De vleugel

Waardoor ontstaat lift?


In dit hoofdstuk wordt in het kort weergegeven waarom een vleugel in staat is om een vliegtuig op te tillen. De kracht die hiervoor nodig is wordt "lift" genoemd. De onbekendheid met de verscijnselen die hieraan ten grondslag liggen hebben geleid tot talloze studies en onderzoeken.
Daarbij werd het gedrag van een luchtstroom langs een voorwerp, dat zich in een luchtstroom bevindt, uitvoerug onderzocht. Hierbij was het gelukkig niet van belang of het voorwerp in stilstaande lucht beweegt of dat de lucht rondom een stilstaand voorwerp beweegt. Deze beschouwingswijze houdt dus in dat men een onderzoek uitgaat van een luchtstroming langs een stilstaand profiel. Dit leidde tot het ontwerp en gebruik van windtunnels waarin de stroming rond vleugelprofielen kon worden onderzocht. Door gekleurde rookslierten in te blazen werd de stroming zichtbaar gemaakt. Dit soort onderzoeken zijn on de twintigste eeuw in vele instituten en universiteiten uitgevoerd en hebben geleid tot inzichten waarmee efficiente vliegtuigvleugels konden worden gebouwd.
In onderstaande afbeelding is dit op een itwat ludieke wijze weergegeven. De laatste decennia is de kennis hierontrent door gebruik van allerhande nieuwe meet- en computertechnieken sterk verdiept.
In dit hoofdstuk over aerodynamica zal op dit onderwerp verder worden ingegaan.

De stroming van de lucht rond het profiel van de vleugel

Domme vraag!

Waarom heb je vleugels nodig om te kunnen vliegen? Domme vraag? Nee, want het is de kernvraag waarop de mensheid duizenden jaren het antwoord schuldig is gebleven en nog maar een goede honderd jaar een antwoord op heeft gevonden. Daarbij was echter nog niet direct het hoe en vervolgens het waarom duidelijk.
Kort gezegd is het antwoord : een vleugel is feitelijk een luchtpomp!
Hoezo, vraag u zich mogelijk als nieuwsgierig geworden lezer af. Om de eenvoudige reden dat, zoals bij iedere pomp, u mag het ook een ventilator noemen, het de functie heeft om een bepaald medium, vloeistof ,gas of zelfs beton, een versnelling te geven en/of een drukniveau te verhogen of te verlagen.
Dit doet ook een vleugel. Het moet in een zo kort mogelijke tijd zo veel mogelijk lucht naar onderen persen door de aanstromende lucht een neerwaartse snelheidscomponent mee te geven die ongeveer 1/10 van de aanstroomsneheid krijgt. Dit gebeurt binnen twintig miliseconden (= loptijd van een luchtdeeltje langs het vleugelprofiel van een klein sportvliegtuig). Dit resulteerd in een versnelling van rond de 200 m/sec2. Dit is ongeveer 20 keer zo groot als de versnelling van de zwaartekracht dus 20 G. Daarom dus!

Het vleugelprofiel

Om in het kort te verklaren waarom een vleugel draagkracht levert wordt dit , zoals traditioneel gebruikelijk en als de meest populaire verklaring, onderstaand aan de hand van de wet van Bernoulli uiteengezet. In latere hoofdstukken wordt hierop dieper ingegaan en aangetoond dat er meerdere,krachtiger, factoren zijn die de lift verklaren.

De stroming van lucht wordt aangegeven met zogenaamde stroomlijnen.Stroomlijnen zijn denkbeeldige naast elkaar liggende lijnen die op ieder punt de snelheid en richting van de stroming weergeven en snelheidsvectoren worden genoemd. Deze vectoren zijn te vergelijken met de Isobaren in het weerbericht. Echter daar zijn het lijnen met gelijke druk De lijnen kunnen elkaar niet kruisen omdat er geen twee verschillende snelheden op één punt kunnen voorkomen. Het vleugelprofiel kan volgens dezelfde definitie opgevat worden als een verstoorde stroomlijn die zich 'stroomopwaarts' en 'stroomafwaarts' beweegt. Verder is het zo dat wat er aan de voorkant aan komt, Er aan de achterkant ook moet zijn, zeg maar: “samen uit, samen thuis”. De stroom luchtdeeltjes langs de bovenzijde scheidt zich af van die langs de onderzijde van het profiel, maar aan de achterzijde van de vleugel zijn ze er allemaal weer, maar is dat werkelijk ook zo?
Het profiel van een vleugel is zodanig gevormd dat de ene een kortere weg aflegt dan de andere. Bij een juist geplaatste vleugel in een luchtstroom moet de lucht aan de bovenzijde door de bolling een langere weg afleggen dan aan de onderzijde. De luchtstroom moet aan de bovenkant dus worden versneld om op tijd weer aan de achterrand aanwezig te zijn om zich samen te voegen met de luchtstroom aan de onderzijde. De snelheid moet dus hoger worden.

