"Längre väg på ovansidan" en felaktig teori

En teori som de flesta av oss har lärt oss på fysiken i skolan är Bernoullis teori som baseras på att högre fart på luften ger lägre tryck. Eftersom luften går snabbare på ovansidan av en vinge skapas ett undertryck där som "suger" vingen uppåt. Förklaringen till att luften går snabbare på vingens ovansida var att de luftpartiklar som separeras vid vingens framkant måste mötas vid vingens bakkant (bild 1). Eftersom vingens ovansida oftast är rundad och därmed längre än undersidan som är plan, måste luftens fart vara högre på vingens ovansida.

Det här låter ju ganska rimligt, men vad är det säger att luften som delas vid vingens framkant måste mötas vid vingens bakkant? Faktum är att ingenting tyder på detta. Om vi studerar en vinge i en vindtunnel ser man att luftpartiklarna inte möts vid vingens bakkant. Visst färdas luften snabbare på vingens ovansida, men samtidigt bromsas luften upp på vingens undersida och man kan se att luften på vingens ovansida når bakkanten långt tidigare än luften på vingens undersida.

Dessutom har denna teori ett antal fler brister. Om vi antar att luften skulle mötas vid vingens bakkant och räknar ut hur mycket längre ovansidan på vingen måste vara jämfört med undersidan för att ett vanligt sportflygplan ska lyfta kommer man fram till att ovansidan måste vara ca 50% längre än undersidan av vingen. På bild 2 här bredvid ser ni hur den vingen skulle se ut i genomskärning. Har ni sett en sådan vinge någon gång? Antagligen inte! Denna vinge skulle ha enormt luftmotstånd och skulle inte fungera i praktiken. Enligt den här teorin kan inte heller flygplan flyga uppochner. Om ni har varit på en flyguppvisning eller sett någon på TV så vet ni att detta inte är sant.

Grunden

Den teori jag ska beskriva för dig grundas på Newtons (tre) lagar. Den första lyder: En kropp i vila kommer att förbli i vila och en kropp i rörelse kommer att fortsätta i en rätlinjig rörelse om inte en kraft påverkar dem. Dvs, för att ett flygplan ska lyfta måste en kraft större än jordens dragningskraft och med motsatt riktning påverka flygplanet.

Newtons tredje lag säger att: för varje kraft finns det en lika stor motriktad kraft. Det betyder att om en vinge utför en kraft på luften så måste det finnas en lika stor motriktad kraft på vingen! För att en vinge ska skapa lyftkraft så måste den flytta luft nedåt och det är precis vad som händer.

Newtons andra lag lyder något omskriven: Den kraft F som verkar på en kropp är direkt proportionell mot kroppens massa m och mot kroppens acceleration a. Eller som de flesta känner igen från fysiken F=ma. Alltså lyftkraften som en vinge skapar är beroende av hur mycket luft som vingen flyttar nedåt och vilken fart luften får.

Vingen påverkar luften och vice versa

Vingens profil (genomskärningen av vingen) har stor betydelse på hur effektivt vingen kommer att fungera, men även en vinge utan profil dvs en vanlig planka kan skapa lyftkraft. Den profil som de flesta förknippar med flygplan är den med rundad ovansida och platt undersida.

När vi tittar på en vinge och luften som strömmar förbi den tittar vi på vingens profil och luften som strömmar på ovan- och undersidan av profilen (se bild 3 nedanför). Luften följer vingens ovansida enligt samma princip som vattnet följer formen på ett glas om man håller det under en vattenkran. För att det inte ska bli ett hål i luften ovanför vingen så kommer även luften ovanför vingen att dras nedåt p.g.a. detta bildas det ett undertryck på vingens ovansida. Det betyder att vingen inte bara påverkar luften som är i direkt kontakt med vingen utan också luften ovanför och nedanför. Stora mängder luft sätts i rörelse och därmed även stora krafter. Man kan se i bilden att luften som kom rakt emot vingen har ändrat riktning efter att den har passerat vingen. Efter vingen är luften på väg snett nedåt. Det betyder att vingen har utfört en kraft på luften med riktning nedåt och enligt Newtons tredje lag påverkas då vingen av en lika stor motriktad kraft. Lyftkraften!

Även andra saker påverkar lyftkraften

Tidigare nämnde jag att även en planka kan alstra lyftkraft. Hur går det till då? Plankan har ju ingen rundad ovansida och ändrar ju inte riktningen på luften som i exemplet ovan. För att förklara detta måste jag först förklara vad en vinges anfallsvinkel är. Något förenklat kan man säga att anfallsvinkeln är den vinkel vingens undersida har jämfört med den motströmmande luften. I bild 3 ovan är anfallsvinkeln noll dvs vingens undersida är parallell med den motströmmande luften. Observera att anfallsvinkeln inte har något att göra med hur vingen förhåller sig till marken utan hur den förhåller sig till den motströmmande luften.

