Varför flyger flygplan?

 

Den klassiska förklaringen till en vinges lyftkraft är följande:

Vingens översida är mer välvd än dess undersida. Luften som följer översidan har därför längre väg att gå och kommer av denna anledning att röra sig med högre fart. Enligt Bernouillis lag är summan av det statiska trycket (själva lufttrycket) och det dynamiska trycket (trycket på grund av farten) konstant, vilket har att göra med att summan av potentiell och kinetisk energi, enligt energiprincipen, är konstant. Eftersom farten hos luftströmmen över vingen är högre än luftens fart under vingen, kommer det dynamiska trycket på vingens översida att vara högre än på vingens undersida. Enligt Bernoullis lag blir då det statiska trycket på vingens översida lägre än motsvarande tryck på undersidan (om det dynamiska trycket ökar måste det statiska trycket minska och vice versa, eftersom deras summa är konstant). Således får vi en uppåtriktad nettokraft på vingen, som så att säga sugs uppåt. Detta är förklaringen till vingens lyftkraft.


Figuren illustrerar den klassiska förklaringen till lyftkraften hos en vinge.

På senare tid har denna förklaring alltmer börjat ifrågasättas. Även om den i speciella fall inte är helt fel, stämmer den tämligen dåligt i de allra flesta fall. Jag läste vid ett tillfälle om en pojke som inte riktigt var nöjd med ovanstående. Under en fysiklektion, när läraren hade förklarat hur en vinge fungerade, räckte pojken upp handen och sade att han inte trodde att det stämde. Läraren förklarade en gång till med uppbjudande av alla sina kunskaper i pedagogik. Pojken sade att han i alla fall inte trodde att läraren hade rätt. Läraren blev nu arg och menade att pojken inte hade förstått eller att han inte ville förstå. Och så bad han att pojken skulle ge ett skäl till varför han inte trodde på lärarens förklaring. Pojken var tydligen ganska smart eftersom han sade, "Magistern kan ju förklara hur det i så fall kan komma sig att ett flygplan kan flyga upp och ned — då borde ju planet sugas nedåt på grund av att den krökta ytan är vänd nedåt." Läraren blev givetvis helt svarslös och eftersom det var på den gamla goda tiden, när vuxna alltid hade rätt, släpade han med pojken till rektorn och det hela slutade med att pojken fick sitta kvar för att han varit uppkäftig. Men sanningen är inte lika lätt att trycka ned. För eller senare poppar den upp. Under de senaste tio åren har många läroböcker reviderats, så att de nu innehåller den korrekta förklaringen.

Vad är då den korrekta förklaringen? Jo, alla vingar skyfflar luft nedåt. Dels genom att vingen är vinklad i förhållande till flygkroppen och dels genom att man höjer nosen på ett flygplan när man vill ha extra lyftkraft, t ex då man vid landning vill ha låg fart men ändå tillräcklig lyftkraft. Läsaren har kanske lagt märke till att när jetplan landar så har de ofta hög anfallsvinkel, dvs ett högt nosläge (det är uppförsbacke för flygvärdinnorna när de i sista minuten drar tillbaka sina vagnar — om de är på väg framåt i planet). Detta illustreras av följande figur:


Genom vingens anfallsvinkel riktas luftströmmen på vingens undersida delvis nedåt. Man skyfflar således stora mängder luft nedåt.

När vingen riktar luftströmmen på undersidan nedåt, innebär detta att man accelererar luft nedåt, dvs man påverkar luften med en kraft nedåt. Enligt Newtons tredje lag om verkan och motverkan, så påverkar alltid två objekt varandra med lika stora och motriktade krafter. Eftersom planet påverkar luftmassan med en nedåtriktad kraft, så påverkar luftmassan planet med en lika stor uppåtriktad kraft. Ju mer luft som skyfflas nedåt, desto större lyftkraft. Ökar man anfallsvinkeln genom att t ex höja planets nos, skyfflar man mer luft nedåt, och lyftkraften ökar därmed (samtidigt ökar givetvis luftmotståndet och vid alltför stor anfallsvinkel riskerar planet att störta, eftersom motorerna inte längre klarar av att övervinna luftmotståndet).
Ett propellerblad (och en helikopterrotor) fungerar grundläggande som en vinge, något som redan bröderna Wright insåg. Skillnaden är att propellern (rotorn) roterar i förhållande flygplanet. Den som tvivlar på att vingar skyfflar luft nedåt rekommenderas att ställa sig bakom ett startande propellerflygplan eller under en startande helikopter. Glöm inte att hålla i hatten ordentligt!