De wet van Bernouilli zegt dat de som van de energieën van druk en snelheid in een luchtstroom constant is. Met andere woorden: als de snelheid groter wordt gaat de druk omlaag en omgekeerd. Dus ontstaat er aan de bovenzijde van de vleugel een onderdruk. Als aan de bovenzijde van de vleugel de luchtstroom het vleugelprofiel volgt veroorzaakt dit op basis van de wet van Bernouilli, een onderdruk.

Een een vleugelprofiel, zoals hierboven een Clark Y profiel, waarvan de vlakke onderzijde evenwijdig loopt met de aanstroomrichting, onder een kleine hoek, van bijvoorbeeld 2 tot 3 graden, met de luchtstroom wordt geplaatst moet de lucht aan de onderzijde aan de vleigelneus eerst sterk van richting veranderen om daarna mooi langs de vlakke onderzijde verder te stromen. Volgens de wet van Newton (actie=reactie) resulteert dit in een drukverhoging onder de vleugel die dus “lift” veroorzaakt. Het resultaat is dus dat een vleugel aan de onderzijde omhoog wordt gedrukt en aan de bovenzijde omhoog wordt getrokken. Perfect ! , maar de mensheid heeft er wel eeuwen over gedaan om dit te ontdekken, en alle vogels “wisten” dit allang. Het was Otto Lilienthal die, na bestudering van de vleugels van ooievaars, ontdekte dat een gebogen profiel meet lift veroorzaakte dan een vlak profiel. Na jaren van onderzoek publiceerde Lilienthal zijn bevindingen in “Der Vogelflug als Grundlage der Fliegerkunst” (De vlucht van vogels als basis voor het vliegen). Het bevat tabellen over vleugelprofielen en hun vermogen om lift te ontwikkelen. Het bijzondere is dat hij het niet kon verklaren omdat hem de wet van Bernouilli niet bekend was! Dit boek werd het standaardwerk voor latere luchtvaartpioniers zoals de gebroeders Wright.

Zoals uit onderstaande figuur blijkt is de lift is over de gehele vleugel niet gelijkmatig verdeeld. Dit is slechts een voorbeeld, want ieder profiel heeft weer een eigen patroon. Het in dit opzicht meest opvallende verschijnsel treedt op aan de bovenzijde, nabij de profielneus, waar een zeer sterke versnelling en dus drukdaling plaats vindt. Aan de onderzijde treedt een druktoename op, maar dit is minder spectaculair dan aan de bovenzijde. Het geheel resulteert in een opwaartse en licht naar achteren gerichte kracht en vormt een deel van de weerstand van de vleugel.
Onder aerodynamische lift verstaat men derhalve de component van de resulterende kracht, die loodrecht werkt op ieder punt van het vleugeloppervlak.
De kracht­component haaks dáárop wordt aangeduid als weerstand, of "drag". Het is aangetoond dat lift en drag veranderen met de hoek, dat wordt aangeduid met invalshoek, de hoek waaronder de luchtstroming de vleugel aan de voorkant treft, tussen de stroming en de stand van het profiel.

De verdeling van de drukken over de vleugel die zowel door Newtonse- als Bernoulli krachten worden opgewekt. Deze zijn op elk punt van een vleugen anders. Met deze drukverschillen worden krachten op het vleugeloppervlak uitgeoefend die resulteren in de aerodynamische lift en weerstand. Aan de vleugelneus treden de grootste veranderingen in het stromingsprofiel op. Hier ontstaan dan ook de grootste krachten en ook weerstand op. Dieze bestrijken een oppervlak tot ongeveer op 1/3 van de vleugelkoorde gerekend vanaf de voorrand. De drukken aan de onder- en bovenzijde is sterk afhankelijk van de invalshoek waaronder het profiel in de stroming staat.

Bij toenemende invalshoek zullen de stroomlijnen aan de bovenzijde kromming van het profiel niet meer kunnen volgen en vervolgens loslaten en in een min of meer wervelende strooming gaan veranderen. Dit levert draagkrachtverlies op en een snelle toename van de weerstand. Indien de invalshoek te groot wordt kan de stroming van de vleugel zelfs loslaten. Deze toestand staat bekend als 'overtrokken' vleugel.
Lift en drift zijn afhankelijk van de snelheid over de vleugel.
Bij elke tak van modelvliegen worden de eigenschappen van het model in verreweg de sterkste mate bepaald door de vleugel. Het profiel van de vleugel is in eerste instantie bepalend voor de eigenschappen en prestaties.
De vorm, spanwijdte, slankheid en dergelijke hebben echter ook een niet te verwaarlozen invloed, maar in eerste instantie is de vorm van de vleugeldoorsnede, het profiel, van belang. Afhankelijk van de aan het model te stellen eisen zal de keuze beperkt worden tot een bepaalde groep profielen, terwijl de keus van het uiteindelijk toe te passen profiel sterk afhangt van de constructie en toepassing van het model. In de loop van de jaren is een zeer groot aantal vleugelprofielen ontwikkeld, waarvan een groot deel speciaal voor modelvliegtuigen. De gemiddelde modelvlieger kampt echter met twee problemen: ten eerste het achterhalen van de juiste profielen en ten tweede het tekenen er van en als "last but not least" de juiste vorm afmetingen. Vooral het laatste vormt vaak een struikelblok, zeker bij tapse vleugels, omdat men dan niet kan volstaan met het eenmalig uitzetten van het profiel.

