Sir George Cayley

( 1773 - 1857)

Sir George Cayley was een Britse luchtvaartpionier en wordt wel de vader van de luchtvaart genoemd. Zijn geboorte lag tien jaar voordat de gebroeders Montgolfier hun eerste hete-lucht-ballon bouwden. In die tijd dachten nog maar weinigen aan vliegende apparaten zwaarder-dan-lucht die in staat waren om mensen door de lucht te laten varen (vandaar nog steeds de naam "luchtvaart"). Rond zijn geboortejaar was het opstijgen met een ballon een sensationele gebeurtenis waar duizenden mensen naar kwamen kijken. George moet vanaf zijn jonge jaren al geïnspireerd zijn geweest door toestellen die op mechanische wijze zouden kunnen vliegen. De vraagstukken waren echter nog legio.
Historische documenten beschrijven een speelgoedje van de jonge George dat bestond uit een stokje met aan de boven en onderzijde een kurk waaraan kruisgewijs vier veren waren geplakt. Deze twijg had in het midden een gaatje waardoor het stokje kon draaien. Om het stokje kon met behulp van een goed buigbare twijg een touwtje gewikkeld worden. Door het in rotatie te brengen met behulp van dat touwtje dat aan de uiteinden met een buigbare twijg was verbonden werd, zoals dat ook bij veeruurwerken het geval is energie in het systeem verzameld waarme bij het loslaten het stokje met de veren kon worden aangedreven. Als het werd losgelaten ontspande de boog en begonnen de veren rond te draaien waardoor "lift"ontstond die het geheel omhoog bracht.
Heel erg simpel, maar hierin waren wel de basis elementen van "lift, "drag" en "trust" ondergebracht en was door het versnellen van een hoeveelheid lucht in verticale neerwaartse richting aangetoond dat volgens de derde wet van Newton, ( actie = - tractie ) een voorwerp "zwaarder-dan-lucht" opgetild kon worden. Feitelijk werd hiermee onomstotelijk aangetoond dat een mechanisch aangedreven constructie, van welke vorm dan ook, zijn eigen gewicht of meer dan dat in de lucht kan verheffen. Dit inspireerde de jonge George om verder te zoeken naar de krachten die hieraan ten grondslag liggen en constructies te ontwerpen waarmee mogelijk luchtvaartuigen-zwaarder-dan-lucht konden worden gemaakt.
Al op jonge leeftijd begon hij zich te verdiepen in, zoals het toen werd genoemd, de kunst van het vliegen. In 2007 werden in het archief van de Royal Aeronautical Society Libray een aantal schetsen uit 1792 ontdekt in een school notitie boek, "Motive Power", van Cayley. Daaruit bleek dat hij toen al zijn ideeën over de theorie van het vliegen aan het ontwikkelen was. Hieruit bleek ondermeer dat hij toen ook al inzag dat een gewelfd vleugelprofiel meer lift zou kunnen opwekken dan een vlakke plaat. Dit onderzoek leidde daarna tot verschillende belangrijke nieuwe inzichten. Hij realiseerde zich dat het geheim van het vliegen door een mens, zoals Leonardo daVinci aan het einde van zijn ontwikkelingen ook al suggereerde, niet kon worden opgelost door het nabootsen van klapwiekende vleugels zoals bij vogels, maar mogelijk wel door het toepassen van vaste vleugels die met en zekere snelheid door of in een  luchtstroom bewegen.


George knutselde in zijn jongensjaren al speelgoedjes in elkaar die hij kon laten vliegen. Deze bestonden meestal uit allerhande huis-, tuin- en keukenmaterialen. Deze inspiratie leidde uiteindelijk tot het formuleren van het krachtenspel waarmee een vliegtuig stabiel kon vliegen.

