Lentokoneen toiminta

[Pekka Jarvela]

Etsiskelin tuossa sopivaa selostusta lentokoneen toiminnasta ja
tällainen nettisivu "Siiven tekniikkaa" vaikutti lupaavalta:
http://www.seepia.org/html/seepia5/siipi/siipi.shtml

Sain sivusta käsityksen, että oleellista nostovoiman muodostumiselle
on, että siipi poikkeuttaa sen ohitse virtaavaa ilmaa jollain tavoin:
"Siipi kohdistaa ilmamassaan voiman, joka lisää sen liikemäärän
alaspäin suuntautuvaa komponenttia. Tällöin siipeen itseensä kohdistuu
vastavoima ylöspäin." Nostovoimalle on annettu ns. sirkulaation (kaava
1) avulla lauseke (kaava 2) F = sirkulaatio * v * rhoo * s, jossa rhoo
on ilman tiheys ja s on siiven pituus.

1. Mikä on kaavassa annettu nopeus v? Jos se on ilman virtausnopeus
(maan suhteen?), niin miten lentokoneen nopeus tulee huomioiduksi?

2. Artikkelissa selitetään sakkaus ilmiöksi, jossa nostovoiman
vaikutuspiste eli ns. (takimmainen) patopiste ei olekaan enää
siivellä vaan on siirtynyt liian suuren kohtauskulman (kts. kuva 1b)
vuoksi pois siiven alueelta. "Tällöin ilmavirtaus siiven takaosassa
irtoaa siiven pinnasta ja muuttuu turbulentiksi, jolloin siipi ei enää
käännä virtausta eikä siis tuota nostovoimaa." Aiheutuvatko niin
sanotut ilmakuopat siis ilmakehän omista turbulenteista virtauksista,
jotka väliaikaisesti aiheuttavat liian pienen kohtauskulman ja
nostovoiman pienenemisen?

PJ

[Joakim Majander]

Post by Pekka Jarvela
Sain sivusta käsityksen, että oleellista nostovoiman muodostumiselle

Nostovoiman muodostumista voi yrittää selittää hyvin monella tavoin
"kansanomaisesti". Kaikki ne ovat jotenkin liian yksinkertaisia
tarkemmin katsottuna.

Post by Pekka Jarvela
1. Mikä on kaavassa annettu nopeus v? Jos se on ilman virtausnopeus
(maan suhteen?), niin miten lentokoneen nopeus tulee huomioiduksi?

Lentokone toimii ilmassa. Oleellista on vain ilman ja lentokoneen
välinen nopeusero v. Ilman nopeus maan suhteen tulee sitten
oleelliseksi vasta mietittäessä miten nopeasti lentokone siirtyy A->B.

Post by Pekka Jarvela
2. Artikkelissa selitetään sakkaus ilmiöksi, jossa nostovoiman
vaikutuspiste eli ns. (takimmainen)  patopiste ei  olekaan enää
siivellä vaan on siirtynyt liian suuren kohtauskulman (kts. kuva 1b)
vuoksi pois siiven alueelta. "Tällöin ilmavirtaus siiven takaosassa
irtoaa siiven pinnasta ja muuttuu turbulentiksi, jolloin siipi ei enää
käännä virtausta eikä siis tuota nostovoimaa."

Ei mielestäni täysin oikea kuvaus. Sakkausilmiössä nostovoima ei
suinkaan lopu, vaan se pienenee. Pahempi on se, että samalla siiven
vastusvoima kasvaa voimakkaasti. Tästä syntyy kuolemankierre, sillä
suurempi vastus pienentää nopeutta, jolloin nostovoima tippuu
edelleen, jonka kompensoimiseksi on pakko kasvattaa edelleen
kohtauskulmaa, jolloin vastus kasvaa entisestään.

Mielestäni siis oleellisempaa kuin nostovoiman alentuminen on
nostovoima/vastus -suhteen voimakas huonontuminen. Sakkauksen
jälkeisillä kulmilla siipiprofiili toimii kuten suora levy, jonka voi
ajatella sakkaavan jo hyvin pienillä kohtauskulmilla. Lentokone voisi
lentää myös suorasta levystä tehdyillä siivillä (tai sakkaavilla
siipiprofilleilla), mutta vaadittava moottoriteho olisi
moninkertainen. Tavallaan esimerkki tällaisesta on yliäänikoneet.