Moderna vingar har inte den klassiska vingformen med välvd översida och nästan plan undersida (den konventionella profilen i figuren nedan).


Tre olika vingprofiler.

Fram till Andra Världskriget var fortfarande den klassiska vingformen den normala. Vingens tjockaste del ligger här ca en femtedel av vingkordan (vingens bredd) bakåt (räknat från framkanten). Strax före Andra Världskriget hade man dock börjat experimentera med s k laminära profiler. Där ligger tjockaste delen ungefär på vingens mitt. Dessutom är vingens undersida buktad ungefär lika mycket som översidan (se ovan). Detta leder till att man får ett laminärt flöde på en större del av vingen. Laminärt flöde betyder att luften följer vingen utan att bilda turbulensvirvlar. På den klassiska vingprofilen får man turbulens på ett större område av vingen (bakkanten), och därmed mer luftmotstånd, dvs lägre fart och sämre bränsleekonomi.


Det första planet med laminär vingprofil var den klassiska P-51 Mustang, Andra Världskrigets kanske absolut bästa jaktplan (utvecklat och tillverkat i USA men användes också av engelsmännen — planet var faktiskt resultatet av en engelsk beställning). Bilden ovan visar en Mustang III (enligt min ringa mening den snyggaste varianten av Mustang) i engelska färger. Under vingarna sitter extratankar, vilka var nödvändiga vid långa eskortuppdrag. Dessa var fällbara och dumpades vid luftstrid.

Den nya vingens effektivitet framgår av en jämförelse mellan två av Andra Världskrigets bästa jaktplan, Spitfire IX och P-51 Mustang. Spitfiren hade en klassisk vingprofil medan Mustangen hade den nya laminära profilen. Båda planen hade samma motor och var ungefär lika stora och hade jämförbar beväpning. Spitfirens maxfart var 645 km/h medan Mustangen, med exakt samma motor, gjorde 725 km/h. Även räckvidden förbättrades dramatiskt med de nya vingarna. Spitfire kunde eskortera bombplan från England till Europas västkust medan Mustang kunde eskortera bombplanen ända till Berlin. Spitfiren hade visserligen andra fördelar gentemot Mustangen — den kurvade t ex bättre, men en Mustang kunde alltid avbryta striden och flyga ifrån Spitfiren — om de nu hade mött varandra i luftstrid.

Den laminära vingprofilens symmetriska form (under- och översidan i stort sett lika buktade) visar att Bernoullis lag omöjligen kan vara förklaringen till lyftkraften hos denna typ av vinge.

Så småningom började man experimentera med superkritiska vingprofiler, som har stora fördelar vid höga farter. Idag är denna vingprofil den normala hos jetplan. Den är, som synes, mer buktad på undersidan än på översidan. Enligt Bernoullis lag borde plan med sådana vingar sugas nedåt i stället för uppåt. Det första plan som använde denna typ av vinge var Douglas DC-8 (skall man vara riktigt noggrann var det bara närmast flygkroppen som vingen var superkritisk). DC-8:an var ett av de första passagerarjetplanen. Ingenjörerna på Douglas hade svårt att övertyga Donald Douglas Sr (som ju var av den gamla skolan) att DC-8 inte var avsedd att flygas upp och ned. Något som passagerarna kanske inte skulle ha uppskattat.

Det är ganska fascinerande att myten om Bernoullis lag som förklaring till att flygplan flyger, levt kvar så länge. Tittar man på den laminära vingprofilen så ser man ju direkt att Bernoullis lag omöjligen kan vara förklaringen till lyftkraften hos en vinge (i varje fall inte hela förklaringen). Det är ganska intressant att se hur i stort sett alla (inklusive jag själv) svalt detta, utan att egentligen reflektera. Man tycker att massor av skolelever skulle kommit på motsägelsen mellan att flygplan kan flyga upp och ned och att det är undertrycket på vingens buktade översida som suger upp planet. Det tycks som att vi människor sväljer det mesta vi hör utan att tänka, speciellt om det vi hör kommer från en "auktoritativ källa". Nu menar jag inte att det är fel att lyssna till auktoriteter. Sjävklart har en lekman oerhört mycket att lära av en professor i fysik, när det gäller fysik. Men när det gäller vingens lyftkraft kan man tycka att resonemanget är så uppenbart fel, att många direkt borde insett att det är fel.