Toen hij twintig was bouwde hij dan ook een werkplaats bij zijn ouderlijk huis in Brompton Hall waar hij fundamenteel aerodynamisch onderzoek uitvoerde. In deze periode bracht hij ook veel tijd door bij de plaatselijke klokkenmaker waar hij de mechanica van mechanismen bestudeerde. Inmiddels waren ook de studies van Newton (1673 - 1727)  bekend geworden en George nam dit ter kennis om het ontstaan van lift nader te kunnen verklaren. Dit bracht hem ondermeer tot het inzicht dat een vleugelprofiel onder een bepaalde hoek, nu aangeduid met "angel of attack", met de aanstroomrichting geplaatst moest worden om de maximale lift te genereren.
George Cayley was inmiddels een relatief welvarende baron geworden, die op zijn landgoed in Yorkshire, Engeland woonde. Hij was een gestudeerd man die zijn hele leven, naast de sociale en politieke problemen van zijn tijd, wijdde aan technische ontwikkelingen en met name de luchtvaart vraagstukken, zoals ook Leonardo daVinci dat ook deed.

Bij zijn ouderlijke woning kreeg George de gelegenheid om een eigen werkplaats te bouwen. Zijn onderzoeken aan vleugelprofielen voerde hij hier uit en knutselde er ook vele andere modellen en onderdelen in elkaar.

Tien jaar later publiceerde hij zijn oeuvre waarin hij de fundamentele voorwaarden voor het vliegen uiteenzette. Hierin zette hij zich ook definitief af tegen het idee van de ornithocopter, een vliegtuig dat zich voortbeweegt door, zoals vogels, met de vleugels te klapwieken. In plaats daarvan pleitte hij voor het aerodynamisch vliegen, oftewel het glijden door de lucht met vaste, liftgenererende vleugels en voortgedreven door een motor om de weerstand ("draft") te kunnen overwinnen. Hiermee introduceerde hij als eerste de basisconfiguratie voor de huidige vliegtuigen: romp, vaste vleugel, kielvlak, stabilo en aandrijving. Deze gedachte bracht George er toe om de performance van lift genererende profielen te onderzoeken. Zijn onderzoeken leverden de eerste richtingwijzende waarnemingen/meetingen op die leidden tot vleugelprofielen zoals we die nu kennen.
Ook stelde hij vast dat een forel een vorm had die in deze vorm een minimale weerstand kon opleveren voor de romp van een vliegtuig. Waarom een forel en niet een vogel, vroeg hij zich af? Pas een eeuw later werden de regels voor de aero- en hydrodynamica opgesteld en konden hiervoor inhoudelijke verklaringen en formules worden opgesteld in de vorm van o.a. de Bernoulli, Reynolds- en Prandtl-Euler kengetallen en het Coanda effect.. 

 Het onderzoek van Cayley

In 1799, hij was toen 26 jaar oud, formuleerde hij voor het eerst in de geschiedenis het concept van een vliegtuig zoals we dat heden ten dage nog kennen. Voor deze gelegenheid liet hij in een zilveren schaal aan de ene zijde een diagram graveren waarin hij de "lift" , "drag" en "trust" op een vleugelprofiel weergaf en aan de andere zijde van de schaal het ontwerp van een vliegtuig met een vaste vleugel, een pijlvormige staart (als een dartpijl) met een horizontale en een verticale vin en twee paddels voor de aandrijving.

De schaal waarop Cayley in 1799 het principe van het vliegen graveeerde. Links "een vaartuig zwaarder dan lucht". Aan de voorzijde onderaan een bootvormige gondel. In die tijd heerste het beeld dat men door de lucht ging varen zoals een boot op het water. Het mannetje in de boot bediende de roeispanen die met grote peddels vebonden waren. Gayley ging er kennelijk nog van uit dat een mens voldoende vermogen kon leveren om een vaartuig in delucht te houden. Boven het mannetje een vleugel met een gebogen profiel. Dit maakt duidelijk dat hij al had uitgevonden dat een dergelijk profiel de meeste lift kon opleveren. Achter de gondel een dartvormig staartstuk waarmee hoogte en richting kon worden gestuurd.
Op de andere zijde schetste hij een krachtendriehoek ( een zogemaand vector diagram ) waarmee hij de aerodynamische krachten, "drag" en "lift" ,op een vleugel schetste.