Tässä käyriä nostovoimasta (suoraan verrannollinen Cd:hen) ja
vastuksesta (s.v. Cl): http://www.aerospaceweb.org/question/airfoils/q0150b.shtml

Huomaa kuinka pieni Cd on ennen sakkausta (~12 asteen kohdalla).
Huomaa, että sama nostovoima tulee myös 40 asteen kulmalla, mutta nyt
vastus on yli 10-kertainen sakkausta edeltäneeseen tilanteeseen.

Post by Pekka Jarvela
Aiheutuvatko niin
sanotut ilmakuopat siis ilmakehän omista turbulenteista virtauksista,
jotka väliaikaisesti aiheuttavat liian pienen kohtauskulman ja
nostovoiman pienenemisen?

Ei. Ilmakuopat ovat voimakkaita vaihtelevia pystyvirtauksia, joiden
mukana lentokone siirtyy ylös-alas. Siirtyminen tietysti tapahtuu
kohtauskulman muutoksen kautta, mutta muutos ei ole niin suuri, että
sakkaus olisi lähelläkään. Matkalennossa kohtauskulma on vain muutama
aste eli hyvin kaukana sakkauksesta. Sakkaus on ongelma vasta hyvin
hitaassa lennossa, jossa vaaditaan suuri kohtauskulma. Syy tähän on
se, että samalla kohtauskulmalla nostovoima riippuu nopeuden neliöstä.
Lennettäessä siis 800 km/h nostovoima olisi 4-kertainen 400 km/h
verrattuna, mutta vaakalennossa nostovoima=paino, joten kohtauskulma
tippuu karkeasti neljäsosaan. Isommissa koneissa on näin suuria
muutoksia varten muokkautuvat siivet, jolla kohtauskulman vaihteluväli
pidetään pienempänä muuttamalla siiven pinta-alaa ja muotoa nopeuden
mukaan.

Joakim

[kuja]

Post by Joakim Majander

Post by Pekka Jarvela
Sain sivusta käsityksen, että oleellista nostovoiman muodostumiselle

Nostovoiman muodostumista voi yrittää selittää hyvin monella tavoin
"kansanomaisesti". Kaikki ne ovat jotenkin liian yksinkertaisia
tarkemmin katsottuna.

Hupaisaa on että tuon artikkelin alussa lukee näin "Lentokoneen siiven
toimintaperiaate selitetään usein virheellisesti." - ja sitten siitä
lähdetään selittelemään yhtä virheellisesti asian ympäriltä.

[Petri Keckman]

Post by Pekka Jarvela
Etsiskelin tuossa sopivaa selostusta lentokoneen toiminnasta

Ilman kaasuatomit törmäävät siipeen ja törmäys aiheuttaa nosteen
mekaniikan törmäys lakien mukaisesti.

[Erkki Esimerkki]

Post by Petri Keckman

Post by Pekka Jarvela
Etsiskelin tuossa sopivaa selostusta lentokoneen toiminnasta

Ilman kaasuatomit törmäävät siipeen ja törmäys aiheuttaa nosteen
mekaniikan törmäys lakien mukaisesti.

Tuosta asian voinee johtaa. Siiven alapinnalla on ylipainetta ja mikä
merkittävämpää, siiven yläpinnalla on alipainetta (ympäristöön nähden)
joka ansiosta siipeen kohdistuu ylöspäin vaikuttava voima.

[erno]

Post by Erkki Esimerkki

Post by Petri Keckman

Post by Pekka Jarvela
Etsiskelin tuossa sopivaa selostusta lentokoneen toiminnasta

Ilman kaasuatomit törmäävät siipeen ja törmäys aiheuttaa nosteen
mekaniikan törmäys lakien mukaisesti.

Tuosta asian voinee johtaa. Siiven alapinnalla on ylipainetta ja mikä
merkittävämpää, siiven yläpinnalla on alipainetta (ympäristöön nähden)
joka ansiosta siipeen kohdistuu ylöspäin vaikuttava voima.

