Hur kan ett flygplan flyga?

För att lättare kunna förstå hur det kommer sig att ett flygplan kan flyga måste man ha lite grundläggande kunskaper i aerodynamik. Aerodynamik är läran om gasers beteende. Då luften är en blandning av gaser och det är luften vi flyger i så gäller denna läran om luften.

Först och främst kan vi klarlägga vad luft är. Luften består till mestadels av kväve och syre. Dessa molekyler har en massa precis som all annan materia och innehåller således energi. Denna energi måste vi kunna omvandla så att vi kan använda den till att lyfta ett flygplan.

Lufttryck
Lufttrycket är ett mått på hur många molekyler det finns i en viss volym. Vid havsnivån är trycket som högst och det finns många molekyler att flyga i. Ju längre ifrån jorden vi kommer desto lägre är lufttrycket och avståndet mellan molekylerna ökar. Det är därför vi inte kan flyga ett flygplan ut i rymden, det finns helt enkelt inte tillräckligt många molekyler att flyga på. En annan sak som påverkar luftens täthet är temperaturen. Ju kallare desto tätare luft och ju varmare desto tunnare luft. Alltså, både avståndet från havsytan och temperaturen påverkar lufttrycket.

Hög densitet/låg densitet.

Det här kanske ni inte visste men ett flygplans startsträcka varierar med vädret. Skillnaden kan vara påtaglig mellan en varm sommardag och en kall vinterdag.

Lyftkraft
Hur kan ett flygplan omvandla luftmolekylernas energi till lyftkraft då?

Ett flygplans lyftkraft kommer sig av två olika aerodynamiska fenomen. För det första skapar vingens profil ett undertryck på vingens ovansida och för det andra böjer vingen av luftströmmen nedåt. Det förstnämnda kommer jag till lite längre fram. Det andra, att vingen böjer av luftströmmen resulterar i en lyftkraft som verkar tvärtemot den nedgående luftströmmen. Luftens massa har helt enkelt ändrat riktning. Den kraft som tvingar luften att ändra riktning nedåt verkar på vingen åt motsatt håll, det vill säga uppåt.

Luften tvingas att bryta sin bana nedåt.

Det första jag nämnde var ett undertryck som bildas. Jag ska på ett så enkelt sätt som möjligt förklara hur detta uppstår.

Om vi tar ett exempel med lufttrycket i ett venturirör, ni som inte vet vad det är förnågot kan titta på bilden nedan.

När en luftström passerar en förträngning i ett rör ökar hastigheten på luften. När hastigheten ökar ökar också det dynamiska trycket i luften. För att trycket skall vara konstant måste då det statiska trycket minska, dvs trycket emot rörets sidor. De blå pilarna visar det dynamiska trycket, de röda det statiska.

Venturirör med luftgenomströmning.

Ett exemepl på hur man kan se resultatet av detta i verkligheten är när man gör en skruv med en boll. Får man en boll att snurra fort samtigt som det flyger genom luften kan man se hur banan skruvar på sig. Detta till följd av att lufttrycket är lägre på den ena sidan av bollen. Rotationen gör att friktionen drar med sig luft på ena sidan och stretar emot på den andra. Luften får en högre hastighet på den ena och lägre hastighet på den andra sidan.

När hastigheten ökar minskar det statiska trycket och det uppkommer en lyftkraft.

Trycket minskar. Lyftkraft bildas.

En vingens välvning och lutningen mot luften åstadkommer samma fenomen. Lufttrycket sjunker på ovansidan av vingen.

Alltså:

1 Vingen "skyfflar" materia neråt och får därigenom en lyftkraft.

2 Luften accelerar på ovansidan av vingen och ett lägre statiskt tryck uppstår, lyftkraft.

Vingens profil
Anledningen att man använder sig av en droppformad profil är att luftens strömning skall vara så laminär som möjligt, dvs att så lite turbulens som möjligt bildas.

Man kan få en helt plan skiva att flyga men den åstakommer bara den "skyfflande" lyftkraften. Dessutom bildas det turbulens bakom vilket ökar luftmotståndet.

Laminär strömning/turbulent strömning.

Nedan ser ni en bild på hur lufttrycket runt en vinge ter sig när normal flyghastighet har uppnåtts. Man ser att det råder ett undertryck på undersidan av vingen också. Undertrycket på ovansidan är dock mycket större och räcker till för att lyfta flygplanet. Anledningen att man använder sig av en viss välvning på undersidan också är att vingen får bättre egenskaper i högre hastigheter. Skulle undersidan vara plan hade vingen allstrat för mycket lyftkraft vid maxfart. Sådan här profiler lämpar sig inte vid låga farter.