Cayley definieerde hierbij voor het eerst voor vleugelprofielen die parallel aan de koorde van een profiel worden aangestroomd de "drag" vector  ( = vector voor de weerstand, horizontaal) en de "lift' vector ( = vector voor de opwaartse kracht, verticaal).
(opm. een vector is een lijnstuk die met zijn lengte op schaal de grootte van de kracht aangeeft en door zijn stand de richting waarin deze kracht werkt).
Deze formulering leidde automatisch naar de derde kracht die het vliegen mogelijk moest maken, de "thrust", ofwel de trekkracht en voor continue kunnen vliegen het vermogen. Alles wat hiervoor in die tijd beschikbaar was waren stoommachines. Deze waren helaas te zwaar om in een vliegtuig in te bouwen. Het is niet duidelijk of ook de vierde kracht, de zwaartekracht, zoals door Newton was geformuleerd als universele kracht, in deze schets was verwerkt.
Deze vier krachten zijn nog steeds de basiskrachten waarop het vliegen met "vaartuigen zwaarder dan lucht" zijn gebaseerd. Het was dit concept dat door Lilienthal en de gebroeders Wright in de tweede helft van de negentiende eeuw als basis zou worden gebruikt voor de ontwikkeling van hun modellen.
Om de werking van verschillende oppervlakken te meten bouwde hij in 1804 een testapparaat met een roterende arm dat in die tijd werd gebruikt om de weerstand te testen van zeilen die op molenwieken werden gebruikt. Hierdoor werd hem al snel duidelijk dat de “lift” in hoge mate werd verkregen door de vleugel in een bepaalde hoek ten opzichte van de luchtstroom te plaatsen. Daarbij stelde hij ook vast dat gebogen profielen meer “lift” konden opwekken dan een vlakke platen.

De "zweefmolen" waarmee Cayley zijn onderzoek naar het effect van vleugelprofielen onderzocht. Het bestond uit een driepoot met centraal een verticale as en daarboven een armconstructie dat als balans werkte. Aan de ene kant kon een vleugelprofiel worden bevestigd en aan de andere kant een contragewicht. De rotatie werd verkregen door om de centrale as een touwtje te wikkelen waaraan via een katrol een gewicht was bevestigd dat verticaal kon zakken om de arm bovenop te laten roteren. Het profiel en het gewicht werden op de balans eerst in evenwicht gebracht door het gewicht langs de arm (links) te verschuiven. Nadat de balans in rotatie werd gebracht ontwikkelde het profiel lift en zakte het contragewicht. De lift kon dan worden gemeten door het contragewicht zo ver naar binnen te schuiven tot bij rotatie de balans weer was hersteld. Dit vergde telkens een herhaling van de proef . Het aangepaste product van kracht x arm leverde dan de liftkracht op en door de valsnelheid van het aandrijfgewicht te berekenen kon het geleverde vermogen worden berekend.

Na zijn onderzoeken en tests besloot Cayley om zijn ervaringen in een werkend model om te zetten. Hij had de door Newton opgestelde wetten nauwkeurig bestudeerd en maakte hiermee zijn berekeningen voor een voldoende "lift" genererende vleugel. Hij monteerde een vlieger achtige vleugel, een "kite wing" zoals het werd beschreven, onder een invalshoek van zo ongeveer zes graden (zie tekening) op een lange stok van vijf voet ( ca. 1,50 meter).die als romp diende. Aan de achterkant monteerde hij een instelbaar kruisvormig staartstuk met vier vinnen die hij naar behoefte kon instellen om richting en hoogte te kunnen beïnvloeden. Om het zwaartepunt te kunnen instellen monteerde hij een gewichtje aan de neus die hij naar voren en achteren kon verplaatsen. Cayley’s "kite plane" vloog voor het eerst succesvol in 1804 en dit wordt, hoe eenvoudig de constructie ook moge zijn, beschouwd als een mijlpaal in de ontwikkeling van vliegtuigen.

