Hur kan ett flygplan flyga?

Ursprungligt publiceringsdatum: 2007-07-26
Ursprunglig artikelförfattare: Charlie

Nedanstående text kommer från min blogg och är skriven på ett sådant sätt att folk som inte kan så mycket om flyg ska få en liten inblick om hur det fungerar. Efter lite påtryckningar ombads jag att lägga ut artikeln här också, så här är den.

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.



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.



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.



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.



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.


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.



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.



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



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.