I bild 4 har vi gett den platta vingen anfallsvinkel. Vi ser att samma effekt uppnås som med den rundade profilen. Även den platta vingen ändrar riktning på den passerande luften och skapar lyftkraft. Desto större anfallsvinkel vingen har ju större fart får luften som passerar vingen nedåt, vilket ger mer lyftkraft. Samtidigt som vingen får en större bromsande kraft.

Om vi gör en återblick till Newtons andra lag: F=ma så ser vi att om man ska öka kraften så kan man antingen öka accelerationen eller massan.

• För att öka lyftkraften kan man alltså öka accelerationen på luften nedåt vilket händer när vi ökar anfallsvinkeln på vingen. Luften får då en högre fart nedåt.
• Eller så kan vi öka massan av luft vi påverkar. Och hur gör man det då? Jo antingen bygger man en större vinge som kommer i kontakt med mer luft eller så ökar vi hastigheten på flygplanet så att mer luft passerar under samma tidsenhet dvs. vingen ändrar riktning på en större volym av luft eller mer massa av luft.

Båda dessa metoder medför också negativa konsekvenser. Att öka anfallsvinkeln gör att vi också får en större bromsande kraft. Om vi ser till ett flygplan betyder det att för att inte tappa fart måste vi öka effekten på motorn/motorerna vilket drar mer bränsle. Att öka anfallsvinkeln fungerar också bara till en viss gräns. När vingen har för stor anfallsvinkel kommer luften att släppa från vingens ovansida, den följer inte längre vingens form utan det bildas stora luftvirvlar på vingens ovansida (bild5) vilket betyder att lyftkraften minskar drastiskt! Detta fenomen kallas att vingen stallar. Detta är en vanlig orsak till att flygplan kraschar. I nästan alla moderna flygplan har man ett system som varnar när man ligger för nära gränsen till att vingen stallar.

Att öka flygplanets hastighet har också sina nackdelar. Även när hastigheten ökar så ökar luftmotståndet. Vid tex. landning och start är problemet just att man har för låg fart så då måste man öka anfallsvinkeln istället. Ni har säkert sett att flygplanen höjer nosen i start och landning, detta är bara för att kompensera den låga farten. Om man har en större vinge på planet så får man också högre luftmotstånd och högre bränsleförbrukning.

"Lagom är bäst" gäller även här. Lagom fart och anfallsvinkel ger den lägsta bränsleförbrukningen och den mest ekonomiska lösningen för flygplanets ägare. Lagom anfallsvinkel och fart är helt beroende av vilken flygplanstyp det är.

Profiler på vingen

Profilen på en vinge är mycket viktig för lyftkraften och dess egenskaper. En profil med mycket välvning på ovansidan och platt undersida skapar mycket lyftkraft men också stort motstånd. Motstånd som en vinge skapar kan ses som ytan man ser om man står framför vingen. Om vingen har en platt profil kommer du bara att se ett streck när du ser den framifrån vilket betyder lågt motstånd, men om det är en kraftigt välvd vinge kommer man att se en större yta framifrån vilket betyder högre motstånd. Formen på vingen har också stor betydelse för motståndet.

När man väljer profil på vingen till ett flygplan måste man först veta vilka egenskaper man vill att flygplanet ska ha. Om det ska vara ett väldigt snabbt flygplan väljer man en tunn vingprofil. Eftersom luftmotståndet ökar 4 ggr om farten dubblas krävs det massor med energi för att flyga fort med en tjock profil. Om man vill ha ett flygplan som inte behöver flyga så fort men kan lyfta stora laster tjänar man på att välja en tjock profil som har stor lyftkraft vid låga farter. Olika profiler klarar också olika stora anfallsvinklar innan luften inte längre följer formen på vingens ovansida och vingen stallar. En platt vinge fungerar väldigt dåligt vid höga anfallsvinklar.

Om man tittar på flygplan som är byggda för att göra avancerade manövrar med så har de oftast en profil som är bullig på båda sidorna (bild 6). En sådan profil fungerar lika bra att flyga rättvänt med som det gör att flyga uppochner.

Hängde du med?

Mycket information på en gång? Här följer en kort sammanfattning.

• Teorin du antagligen lärde dig på fysiken om att längre väg på ovansidan skapar undertryck och därmed lyftkraft stämmer inte! Den har ett antal fel och brister.
• Lyftkraft skapas genom att accelerera stora mängder luft nedåt, vilket enligt Newton ger en motkraft. Lyftkraften!
• Storleken på lyftkraften påverkas huvudsakligen av profilen & formen, hastigheten och anfallsvinkeln på vingen