Vähän vielä lisäten, miten joskus asiaa on selitetty: Siiven yläpinta on
kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
samassa ajassa pidemmän matkan yläpinnalla, mistä seuraa, että ilman
nopeus on yläpinnalla suurempi. Tästä taas edelleen seuraa Bernoullin
lain mukaan, että siiven yläpinnalla paine on pienempi kuin siiven
alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipeä vasten,
tms., what ever).

Lieneekö pätevä selitys enää, vai onko maailma tältäkin osin
oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?

ernz

[Joakim Majander]

Post by erno
Vähän vielä lisäten, miten joskus asiaa on selitetty: Siiven yläpinta on
kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
samassa ajassa pidemmän matkan yläpinnalla, mistä seuraa, että ilman
nopeus on yläpinnalla suurempi. Tästä taas edelleen seuraa Bernoullin
lain mukaan, että siiven yläpinnalla paine on pienempi kuin siiven
alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipeä vasten,
tms., what ever).
Lieneekö pätevä selitys enää, vai onko maailma tältäkin osin
oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?

Aika huono selitys, sillä miten tuolla perustellaan se, että
symmetrinenkin profiili, kuten vaikkapa purjeveneen köli tai
lentokoneen peräsin (ehkä myös joidenkin lentokoneiden siivet ovat
symmetrisiä) tuottaa aivan hienosti nostovoimaa. Samoin tekee myös
tasolevy. Siiven muoto ei siis ole syynä nostovoimaan, vaan sen
ansiosta nostovoima saadaan aikaiseksi pienellä vastusvoimalla.

Mikää ei muuten pakota niitä siiven ylä- ja alapuolella olevaa
molekyyliä matkaamaan samassa ajassa siiven ohi.

Bernoullin yhtälö on erikoistapauksiin soveltuva yksinkertaistus
Navier-Stokesin yhtälöistä, jotka selittävät täysin siiven toiminnan.
Valitettavasti eivät vain kovinkaan "kansanomaisesti", sillä ne pitää
ratkaista numeerisesti ja vieläpä käytännön tilanteissa
turbulenssimallia käyttäen, koska laskentakapasiteetti ei läheskään
riitä tarpeeksi tiheään ajan ja paikan kuvaukseen, jota turbulenssi
vaatisi.

Joakim

[erno]

Post by Joakim Majander

Post by erno
Vähän vielä lisäten, miten joskus asiaa on selitetty: Siiven yläpinta on
kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
samassa ajassa pidemmän matkan yläpinnalla, mistä seuraa, että ilman
nopeus on yläpinnalla suurempi. Tästä taas edelleen seuraa Bernoullin
lain mukaan, että siiven yläpinnalla paine on pienempi kuin siiven
alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipeä vasten,
tms., what ever).
Lieneekö pätevä selitys enää, vai onko maailma tältäkin osin
oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?

Aika huono selitys, sillä miten tuolla perustellaan se, että
symmetrinenkin profiili, kuten vaikkapa purjeveneen köli tai
lentokoneen peräsin (ehkä myös joidenkin lentokoneiden siivet ovat
symmetrisiä) tuottaa aivan hienosti nostovoimaa. Samoin tekee myös
tasolevy. Siiven muoto ei siis ole syynä nostovoimaan, vaan sen
ansiosta nostovoima saadaan aikaiseksi pienellä vastusvoimalla.
Mikää ei muuten pakota niitä siiven ylä- ja alapuolella olevaa
molekyyliä matkaamaan samassa ajassa siiven ohi.
Bernoullin yhtälö on erikoistapauksiin soveltuva yksinkertaistus
Navier-Stokesin yhtälöistä, jotka selittävät täysin siiven toiminnan.
Valitettavasti eivät vain kovinkaan "kansanomaisesti", sillä ne pitää
ratkaista numeerisesti ja vieläpä käytännön tilanteissa
turbulenssimallia käyttäen, koska laskentakapasiteetti ei läheskään
riitä tarpeeksi tiheään ajan ja paikan kuvaukseen, jota turbulenssi
vaatisi.