Lufttrycket runt en vinge.

Omformbar vinge
Vid höga hastigheter vill man ha en så plan vinge som möjligt för att minska motståndet och vid låga hastigheter krävs en vinge som är mycket välvd för att få den lyftkraft som behövs vid t.ex start och landning. Dagens flygplan är därför utrustade med höglyftsanordningar som kan ändra vingen profil under flygning. Detta har ni säkert sett själva när ni varit ute och flugit. Klaffar på både fram och bakkanten fälls ner. Detta för att flygplanen skall kunna flyga så långsamt som möjligt.

Vid höga hastigheter/vid låga hastigheter.

Anfallsvinkel
Anfallsvinkel är den vinkel vingen har emot luften. Ju högre vinkel desto högre lyftkraft. Luftmotståndet ökar också med ökad vinkel och det finns alltid en kritisk vinkel vid vilken turbulens uppstår och vingen förlorar sin lyftkraft

Laminär strömning/turbulent strömning.

Fenomenet när vingen förlorar sin lyftkraft kallas för stall (uttalas stål). I detta läge har man ingen större kontroll över flygplanet då rodrena som styr inte längre har någon luftström att arbeta i.

Hastigheten i vilket ett flygplan stallar beror på hur stor lastfaktor flygplanet flyger med. Ju lättare flygplan, desto lägre stallhastighet. Stallhastigheten ökar också när man belastar flygplanet med G-krafter.

Detta var lite om aerodynamik och om hur det kommer sig att ett flygplan kan flyga.

