Dlaczego samolot lata?
|
|
Siły działające na skrzydło ustawione pod kątem natarcia do kierunku ruchu samolotu
|
Pierwszym i najważniejszym czynnikiem jest nachylenie skrzydeł w stosunku do opływających mas powietrza. Nacierające powietrze w wyniku działania skrzydła samolotu na powietrze zmienia swój pęd w kierunku prostopadłym do tego ruchu, ponieważ skrzydłła nachylone są do kierunku ruchu pod kątem zwanym kątem natarcia. Z uogólnionej drugiej zasady dynamiki (działająca siła jest równa szybkości zmiany pędu ciała na które ta siła działa) wynika, że skrzydło działa wtedy na powietrze pewną siłą zwróconą w dół. Wtedy zgodnie z trzecią zasadą dynamiki powietrze działa na opływane skrzydło siłą o takiej samej wartości ale przeciwnym zwrocie, co powoduje powstawanie siły nośnej. Siła ta jest bezpośrednio wynikiem ciśnień, występujących na powierzchni skrzydła. Ciśnienia te na skutek ruchu są różne dla różnych punktów tej powierzchni. Na dolnej części skrzydła ciśnienie jest większe , a na górnej mniejsze. Konstruktorzy samolotów starają się znaleźć odpowiednie kąty natarcia skrzydła na powietrze i właściwy kształt, aby zwiększyć siłę nośną, a zmniejszyć siły oporu powietrza.
Drugi czynnik związany jest z opływem powietrza z obu stron skrzydeł. Przepływające powietrze dzieli się na dwa strumienie, z których jeden przepływa nad skrzydłem samolotu, a drugi pod nim. Powietrze, które otacza skrzydło od góry przebywa dłuższą drogę, porusza się więc z większą prędkością niż powietrze
 |
|
Duża szybkość powietrza nad dachem powoduje wzrost ciśnienia dynamicznego w wyniku czego ciśnienie statyczne jest mniejsze niż pod dachem. Dach może wylecieć do góry.
|
To samo zjawisko można zauważyć także w sytuacji zrywania dachu przez wiatr. Na rysunku obok przedstawiony jest obieg powietrza związany z dachem dwuspadowym. Różnica ciśnień powoduje, że dach zostaje uniesiony do góry, a nie zgodnie z kierunkiem wiatru.
Trzecim czynnikiem wykorzystywanym często we współczesnych samolotach jest pompowanie dużych ilości powietrza w dół przez skrzydła, co powoduje zgodnie z trzecią zasadą dynamiki reakcję uniesienia samolotu do góry. Wynika to z efektu Coandy, czyli przylegania powietrza do powierzchni opływu. Powietrze poruszające się nad skrzydłem może być skierowane w stronę ziemi poprzez użycie łopatek i ustawienie dyszy ponad zakrzywioną powierzchnią. Silniki samolotu oprócz nadania ruchu umożliwiają także hamowanie i sterowanie prędkością lotu. Żeby samolot był w pełni był sterowny, czyli mógł skręcać, wznosić się i opadać, niezbędne jest odpowiednie usterzenie, czyli zespół ruchomych krawędzi skrzydeł. Odpowiednie ustawienie tych części umożliwia obrót samolotu wokół dowolnej osi współrzędnych. Wytłumaczenie takiego stany rzeczy jest zupełnie podobne do istoty samego wznoszenia. Zmiana geometrii skrzydeł powoduje działanie siły nośnej w różnych kierunkach i z różną wartością na każde skrzydło, zatem, wraz z połączeniem sterowanej mocy silników, możliwa jest dowolna kombinacja układu sił. Dzięki temu można oglądać efektowne pokazy lotnicze.
Helikopter wznosi się na podobnej zasadzie co samolot. Łopatki kręcącego się wirnika, dzięki odpowiedniemu kątowi nachylenia i kształtowi, wytwarzają siłę nośną, która podnosi helikopter w górę. Dodatkowo z tyły helikoptera umieszcza się dodatkowe małe śmigło. Zapobiega ono obracaniu się helikoptera w przeciwną stronę co duże śmigło. Siła nośna działa również na żagiel jachtu, łopatki turbin i sprężarek, działa również na lecące pociski i rakiety. Spojlery w samochodach lub dodatkowe skrzydła samochodów wyścigowych, wytwarzając siłę nośną skierowaną w dół, powodują zwiększanie docisku do jezdni przez co zwiększając przyczepność skracając drogę hamowania i umożliwiając skręcanie z większymi prędkościami.
