. Jeśli pojazd przemieszcza się w przód, opór działa „w tył” – hamuje pojazd. Na opór mają wpływ gęstość ośrodka, w którym przemieszcza się obiekt (np. większy opór jest w wodzie niż w powietrzu), a także kształt obiektu (im większa, płaska powierzchnia ustawiona prostopadle do strumienia przepływającego powietrza, tym większy opór). [3], [4]

rysunek przedstawiający cztery siły działające na samolot

Cztery siły działające na samolot,
Rys. autorki

Siła nośna w lotnictwie

Tym, co umożliwia samolotom lot jest siła nośna. Bez niej samoloty nie wznosiłby by się w powietrze ani nie byłyby w stanie utrzymać się w locie. Siła nośna jest efektem układu ciśnień powstającego nad i pod skrzydłem. Nie ma natomiast jednego prostego i uniwersalnego wyjaśnienia, które tłumaczyłoby, dlaczego tak się dzieje.

Istnieją dwie teorie, próbujące wyjaśnić powstawanie siły nośnej. Pierwszą z nich jest odwołanie do prawa Bernoulli’ego, drugą - do zasady akcji i reakcji Newtona. Problem polega jednak na tym, że obie teorie nie wyjaśniają tego zjawiska w pełni.

Warto jednak oddzielić rozważania teoretyczne nakierowane na wyjaśnienie przyczyn od doświadczalnie obserwowanych zjawisk.

A fakty są następujące:

• Wzdłuż górnej płaszczyzny skrzydła samolotu strumień powietrza przemieszcza się szybciej niż wzdłuż dolnej.

• Ponad górną płaszczyzną skrzydła tworzy się układ niskiego ciśnienia.

• Pod dolną płaszczyzną skrzydła tworzy się układ wyższego ciśnienia.

• Różnica ciśnień po obu stronach skrzydła skutkuje wytworzeniem siły nośnej.

[1], [2]

Zanim przejdziemy do dalszych wyjaśnień warto jeszcze na moment zatrzymać się przy zagadnieniu ciśnienia. Wyobraźmy sobie dwa pojemniki ze szczelnymi pokrywkami, w których są zawory umożliwiające wtłoczenie lub odciągnięcie powietrza z wnętrza. Początkowo ciśnienie w ich wnętrzu jest takie samo jak ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz nich. Następnie do pierwszego z pojemników podłączamy pompę tłoczącą powietrze do wnętrza. Cząsteczki gazów tworzących powietrze ulegają upakowaniu w małej, zamkniętej przestrzeni. Cząsteczki gazów zderzają się ze sobą i uderzają o ściany pojemnika. W tym pojemniku będzie wyższe ciśnienie niż na zewnątrz. Teraz przełączamy kierunek działania pompy, aby odsysała powietrze. Podłączamy ją do drugiego pojemnika. Pompa wyciąga część powietrza. Liczba cząsteczek gazów w pojemniku się zmniejsza i rozprzestrzeniając się po całym pojemniku, zwiększają się przestrzenie miedzy nimi – już tak się nie cisną. Wewnątrz drugiego pojemnika będzie więc niższe ciśnienie niż na zewnątrz.

Jak tworzą się przestrzenie wysokiego i niskiego ciśnienia?
Rys. autorki

Nad skrzydłem lecącego samolotu tworzy się układ niskiego ciśnienia (mniejsze nagromadzenie cząsteczek powietrza i co za tym idzie łatwiejsza możliwość wznoszenia się samolotu). Pod spodem cząsteczek jest więcej i niejako “podtrzymują” one skrzydło, wywierając na nie większy nacisk od spodu.

Aby zrozumieć, jak powstaje siła nośna, musimy też wiedzieć, że skrzydło ma najczęściej niesymetryczny kształt. Górna powierzchnia jest bardziej wypukła, podczas gdy dolna krawędź jest bardziej wypłaszczona. Ale należy pamiętać, że istnieje wiele różnych rodzajów profili lotniczych różniących się układem krzywizn.

Dodatkowo, trzeba wiedzieć, że podczas lotu skrzydło jest ustawione nie poziomo, ale pod pewnym kątem, zwanym kątem natarcia. Powietrze opływające skrzydło od spodu zmienia swój kierunek – jest odchylane w dół. Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona (zasadą równości akcji i reakcji), powstaje dodatkowa siła przeciwnie skierowana, co również przyczynia się do powstania siły nośnej.