De vorm van een vleugel in dwarsdoorsnede wordt dus bepaald door het vleugelprofiel. Deze vorm is van zeer grote invloed op de hefkracht of lift van de vleugel. In de vliegtuigbouw wordt dikwijls gebruik gemaakt van de z.g.n. NACA-vleugelprofielen, welk in aërodynamische laboratoria van de National Advisory Committee lOf Aeronautics in Amerika zijn onderzocht en waarvan de. afmetingen in tabel­len zijn vastgelegd. Voor vleugels worden in hoofdzaak asym­metrische profielen toegepast, welke een bepaalde welving t.o.v. de koorde bezitten. De vorm van de NACA-profielen wordt aangeduid door een getal van 4 of 5 cijfers, waarvan het eerste cijfer de welving, het tweede of het tweede en derde cijfer de plaats van de welving en de laatste twee cijfers de grootste profiel dikte aangeven, alles uitgedrukt in procenten van de koorde. Zo is bijvoorbeeld het NACA profiel No. 2412 heeft een profiel, dat een maximale dikte van 12 % en een welving van 2 % op 40 % van de profielneus bezit.

Welk profiel men voor een bepaald vliegtuig moet kiezer hangt af van het soort vliegtuig, van de constructiemethode en van de vleugelbelasting. Een veel toegepast profiel in de modelbouw is het Clark Y profiel. De belangrijkste reden hiervoor is dat het een vlakke onderkant heeft waardoor het bouwen van een vleugel eenvoudig is. Het profiel voldoet uitstekend voor langzaam vliegende modellen zoals trainersmodellen, maar heeft ook zijn beperkingen. Zo is het voor de meeste kunstvlucht figuren ongeschikten ook voor thermiek modellen zijn betere profielen aan te bevelen.

Parameters van vleugelprofielen
Vleugelprofielen worden gekenmerkt door een aantal profielparameters. Met deze parameters worden de constructieve gegevens en enkele aerodynamische eigenschappen aangegeven. De volgende profielparameters worden algemeen gebruikt om kengetallen aan te geven:

d = profieldikte. De afstand tussen de bovenste en de onderste contourlijn, gemeten op de dikste plaats van het profiel.

xd = plaats van de grootste profieldikte. Deze positie wordt gemeten vanaf de vleugelneus en in % van de profieldiepte (% t) weergegeven.

f = profiel welving. De grootste afstand van de profielmiddellijn (M) t.o.v. de profielkoorde (s).

xf = plaats van de grootste profiel welving. Deze positie wordt gemeten vanaf de vleugelneus en in % van de profieldiepte (% t) weergegeven.

t = profieldiepte. De rechtlijnig gemeten afstand tussen de vleugelneus en de achterkand van de eindlijst.

M = profiel middellijn. Een lijn over alle middelpunten van de loodrecht gemeten afstand tussen de boven- en onder contourlijn van het profiel.

s = profielkoorde. Verbindingslijn tussen de vleugelneus en de achterkant van de eindlijst.

Alpha = invalshoek.
De hoek tussen de profielkoorde en de aanstroomrichting. De lift van een vleugel is gekoppeld aan de invalshoek van de luchtstroming op de vleugel. Hoe hoger de invalshoek, des te meer lift heeft de vleugel, tot op een bepaald moment een maximum is bereikt. Als de invalshoek verder wordt vergroot neemt de lift weer af. In het algemeen neemt met het vergroten van de invalshoek ook de weerstand toe.

Alpha 0 =
Invalshoek waarbij de lift nul is. Bij gewelfde profielen is dit een negatieve hoek en bij symetrische profielen is dit nul graden.

Vleugelprofiel parameters. Invalshoek (Engels: Angle of Attack, α,alpha) is een term gebruikt in de aerodynamica om de hoek aan te geven waaronder een vleugel staat ten opzichte van de aanstromende lucht. De grootte van de invalshoek alpha (links) is bepalend voor de lift(factor) Cl (midden) en de weerstand(sfactor) Cd (rechts in combinatie met de liftfactor).

Ca of Cl = liftfactor. Dimensieloos kental voor het berekenen van de lift.

Cw of Cd = weerstandsfactor. Dimensieloos kental voor het berekenen van de weerstand.

Cm = momentfactor. Kental voor de door het vleugelprofiel opgewekte (kracht)moment).

Cm0 = nulmoment. Het bij een nul-lift optredende moment (bij symetrische profielen en z.g.n. drukvaste profielen is dit nul).

Re = Getal van Reynolds (zie verder: "definities en begrippen").

Home .....



contact | © 2016