Kommentarer: 11 st
	1. 2007-07-26 23:11:30 av allan.emren
	Charlie, Först rätt och sedan fel! Det finns endast ett fysikaliskt fenomen som kan ge vingen lyftkraft och det är att luften acceleraras nedåt. Alla andra eventuella krafter måste balansera ut varandra till noll enligt Newtons lagar. Som bekant kan alla flygplan flyga upp och ned om bara vingarnas hållfasthet tillåter det. Det finns också flygplan som har en "omvänd" krökning i vingarna. En helt plan vinge behöver inte alls få turbulent strömning på ovansidan. Inträdandet av turbulens bestäms approximativt av en storhet som kallas Reynold-talet. När jag var vetenskaplig rådgivare åt Tekniska Museet i samband med uppstartningen av Cinema4D (där premiärfilmen handlade om flygning) fick jag lägga ned en hel del arbete på manustvätt för att bli av med Bernouilles princip. Ett flygplan som väger 1000 kg måste i planflykt sända 1962 kg luft nedåt med 5 m/s, 981 kg med 10 m/s eller... Hur mycket luft som sänds nedåt bestäms i första hand av flygplanets hastighet och spännvidd. Hur snabbt den rör sig nedåt bestäms i första hand av hastighet, anfallsvinkel och vingprofil. I verkligheten är sambandet mera komplicerat, så att alla faktorerna påverkar både luftens vertikalhastighet och luftmängden. I venturiröret ökar luftens strömningshastighet på det smalaste stället, men över vingen MINSKAR luftens strömninghastighet. Ändå bildas de tryckförhållanden som du visar på i figuren med lufttrycket runt vingen. Anledningen är att luften på ovansidan måste accelerera vinkelrätt mot ytan för att följa denna, vilket den gör om strömningen är laminär. Accelerationen vinkelrätt mot ursprungliga rörelseriktningen tar sin energi från luftens rörelseenergi. Det sistnämnda är förstås räknat i ett koordinatsystem där flygplanet är i vila, dvs ett där origo rör sig med konstant hastighet.
	2. 2007-07-27 09:01:44 av Domino
	Det var grejjer det Allan... Du är garanterat påläst. Jag vill bara berömma Charlie för en folklig och välillustrerad förklaring av den version av aerodynamiken som lärs ut i PPL-teorin. Vår lärare där öppnade med att säga att "Varför ett flygplan flyger är fortfarande omstritt, men vi skall här lära oss den version ni kommer få frågor på". Det intressanta, tycker jag, är varför går meningar isär inom ämnet? Jag har också lärt mig att det som främst får flygplan att flyga är PENGAR.
	3. 2007-07-27 09:30:06 av Charlie
	Allan! Jag visste att jag skulle få kommentarer på denna artikeln i ett forum som detta. Men du förstår, tanken var att andra människor som inte läst så mycket fysik skulle få en liten inblick i hur det fungerar. Försökte hålla det så, ursäkta uttrycket "jordnära" som möjligt .. Du verkar vara påläst absolut. Ingenstans i artikeln härleder jag undertrycket på vingens ovansida till Bernouilles princip. Att hastigehten skulle vara LÄGRE på ovansidan är dock nytt för mig! Förklara gärna!! Charlie www.flygarn.se
	4. 2007-07-27 16:15:47 av allan.emren
	Charlie, Visst, din artikel är välskriven, men icke desto mindre. Litet modifieringar skulle inte skada. Att jag nämnde Bernouilles princip beror på att det är den som ligger bakom venturi-effekten. Här är en länk: http://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli's_principle När det gäller hastigheterna, så ser man det enklast i koordinatsystemet där flygplanet är i vila. Närmast vingytan är luften stilla (gränsskiktet). Därefter har man en tilltagande hastighet ju längre bort från vingen man kommer till dess att man når den ostörda luftens hastighet på några meters avstånd (vid underljudshastighet). Luften som träffar vingframkanten måste dels ändra riktning och dels flytta undan (och komprimera) luft som finns där den tänker strömma fram. Det kräver energi, och den enda som finns tillgänglig är luftens rörelseenergi. Därför måste den minska sin hastighet för att kunna avge den nödvändiga energin. I jordytans koordinatsystem tas energin istället från flygplanet (drag), men det påverkar ingenting eftersom rörelseekvationerna är oberoende av vilket koordinatsystem man väljer.
	5. 2007-07-27 18:44:02 av Charlie
	Jaha då förstår jag. Men allt jag har läst har pekat på att hastigehten ökar ovanför vingen så det var helt nytt för mig om nu detta som du säger stämmer .. Det andra om turbulensen vet jag också inte stämmer till 100% men förenklat så ger en strömlinjeformad kropp mindre turbulens. För den som verkligen vill gå in på djupet finns det ju mer vetenskapligt skrivna artiklar. Det är ett blogginlägg och passar sig kanske inte i det här forumet utan bör tas bort eller rättas till om du orkar Charlie www.flygarn.se
	6. 2007-07-28 09:49:39 av McFire
	Jag håller inte med helt och hållet. Den absoluta strömningshastigheten längs större delen av vingens ovankant är normalt högre än friströmshastigheten (bortsett från gränsskiktet då). Vid framkanten bromsas luften mycket riktigt (om man ser till vingens koordinatsystem) och i stagnationspunkten är hastigheten noll men direkt ovanför stagn. punkten ökar hastigheten gradvis då det finns ett område av undertryck bakom vingen som accelererar luften.
	7. 2007-07-28 11:29:38 av allan.emren
	Javisst, jag uttryckte mig slarvigt. Jag råkade dessutom göra mig skyldig till en förväxling av vektorkomponenter. Luftströmningen kring vingen är komplicerad även om man bortser från slipström och ändvirvlar. Så visst går luften snabbare en bit ifrån ytan. Men det väsentliga är fortfarande att acceleration av luftströmmen i riktningen nedåt är det som ger lyftkraften. För övrigt tycker jag inte alls att artikeln skall tas bort. Som jag har sagt tidigare är den välskriven och figurerna är utmärkta. Tillsammans med kommentarerna kan den kasta ljus över något som vi alla är väldigt intresserade av.
	8. 2007-07-28 12:28:07 av McFire
	Då är vi överrens :-) Håller med om att det kul att folk tar sig tid att skriva artiklar.
	9. 2007-07-28 13:05:26 av Fredrik
	Charlie, bra artikel! Jag uppskattar att du postade artikeln här på Flygfyren!
	10. 2007-07-30 05:34:16 av Fakkah
	Väldigt härlig artikel att läsa, även ifall jag kanske inte förstog så mycket! (Inte kommit så långt i teorin ännu), men detta kommer garanterat vara ett plugg-material för mig senare till teori-skrivningen! Tack Charlie! Fortsätt så. Väldigt angenäma artiklar!
	11. 2007-08-01 17:21:10 av Charlie
	Härligt med kommentarer Men man ska nog inte ta artiklen som absolut fakta då det fortfarande finns en viss meningsskillnad om HUR man skall förklara fenomenet. Jag tror att de flesta menar samma sak men beskriver det på olika sätt. För att förtydliga artikeln så beskriver jag INTE någonstans att det lägre lufttrycket på vingens ovansida beror på att ovansidan är längre än undersidan. ATT den är längre är bara ett resultat av profilen som i sin tur är välvd för att böja av luftströmmen Charlie www.flygarn.se
	För att lämna kommentar - Logga in