Opór aerodynamiczny i siła nośna, część 2

Ostatnio opowiedziałem trochę o zjawisku jakim jest opór aerodynamiczny. Jednak jedynie w kilku słowach wspomniałem o sile, dzięki której samoloty latają a wyścigowe samochody nie odrywają się od jezdni. Jest nią siła nośna i nie przez przypadek piszę o niej w połączeniu z siłą oporu. Jeżeli nie czytaliście poprzedniego artykułu zapraszam tu. Wszystkim, którzy są już po lekturze życzę miłego czytania.

Opór aerodynamiczny i siła nośna, część 2

Jak już sobie wspominaliśmy opór aerodynamiczny ma dwa źródła: siła tarcia o powierzchnie przedmiotu oraz siła ciśnienia działająca na przód i tył ciała. Jeżeli suma sił działających na część czołową przedmiotu będzie większa niż suma sił od strony zawietrznej będziemy obserwowali opór aero- lub hydrodynamiczny – w zależności od płynu w jakim się znajdujemy. Co jednak z tą nośnością?

Odpowiadają za nie te same zjawiska. Wyobraźmy sobie opływ kuli z pistoletu. Jest ona osiowosymetryczna i dość łatwo zauważyć, że strumień opływający ciało ma zdecydowanie większą drogę do pokonania niż strumień swobodny, ten który przepływa w pewnej odległości od naszej kuli. Jeżeli przypomnimy sobie równanie Bernoulli’ego (pisałem o nim tu) przypomnimy sobie, że płyn jako taki ma trzy rodzaje energii: 

• Energię ciśnienia (energia wewnętrzna);
• Energię kinetyczną (zależną od prędkości);
• Energię potencjalną (zależną od wysokości na jakiej znajduje się płyn).

Ponieważ jednak pocisk jest dość niewielkim obiektem przyjmijmy, że różnica w energii potencjalnej zależnej od wysokości jest pomijalna i zapomnijmy o niej.

Rysunek 1. Kula pistoletu i strumienie pwoietrza
[Źródło: 1]

Mamy więc dwa strumienie (swobodny i opływający ciało), które muszą pokonać różne drogi w tym samym czasie. Co to oznacza? Jeden strumień musi poruszać się szybciej niż drugi, jednak skąd wziąć tą dodatkową energię? Zasadniczo dzieją się dwie rzeczy zmniejsza się temperatura (!) naszego strumienia oraz maleje jego ciśnienie. Jednak spadek temperatury jest stosunkowo niewielki i to zmiana ciśnienia odgrywa kluczową rolę. Zwróćmy uwagę, że w przypadku pocisku, albo innego symetrycznego obiektu w zasadzie nic się nie stanie, ponieważ ciśnienie zarówno u góry jak i na dole pocisku maleje o tyle samo. Co jednak, jeżeli nie będzie symetrii?

Rysunek 2. Siły działające na skrzydło samolotu
[Źródło: Wiki]

Takim przypadkiem jest oczywiście profil skrzydła samolotu (kształt jaki uzyskujemy po jego przecięciu w poprzek). Zwróćmy uwagę, że droga jaką musi pokonać powietrze jest większa u góry a więc powietrze musi płynąć tam szybciej a jego ciśnienie będzie mniejsze niż ciśnienie powietrza pod skrzydłem. Skoro tak mamy więc dużą siłę pod skrzydłem a małą nad. To ta nierównowaga powoduje wznoszenie się samolotu i odpowiada za siłę nośną. Czy więc auto nie powinno fruwać?

 

Rysunek 3. Opływ powietrza wokół skrzydła samolotu (po ustaleniu i rozwinięciu się przepływu)
[Źródło: Wiki]

Pytanie to, choć może wydawać się głupie, nie jest bez sensu, przecież powietrze ma większą drogę do pokonania nad samochodem niż pod. Może i tak, ale okazuje się, że nie bez znaczenia jest tutaj fakt, że samochody poruszają się po ulicy, a nie latają na wysokościach. W takim przypadku powstaje efekt przypowierzchniowy (ang. ground effect), który dodatkowo dociska samochód do ziemi. Zwróćmy jednak uwagę, że w samochodach poruszających się naprawdę szybko montowane są spoilery (mowa tu o spoilerach odstających od maski, spoilery/owiewki będące np. przedłużeniem linii dachu są montowane, żeby zmniejszyć opór), które mają kompensować wzrastającą siłę nośną podczas wzrostu prędkości. Nie bez znaczenia jest również fakt, że większość aut nie rozwija prędkości 800 - 1000 km/h, a więc typowej dla samolotu pasażerskiego prędkości.

O efekcie przypowierzchniowym jeszcze opowiem, ale może wy macie jakieś inne tematy, o których chcielibyście poczytać?

 Źródła i ciekawe linki:

1.Yunus, A. C. (2010). Fluid Mechanics: Fundamentals And Applications (Si Units). Tata McGraw Hill Education Private Limited.

2.Prędkość samolotu - Wiki

3.Efekt przypowierzchniowy