Perusaerodynamiikkaa
2.1 Nostovoiman syntyminen
Siiven tärkein tehtävä on synnyttää konetta ilmassa pitävä nostovoima. Nostovoima syntyy siipeen ilmavirran suunnan muuttamisen vastavaikutuksena. Suunnan muutoksen suuruus ja lentonopeus määrittelevät syntyvän voiman suuruuden.
Kuva: Virtauksen suunnan muuttamisesta syntyy nostovoima. V1 on vapaan virtauksen suunta ja V2 on siiven vaikutuksesta taipunut suunta. Nostovoima määritellään syntyvän kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan ja vastus vapaan virtauksen suuntaan.
2D virtaus
Seuraavassa tarkastellaan lähemmin nostovoiman syntyä käyttämällä hyväksi aikaisemmin mainittua Bernoullin lakia ja painejakautumaa äärettömän pitkän lieriön ympärillä eli 2D-virtausta. Ensiksi oletetaan, että virtaus on kitkatonta (vasen kuva) ja sen jälkeen otetaan huomioon kappaleen aiheuttama kitka, joka synnyttää vastusta sekä muuttaa virtauksen luonnetta kappaleen pinnan välittömässä läheisyydessä ja varsinkin kappaleen takana, jossa esiintyy enemmän tai vähemmän turbulenssia (oikean puoleinen kuva).
Kun edellisen kuvan lieriö pannaan pyörimään myötäpäivään, niin lieriön pinnan välittömässä läheisyydessä oleva virtaus saa saman nopeuden kuin lieriön pinta. Tämä sirkulaatioksi kutsuttu nopeus summautuu ympäröivään virtaukseen. Sirkulaation lisääminen nostaa etupuolella liikkuvia virtaviivoja ylemmäksi, jolloin patopiste siirtyy alemmaksi aiheuttaen jopa kitkattomassa virtauksessa nostovoiman ilman vastusta. Kun lisäksi ilman viskositeetista johtuva vastus otetaan huomioon, niin saadaan todellinen virtaustilanne, jossa on sekä nostovoimaa että vastusta.
Tätä pyörivän sylinterin nostovoimaa synnyttävää ominaisuutta on käytetty hyväksi ns. Flettner-purjeessa, joka on pyörivä sylinteri purjeen tilalla. Google: Flettner rotor. Pallopeleissä vastustajaa pyritään hämäämään lyömällä kierteinen pallo, jolloin sen rata kaartuu kierteen suunnasta riippuen.
Siipiprofiilin nostovoiman synty
Lentokoneen siiven nostovoiman syntyminen vastaa pyörivän lieriön tapausta. Kun siiven kohtauskulma kasvaa niin etummainen patopiste siirtyy hieman alaspäin ja takimmainen patopiste pyrkii siiven yläpinnalle. Tällöin virtaus joutuisi kuitenkin kiertämään takaa siiven yläpinnalle. Ilman sisäinen kitka estää tällaisen nopean kiepsahduksen vastakkaiseen suuntaan ja taempi patopiste pysyy jättöreunassa. Sakkausilmiössä tämä virtauksen kiepsahdus siiven yläpuolelle toteutuu. Kuvassa esitetään siiven ympäri tapahtuva virtaus kitkattomassa ja kitkallisessa virtauksessa.
3D virtaus
Edellä olevissa virtauskuvissa virtaus on ennen ja jälkeen lieriön vapaan virtauksen suuntainen, mikä pitää paikkansa vain äärettömän pitkälle lieriölle. Todellisessa tilanteessa virtaus muuttaa lieriön takana suuntaansa alaspäin sitä enemmän mitä suurempi nostovoima ja mitä lyhyempi lieriö eli siipi.
|
NOSTOVOIMA SYNTYY KOHTISUORAAN PYÖRIMISAKSELIA[1] JA SUHTEELLISTA VIRTAUSTA VASTAAN.
Mutta on sovittu, että nostovoima on kohtisuorassa vapaata virtausta vastaan ja vastus vapaan virtauksen suuntainen. Näin on sovittu koska suhteellisen virtauksen suunta on vaikea määritellä mutta vapaan virtauksen suunta on aina saatavilla.
Siiven pituuden vaikutuksesta nostovoimaan