Jag har arbetat som fysiklärare i många år och det finns ett bra exempel på ungefär samma fenomen där. Alla elever vet att lika laddningar (plus och plus respektive minus och minus) repellerar varandra och att olika laddningar (plus och minus) attraherer varandra. När man går igenom atomen börjar man med väteatomen, som har en positiv kärna (bestående av en enda positivt laddad proton), kring vilken en negativt laddad elektron kretsar. Elektronen hålls kvar i sin bana på grund av att den positiva kärnan attraherar den negativa elektronen. Så långt är allt gott och väl. Efter att man beskrivit väteatomen, som ju är den enklaste av alla atomer, går man vidare till heliumatomen, vilken innehåller två neutroner (neutrala) och två protoner i kärnan, samt två elektroner som kretsar kring kärnan. Och nu kommer det intressanta. Jag har aldrig någonsin varit med om att en elev räckt upp handen och sagt ungefär så här, "Men magistern, varför hålls de två neutronerna kvar i kärnen, de attrahteras ju inte av protonerna? Och varför far inte protonerna isär, de har ju samma laddning och borde repellera varandra? Jag förstår inte hur heliumkärnan kan hålla ihop!" Trots att man vet att två protoner stöter bort varandra, sväljer man okritiskt den modell av heliumatomen som presenteras. Detta är anmärkningsvärt med tanke på att tonåringar gärna vill ifrågasätta och vara kritiska. För den intresserade läsaren kan jag nämna att förklaringen är att det finns en ytterligare kraft som verkar mellan kärnpartiklarna (proton och neutron), nämligen den s k starka kraften. Denna, som bara verkar på mycket nära håll (ca en protondiameter), är attraherande och är ca hundra gånger starkare än den elektiska repulsionen mellan protonerna och det är den som håller ihop kärnan (den verkar även på neutronerna). Den starka kraftens enorma styrka är förklaringen till varför man får ut så mycket mer energi ur kärnreaktioner än vad man får av kemisk processer (där den elektriska kraften är den verksamma).

Det tycks som om människor har förmågan att svälja teorier, som man egentligen borde inse inte kan stämma (som de som nämnts ovan), om dessa teorier presenteras av en tillräckligt stor auktoritet.

För att återvända till flygets värld; Flygplan flyger således genom att de skyfflar luft nedåt. Nu är ju verkligheten alltid komplex. Långsamma plan har fortfarande den klassiska vingformen med mer välvd översida än undersida. Bernoullis lag förklarar här en del av lyftkraften. Att man åtminstone ibland har ett undertryck på vingens översida, kan man i speciella fall till och med se med blotta ögat. När ett stridsflygplan dyker och sedan gör en kraftig upptagning, utlöses ofta dimma på vinngens översida, vilket orsakas av en kraftig trycksänkning där (att dimma bildas beror på tryck och temperatur).

En ytterligare faktor är den s k Coandaeffekten. Enligt denna "häftar" strömmande luft och vätskor fast vid gränsytor.


Figuren visar en vattenstråle som följer en mjukt rundad yta i stället för att rinna rakt ned på grund av gravitationen. Detta beror på den s k Coandaeffekten.

Luften som strömmer närmast vingens översida häftar fast vid denna och tvingas att följa dess form (gäller givetvis också undersidan). Eftersom luften på översidan dras nedåt på grund av vingens krökning, får vi enligt Newtons tredje lag, en motsvarande uppåtriktad kraft på vingen (här förutsätter vi således att översidan är mer buktad än undersidan, dvs en konventionell vingform).

Tre mekanismer bidrar således till den totala lyftkraften; skyffla luft nedåt, Bernoullis lag och Coandaeffekten. Deras respektive bidrag till den totala lyftkraften varierar från vingtyp till vingtyp, men den mest dominerande faktorn är utan tvekan detta att man genom vingens anfallsvinkel accelererar luft nedåt.

Tillbaka till Flygsimulatorer
Tillbaka till "Mer om makroevolution"