Het oer-model zweefvliegtuig van Cayley. De romp bestond uit een stok met daarop een vlieger vormige vleugel ("kite=vlieger") gemonteerd die met een stokje onder een hoek ten opzichte van de romp werd gehouden. Aan de staart was een kruisvormige vin bevestigd die versteld kon worden om de stand van de vleugel t.o.v. de vliegrichting ("angel of attack") in te kunnen stellen. Een gewicht aan de neus voor het instellen van het zwaartepunt ontbreekt op deze tekening.

In de daarop volgende jaren werd de kiteplane ontwikkeld tot een mandragend zweeftoestel. In 1809 werden vele vliegproeven uitgevoerd waarbij allerhande instellingen werden getest.
Alle testen werden nauwkeurig beschreven en van de ervaringen werd nauwkeurig boek gehouden. Deze wetenschappelijke experimenten leidden tot het ontwikkelen van een efficiënte gebogen vleugelprofiel en het samenspel van de vier krachten die invloed hebben op een luchtvaartuig: stuwkracht, lift, weerstand en zwaartekracht.

Een replica, gebouwd naar bovenstaande tekening.

Hij ontdekte ook het belang van de V-stelling van de vleugel voor langsstabiliteit, de stabiliteit om de lengteas, tijdens de vlucht, en een weloverwogen ligging van het zwaartepunt ten opzichte van het drukpunt van de vleugel. Het zwaartepunt werd bij veel van zijn modellen ruim onder de vleugel gelegd. Deze beginselen hadden grote invloed op de ontwikkeling van zijn latere deltavliegers zoals we die tegenwoordig kennen.
In 1849 ontwierp, bouwde en testte hij een driedekker zweefvliegtuig dat mandragend was. Hiermee voerde hij een aantal tests uit met een tien-jarige jongen als passagier waarbij gestart werd vanaf een heuvel. Een van de ontwerpen van Cayley verscheen in de Mechanics Magazine in 1857. Cayley bereikte echter nooit zijn uiteindelijke doel van een aanhoudende vlucht om met een "zwaarder-dan-lucht-vaartuig" een bemande vlucht uit te kunnen voeren. De reden hiervoor was het ontbreken van een aandrijving die voldoende vermogen kon leveren.
In november 1809, februari 1810 en maart 1810 publiceerde Cayley drie onderzoek rapporten over zijn aerodynamisch onderzoek waarin hij voor het eerst in de geschiedenis uiteenzette dat:

1.     lift wordt gegenereerd door een gebied van lage druk aan de bovenzijde van de vleugel.

2.     een gekromd oppervlak meer lift produceert dan een vlakke plaat.

Deze resultaten en nog vele andere bevindingen zijn opgenomen in  "On Aerial Navigation". Dit drieluik van resultaten wordt gezien als een ommekeer en richtingwijzend denken over aerodynamica van vliegtuigvleugels.
Zijn grootste interesse ging uit naar de veelheid van vraagstukken rond het construeren van luchtvaartuigen "zwaarder-dan-lucht". Hij voorzag hiervoor al uitvoeringen die van de grond af konden starten en landen.
Hij hield zich daarom niet uitsluitend bezig met wetenschap en onderzoek van het vliegen, maar hield zich ook met allerhande constructievraagstukken bezig die van belang waren voor de toekomstige vliegtuigen. Zo verzond en ontwikkelde hij ook de rupsbanden die de naam carterpillar kregen. Een naam die we tot op heden nog steeds kennen. Deze wieluitvoering was feitelijk bedoeld om zware modellen op zachte ondergrond te kunnen laten starten. De constructie werd echter te zwaar, maar wordt tot op heden gebruikt voor allerhande zware mobiele machines.

Voor een modelbouwer kan het zeker een uitdaging zijn om het oermodel van Cayley na te bouwen en te testen.