Zachowanie się samolotu w powietrzu testuje się w tunelu aerodynamicznym. Wykonuje się model samolotu w pomniejszeniu i dym zawarty w tunelu pozwala zobaczyć, jak układają się strugi powietrza, przez co widoczne są zawirowania. Takie tunele używane są do testowania nowych konstrukcji
opracował Paweł Bartczak
Najszybszy samolot
Eksperymentalny bezpilotowy samolot X-43A zbudowany przez agencję kosmiczną NASA osiągnął na krótko 16 listopada 2004 roku szybkość prawie dziesięciokrotnie przekraczającą szybkość dźwięku, dokładnie 9,8 machów, co stanowi około 11300km/h. W ten sposób pobity został poprzedni rekord prędkości, ustanowiony przez samolot takiego samego typu kilka miesięcy temu, kiedy maszyna osiągnęła szybkość siedmiokrotnie przekraczającą szybkość dźwięku, czyli 7 machów.
Liczba machów jest to stosunek prędkości obiektu poruszającego się w płynie (czyli powietrzu lub cieczy) do prędkości rozchodzenia się dźwięku w tym samym miejscu płynu. Liczba machów nie określa jednoznacznie prędkości poruszającego się w powietrzu obiektu, ponieważ prędkość dźwięku w powietrzu zależy od temperatury. Dokładniej jest wprost proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z temperatury wyrażonej w Kelwinach. W temperaturze 0°C prędkość dźwięku wynosi około 331m/s, jeśli temperatura jest wyższa to prędkość również ma większą wartość, jeśli
niższa to prędkość rozchodzenia się dźwięku jest mniejsza. W temperaturze 15°C prędkość dźwięku wynosi 340m/s lub inaczej 1224km/h, na wysokości 11km temperatura spada poniżej -50°C i wtedy prędkość dźwięku jest mniejsza od 300m/s, a w strefie okołorównikowej temperatura może nawet wynosić -80°C, co daje wartość prędkości rozchodzenia się dźwięku tylko 270-275m/s. Na wysokościach ponad 25km zawartość ozonu powoduje pochłanianie przez atmosferę promieniowania nadfioletowego co objawia się wzrostem temperatury, a i więc wzrostem prędkości rozchodzenia się dźwięku.Samolot X-43A napędzany jest przez silnik rakietowy wykorzystujący do spalania tlen atmosferyczny, inaczej jak tradycyjny silnik rakietowy, pobierający tlenu ze zbiornika. Umożliwiło to znaczne zmniejszenie wagi samolotu. Mierzy on tylko 3,5 metra długości, a rozpiętość skrzydeł sięga ledwie 1,5 metra i waży jedną tonę. W samolocie tym nie ma żadnych turbin, sprężarek ani ruchomych części. Powietrze wlatujące specjalną dyszą pod
dziobem, jest sprężane wyłącznie dzięki samej ogromnej prędkości oraz geometrii samolotu. Przelatując przez komorę spalania reaguje z paliwem, którym jest wodór.Samolot ten nie wystartował sam z powierzchni Ziemi. Najpierw wyniesiony on został na dużą wysokość przez zmodyfikowany bombowiec B-52. Na wysokości 12 km odłączył się wraz z rakietą Pegasus. Ta wyniosła prototyp na wysokość 33,5 km, rozpędziła go do około 6000 km/h i pozostawiła w powietrzu. Następnie załączono właściwy silnik odrzutowy i samolot rozpędził się do rekordowej prędkości w ciągu około 10 sekund. W tym czasie przekazywał wszelkie informacje na temat funkcjonowania silnika. Po osiągnięciu rekordowej szybkości, samolot spadł do oceanu i uległ zniszczeniu.
Zdaniem agencji NASA, tego rodzaju silniki umożliwią tańsze, bezpieczniejsze i szybsze podróżowanie w górnych warstwach atmosfery. Mógłby zabierać na pokład więcej paliwa, towarów lub ludzi, w ciągu kilku godzin dotrzeć do każdego celu na naszej planecie i wrócić bez międzylądowania czy tankowania w locie. Mógłby również grać główną rolę w pierwszym etapie (atmosferycznym) wznoszenia statków i ładunków na orbitę.
Najszybszym seryjnie produkowanym samolotem z silnikiem odrzutowym był słynny SR-71 Blackbird, poruszający się z maksymalną prędkością nieco ponad 3 machów, którego amerykańska armia wykorzystywała do zadań szpiegowskich.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i serwisie naukowym portalu Onet.
| « Poprzednia Następna » |