Tuo oli jäänyt mieleen todennäköisesti SIL:n Suuresta lennokkirjasta
60-luvulta. Arvelinkin, että potaskaahan se varmaan on.

ernz

[Vesa Lappalainen]

Post by erno

Post by Joakim Majander
riitä tarpeeksi tiheään ajan ja paikan kuvaukseen, jota turbulenssi
vaatisi.

Tuo oli jäänyt mieleen todennäköisesti SIL:n Suuresta lennokkirjasta
60-luvulta. Arvelinkin, että potaskaahan se varmaan on.

Ei kai se potaskaa ole sinänsä. Kyse on ymmärtääksnei siitä,
puhutaanko syystä vai seurauksesta.

Mutta kovin hyvä selitys ei minusta ole sellainen, missä hypätään
nopeasti johonkin yhtälöön, millä sitten kansalle vakuutetaan
että tämä pätee.

Ja onko alipainetta olemassakaan? Eikö ole vain enemmän painetta
ja vähemmän painetta? Lopulta kun piane on kuitenkin molekyylien
törmäyksiä. Ja jos yksikin molekyyli joskus törmää, on kyseessä
pieni paine.

Periaatteessahan minusta venturiputken vetäminen selitykseen mukaan
kertomaan miksi siiven yläpinnalla on alipaine, ei ole kovin
maalaisjärjellä ymmärettävää. Jokainenhan tietää että alennusmyynnin
tapauksessa kaupan ovella on suurin paine vaikka venturiputken
kapeimmassa kohdassa paine pienenee. Miksi kapeata kohtaa muka
ehtii pukkailemaan vähemmän molekyylejä?

Haluan sellaisen selityksen, joka toimii pingispalloillakin.
On selvää että jos levyä viskoo alhaaltapäin riittävän monella
pingispallolla, levy pysyy ilmassa. Jos joku raukkamaisesti
viskoo pingispalloja samaan aikaa yhtä paljon ylhäältäpäin,
levy tietysti putoaa.

Jatkakaa tästä joku eteenpäin :-)

Vesa

[Joakim Majander]

Ja onko alipainetta olemassakaan?  Eikö ole vain enemmän painetta
ja vähemmän painetta?  Lopulta kun piane on kuitenkin molekyylien
törmäyksiä.  Ja jos yksikin molekyyli joskus törmää, on kyseessä
pieni paine.  

Riippuu siitä mitä tarkoittaa alipaine. Jos mitataan STAATTINEN paine
siiven ylä- ja alapuolelta, havaitaan, että alapuolella paine on yli
vallitsevan ilmanpaineen ja yläpuolella ali sen. Kaipa sitten voidaan
puhua ali- ja ylipaineesta. Tuo ylipaine ei koskaan ole enempää kuin
1/2*rho*V^2 (V siiven nopeus ilmamassaan nähden, ei paikallinen
nopeus) yli vallitsevan paineen, mutta alipainetta voi olla "enemmän"
eli paine voi laskea jopa moninkertaisesti tuon verran alle
vallitsevan paineen.

Painekäytöksen voi jotenkuten perustella Bernoullin yhtälöllä eli
patopisteessä virtaus pysähtyy ja paine on tuon 1/2*rho*V^2 enemmän ja
sitten taas siiven yläpuolelle, erityisesti aivan alkupäässä, virtaus
kiihtyy voimakkaasti (siis menee kovaa eri suuntaan kuin lentokone
maahan nähden), jolloin paine laskee (suunnilleen) Bernoullin yhtälön
mukaisesti. Bernoullin yhtälöhän olettaa, että virtaus on häviötöntä
eli staattisen ja dynaamisen paineen summa säilyy vakiona.

Bernoullin yhtälö ei kuitenkaan selitä, miksi virtaus pysähtyy
patopisteessä tai menee kovempaa siiven yläpuolella.

Haluan sellaisen selityksen, joka toimii pingispalloillakin.
On selvää että jos levyä viskoo alhaaltapäin riittävän monella
pingispallolla, levy pysyy ilmassa.  Jos joku raukkamaisesti
viskoo pingispalloja samaan aikaa yhtä paljon ylhäältäpäin,
levy tietysti putoaa.  

