Beräkna största lyftkraft
Rita ut de krafter som verkar på vikten samt beräkna hur stora de är. På vikten verkar tre krafter: Tyngdkraften, Normalkraften samt Gretas lyftkraft. Både normalkraften och lyftkraften verkar uppåt medan tyngdkraften verkar rakt nedåt. Eftersom vikten ligger stilla så vet vi att resultanten av dessa tre krafter ska bli noll. 0 = F G. I denna artikel definieras och förklaras lyftkraften, den kraft som lyfter något eller någon uppåt i tyngdkraftfältet , hos motordrivna flygplan , segelflygplan , glidflygplan och helikoptrar , så kallade aerodyner.
Artikeln beskriver även lyftkraften hos vattenskidor , snabbgående båtar , simmare , fåglar , fladdermöss och insekter. Uttrycket lyftkraft förekommer också vid beskrivning av så kallade aerostater , till exempel en luftballongs lyftkraft på ballongkorgen med de ombordvarande som verkar rakt upp från jordens yta enligt Arkimedes princip. När det gäller aerodyner , till vilka olika slags flygplan och helikoptrar hör, används ordet lyftkraft på ett något annorlunda sätt än i de flesta andra sammanhang.
Den lyftkraft som genereras av en flygplansvinge eller en helikopterrotor kan användas till att accelerera flygplanet eller helikoptern i vilken riktning som helst, som ligger inom möjligheternas gränser, även om man ofta menar den kraft som håller dem flygande genom att motverka tyngdkraften, eftersom flygning rakt fram på konstant höjd är vanligast. När inget annat anges är det vanlig flygning rakt fram på konstant höjd som avses nedan.
Beräkna lyftkraft
Lyftkraften som utövas av en flygplansvinge definieras som den kraft som vingen åstadkommer i flygplanets symmetriplan vinkelrätt mot flygplanets vingens rörelseriktning, det vill säga motsvarande uppåt när flygplanet står på marken. Lyftkraft kan även sägas vara negativ. Då accelereras luften åt motsatt håll. Detta är till exempel fallet vid ryggflygning och bunt. Lyftkraft genereras genom att vingen accelererar luft tvärs vingens rörelseriktning parallellt med flygplanets symmetriplan.
För att accelerera luften utövar vingen en kraft på luften. Denna kraft motsvarar direkt en lika stor motkraft som luften utövar på vingen. Denna motkraft är lyftkraften. Fysikaliskt motsvarar detta Newtons tredje lag, den om verkan och motverkan. Att luft accelererats nedåt framgår i fotot [1] av den fåra i molnet som flygplanet lämnat efter sig. Bidragande till att molnet upplösts lokalt är de heta gaserna från motorerna, som dragits med av nedsvepet.
Virvlarna behandlas i ett senare avsnitt. Det är emellertid inte möjligt att på ett enkelt sätt beräkna m och a , det vill säga att fastslå om en viss stor mängd luft stor massa accelereras i relativt liten grad eller om en viss liten mängd luft liten massa accelereras i högre grad när sambandet uppfylls. I själva verket accelereras heller inte all luft runt vingen lika mycket. Luften närmast vingen, över och under, accelereras mest.
Luft längre ifrån accelereras allt mindre tills effekten blir försumbar. Utmaningen för flygplankonstruktörerna inklusive aerodynamikerna är att konstruera lätta men hållfasta vingar som på bästa sätt kan accelerera den luft som krävs för aktuell typ av flygplan. Annars kan luft accelereras med vilket plattliknande föremål som helst.
Aerodynamikerna beräknar och mäter dock inte massan och accelerationen av den luft som accelereras, utan det resulterande varierande trycket på vingens båda sidor, som integrerat över hela vingytan ger lyftkraften L och dessutom andra intressanta data, bland annat det tippmoment som verkar på vingen och vingens luftmotstånd. För att emellertid få en grov uppfattning om den massa som accelereras i varje ögonblick och accelerationens storlek i låg underljudsfart kan man göra följande överslagsberäkning efter Ludwig Prandtl :.
Massan som efter hand påverkas av en vinge antas enligt Prandtl gäller dock någorlunda väl för vissa vingar vara massan av luften i den tänkta cylinder med vingens spännvidd b meter som diameter som vingen flyger igenom. Den nödvändiga genomsnittliga accelerationen nedåt blir då lyftkraften dividerad med denna massa. Eftersom accelerationen är ett genomsnittligt värde över hela den tänkta luftskivan innebär denna överslagsberäkning att accelerationen närmast vingen underskattas och därmed också det resulterande nedsvepet närmast vingens bakkant, se nedan.
För ett mindre flygplan till exempel en Cessna med en spännvidd på 11 meter och en medelvingkorda på 1,5 meter blir massan av den luft som i varje ögonblick accelereras ca kg. Vid 60 knops fart är det fortfarande samma mängd luft som accelereras i varje ögonblick, vilket innebär att accelerationen nedåt av luften också måste vara densamma, men eftersom flygplanets fart är hälften så hög kommer varje luftavsnitt att accelereras dubbelt så länge, det vill säga i 0, sekunder.
Med samma typ av överslagsberäkning kan massan och accelerationen av den luft som i varje ögonblick måste accelereras nedåt samt den resulterande genomsnittliga nedsvepshastigheten av luften bakom en Boeing strax före landning grovt uppskattas. Massan hos luften är ca 30 kg spännvidd ca 60 meter och korda ca 8,5 meter. De flesta vingar är inte lika effektiva som den ideala vinge som Prandtl antog vid sina teoretiska beräkningar med så kallad elliptisk lyftkraftfördelning i spännviddsled.
I själva verket accelereras därför vanligen en mindre mängd luft än vad som antagits i exemplen ovan och därför behövs en större acceleration av luften vilket gör nedsvepshastigheterna bakom vingarna högre. Det går att generera lyftkraft med vilket plattliknande föremål som helst. Det krävs inga särskilda fenomen för detta förutom de som vi är förtrogna med från blåsiga dagar och det dagliga livet, vilket man annars kan förledas att tro när man läser vissa beskrivningar av lyftkraftens uppkomst baserade på teoretisk aerodynamik.
Dessa utgår från matematiska modeller, alla med mer eller mindre omfattande fysikaliska förenklingar, och vissa skiljer inte nödvändigtvis på orsak och verkan.
Lyftkraft, Helium ballonger! Fastnat!
Teoretisk aerodynamik utnyttjas främst för att ta fram den mest ändamålsenliga vingen för en viss typ av flygplan, eller för forskning, tillsammans med praktisk aerodynamik vindtunnlar och flygprov — inte för att förklara lyftkraft. I denna artikel förklaras hur lyftkraft uppkommer direkt med hjälp av de naturlagar som är kända som Newtons rörelselagar. Newtons första lag säger att ett föremål förblir i vila eller i likformig rörelse så länge ingen yttre kraft verkar på föremålet.
Tryckskillnader accelererar gas till exempel luft från ett område med ett visst tryck i riktning mot områden med lägre tryck enligt Newtons andra lag. Ju större tryckskillnaderna är desto större blir accelerationen. Anta att en vinge med positiv anfallsvinkel motsvarande en snedställd skiva med framkanten högre än bakkanten drivs framåt genom stillastående luft.