Przepływ powietrza nad i pod skrzydłem. Rys. autorki

Ponadto skrzydło lecącego samolotu rozcina otaczające powietrze i tworzą się w ten sposób dwa odrębne strumienie. Co ciekawe strumień powietrza opływającego skrzydło od góry ma większą prędkość niż strumień powietrza pod skrzydłem. Istnieje również zależność pomiędzy prędkością przepływu, a ciśnieniem. Zależność tę opisał szwajcarski fizyk i matematyk Daniel Bernoulli. Stwierdził on, że ciśnienie płynu spada wraz ze wzrostem jego prędkości i odwrotnie - wraz ze spadkiem prędkości ciśnienie wzrasta. [5] Jego twierdzenie odnosi się do mechaniki płynów, a płynami w myśl fizycznego rozumienia tego terminu są zarówno ciecze, jak i gazy. Dlatego prawo Bernoulli’ego znajduje zastosowanie w aerodynamice i jest odpowiednie do opisu przepływającego strumienia powietrza.

W ten sposób ponad skrzydłem lecącego samolotu tworzy się ośrodek niższego ciśnienia, a pod nim wyższego. Ta lokalna różnica ciśnień prowadzi do powstania siły nośnej. Pozostaje jednak pytanie: skąd wynika różnica w prędkości przepływu pod i nad skrzydłem?

Jedno z popularnie funkcjonujących wyjaśnień zakłada, że powietrze biegnące wzdłuż górnej, wygiętej krawędzi skrzydła ma do pokonania dłuższą drogę, co wymusza większą prędkość przepływu powietrza, tak aby strumienie podróżujące po dwóch oddzielnych torach (pod i nad skrzydłem) mogły opuścić płat skrzydła równocześnie. Z tym wyjaśnieniem jest jednak poważny problem. Po pierwsze należałoby zadać pytanie, dlaczego oba strumienie miałyby opuścić skrzydło jednocześnie. I czy na pewno tak się dzieje? Otóż okazuje się, że dane eksperymentalne tego nie potwierdzają. Obrazuje to film nagrany przez profesora Holgera Babinskyego z Uniwersytetu w Cambridge prezentujący doświadczenie przeprowadzone w tunelu aerodynamicznym [6] Sfilmował on pulsacje dymu opływającego profil skrzydła. Na zdjęciach poklatkowych widać, że czasy przepływu nad i pod skrzydłem nie są równe: powietrze przemieszcza się szybciej nad górną powierzchnią i mija koniec skrzydła, zanim przepływ pod płatem osiągnie koniec dolnej powierzchni. [7]

Siła docisku w F1

O ile samoloty potrzebują siły nośnej, aby wzbić się w powietrze, to pojazdy poruszające się po drogach powinny być możliwie stabilne i “związane z podłożem”. Pomaga w tym tak zwana siła docisku. Jest odpowiednikiem siły nośnej, lecz jest skierowana w dół. Jej źródłem są właściwości aerodynamiczne pojazdu.

W przypadku samochodu wytworzenie siły docisku ma na celu zwiększenie siły pionowej („od góry” – stąd docisk) działającej na opony, co z kolei zwiększa przyczepność. [8] Szczególnie ważne jest to w przypadku bolidów Formuły 1, które rozwijają bardzo duże prędkości podczas przejazdu. Dlatego w ich konstrukcji kluczowe są ulokowane na przodzie pojazdu tzw. skrzydła przednie, a także skrzydła tylne. W ogólnym zarysie kształt profilu skrzydła w bolidzie F1 jest odwróconym profilem skrzydła samolotu. Powietrze przemieszcza się szybciej pod dolną powierzchnią skrzydła (niższe ciśnienie), powodując powstawanie siły dociskającej pojazd do jezdni. Odwrotnie niż w samolocie [9], [10]

Aerodynamika w bolidzie F1. Grafika autorki

Wiry von Kármána

Przepływ strumienia powietrza wpływa też na budowle i inne elementy stale obecne w krajobrazie tworzonym przez człowieka. Konstruktorzy takich obiektów muszą brać pod uwagę siły wynikające z naporu wiatru i uwzględniać je przy projektowaniu.

Jeśli przeszkoda znajdująca się na drodze strumienia powietrza lub wody ma kształt cylindryczny, to powstają za nią symetryczne wiry tworzące się naprzemiennie, z jednej i z drugiej strony obiektu. Ciągi takich wirów określane są wirami von Kármána, nazwanymi tak na cześć badacza zjawisk aerodynamicznych Teodora von Kármána. [11]

Zjawisko to jest odpowiedzialne za „śpiewanie” linii elektrycznych czy anten pod wpływem podmuchów, ale też drgania kominów, mostów i innych konstrukcji narażonych na działanie wiatru. W skrajnych przypadkach oscylacje powodowane przez wiatr mogą doprowadzić do katastrof budowlanych. Dlatego na wysokich kominach montuje się spiralne struktury mające zapobiegać powstawaniu wirów (vortex shedding). [12] Kominy przystrojone w takie metalowe “kryzy” są mniej narażone na destrukcyjny wpływ wiatru. Strumień powietrza załamuje się na nich i zmniejsza to powodowane przez wiatr turbulencje.