En oikein ymmärrä miten kansanomaisesti jotain selittäisi
pingispalloilla. Aika harva taitaa ymmärtää, että pingispallojen
törmäilyllä ja paineella olisi jotain yhteistä. Ja vaikka ymmärtäisi,
pitäisi vielä ymmärtää, miksi se paine on sellainen kuin se on. Ja kun
vielä paine riippuu virtauksesta ja virtaus paineesta ollaan pahemman
kerran muna-kana -ilmiössä.

Aika moni kuitenkin varmaan ymmärtää, että paine aiheuttaa voiman
pintaan. Sitten virtauksen aiheuttaman alipaineen vaikutusta voi
kokeilla puhaltamalla sopivan kevyen paperin yläpuolta pitkin ja
havaita kuinka paperi nousee puhalluksen suuntaiseksi, vaikka
alapuolella ei tapahdu mitään.

Joakim

[abc]

Post by Joakim Majander

Post by erno
Vähän vielä lisäten, miten joskus asiaa on selitetty: Siiven yläpinta on
kaarevampi kuin alapinta. Ilma joutuu siis siiven liikkuessa kulkemaan
samassa ajassa pidemmän matkan yläpinnalla, mistä seuraa, että ilman
nopeus on yläpinnalla suurempi. Tästä taas edelleen seuraa Bernoullin
lain mukaan, että siiven yläpinnalla paine on pienempi kuin siiven
alapinnalla (tai vastaavat painevektorit kohtisuoraan siipeä vasten,
tms., what ever).
Lieneekö pätevä selitys enää, vai onko maailma tältäkin osin
oleellisesti muuttunut 30 vuoden aikana?

Aika huono selitys, sillä miten tuolla perustellaan se, että
symmetrinenkin profiili, kuten vaikkapa purjeveneen köli tai
lentokoneen peräsin (ehkä myös joidenkin lentokoneiden siivet ovat
symmetrisiä) tuottaa aivan hienosti nostovoimaa. Samoin tekee myös
tasolevy. Siiven muoto ei siis ole syynä nostovoimaan, vaan sen
ansiosta nostovoima saadaan aikaiseksi pienellä vastusvoimalla.

Eikö tuo selitys oikeastaan mene pieleen vain siinä että keskittyy
_siiven pinnan_ kaarevuuteen. Oleellisempaa siinä on että ilmavirta
kulkee kaarevaa reittiä yläpinnan ympäri jolloin matka on pidempi jne.
Näin ilmaistuna tuo sama selitys pätee hyvinkin myös symmetrisiin
profiileihin, joista tasolevy on yksi esimerkki.

(Nuo symmetriset tapaukset edellyttää tietysti jonkun verran
kohtauskulmaa profiilin ja ilmavirran välillä.)

Vaikka tuo selitys selittääkin siiven ympärillä vallitsevan tilanteen
ilmavirtojen, nopeuksien ja paineitten suhteen, se ei välttämättä ole
paras selitys sille miksi nosto "syntyy". Noston "synty" selittyy paljon
havainnollisemmin sillä että siipi kääntää ilmavirtaa alaspäin.

(Ja kyllä vaan: symmetrisiä profiileja on lentokoneissakin, esim.
taitolentokoneissa sitä pidetään jopa etuna selkälento-ominaisuuksien
takia.)

Post by Joakim Majander
Mikää ei muuten pakota niitä siiven ylä- ja alapuolella olevaa
molekyyliä matkaamaan samassa ajassa siiven ohi.

Kuitenkin jos ne yläpinnan matkaajat laiskottelevat matkalla eivätkä
saavukaan ajoissa kohtaamispaikalle takareunan tuntumaan niin eikö
siihen paikkaan syntyisi tyhjiö? Tyhjiön joutuisi täyttämään alareunan
kautta tulleet molekyylit hiipimällä takareunan ympäri vielä jonkun
matkaa yläpintaa pitkin vastasuuntaan. Näin käsittääkseni tapahtuukin
hyvin suurilla kohtauskulmilla, muttei "normaalissa" ei-sakatussa
lentotilassa.