Zijn nadruk op het gewicht van de totale constructie leidde hem o.a. naar het verzinnen van een nieuwe methode voor het construeren van lichtgewicht wielen. Voor een landing op wielen waren sterke constructies nodig omdat er grote drukkrachten ontstonden die het knikken van dunne spaken konden veroorzaken. Om dit te voorkonen waren voor vliegtuigen zodanig zware houten spaken nodig dat het gewicht hiervan het vliegen bij voorbaat al onmogelijk zou maken.

Cayley bedacht een lichte constructie voor de wielen van een vliegtuig omdat de tot dan toe bekende constructies, houten karrewielen, veel te zwaar waren voor een vliegtuig. Hij analyseerde de krachten die bij een landing ontstonden en realiseerde zich dat bij de bekende wielen de spaken zwaar moesten zijn om de krachten vanuit de naaf drukspanningen in de spaken opleverden die daardoor op knikbelasting moesten worden geconstrueerd. De houten spaken moesten daardoor zwaar worden uitgevoerd, te zwaar voor vliegtuigen. Spaken die op trek konden worden belast kunnen in staal worden uitgevoerd en daardoor veel dunner zijn.
Bovenstaande tekening geeft een uitvoering aan van een spaakwiel met een vlechtwerk van spaken aan waarbij deze hoofdzakelijk en voldoende op trek worden belast. De spaken worden met speciale nippels in de velg geschroeft en gespannen.

Een wielconstructies tot dan toe bestond uit een zware houten velg, naaf en een aantal spaken die diametraal van de velg naar de naaf liepen. Cayley bedacht een constructie waarbij de drukkrachten konden worden vervangen door trekkrachten. Hiertoe spande hij in een verschuivend patroon draden van de naaf naar de velg op een zodanige wijze dat de draden op trek werd belast. De knikbelasting werd hiermee uitgebannen en de constructie werd aanmerkelijk lichter. Een geniale oplossing en het gezegde: "het wiel opnieuw uitvinden" is hiermee in positieve zin zeker van toepassing! Deze wielconstructie kennen we tot op heden nog bij lichte voertuigen zoals de fiets.

In 1849 ontwikkelde, bouwde en testte hij een driedekker op volwaardige grootte waarin een mens plaats kon nemen. Hiermee voerde hij testvluchten uit en werden van diverse hellingen in zijn omgeving  "sprongen" gemaakt. Cayley bereikte echter nooit zijn doelstelling om een mens door het luchtruim te laten "varen". Zijn werk rondde hij in 1853 af met de voltooiing van een full-scale zweefvliegtuig dat resulteerde in de eerste bemande zweefvlucht met  zijn enigszins angstige koetsier als passagier.

Epiloog

Cayley wordt algemeen beschouwd als één van die belangrijkste mensen die met inzicht, inventiviteit en volharding technische ontwikkelingen hebben bewerkstelligd die tot op de dag van vandaag nog bepalend zijn in onze huidige technische maatschappij.
Hij heeft al in een vroeg stadiun de ontwikkeling van de luchtvaart richtingwijzend vastgelegd. Velen beschouwen hem daarom ook als de eerste echte wetenschappelijke onderzoeker die begreep wat de onderliggende beginselen en krachten voor een vliegtuig waren. Hij bouwde zijn eerste zwever, een model helikopter met contra-roterende schroeven, in 1796. Drie jaar later heeft Cayley in een zilveren schaal de krachten die van toepassing zijn tijdens de vlucht gegraveerd. Aan de andere kant van het medaillon schetste Cayley zijn ontwerp voor een zweefvliegtuig met een vaste vleugel. In 1804 ontwierp en bouwde Cayley een eenvoudig zweefmodel om er praktijkervaring mee op te doen. Het model kenmerkt zich verder door een verstelbare kruisvormige staart, een vlieger-vormige vleugel, "kite wing" genoemd, die met een invalshoek van 6° (zie tekening) op de romp was bevestigd en een verschuifbaar gewicht aan de neus om de ligging van het zwaartepunt te kunnen instellen. Dit was waarschijnlijk het basisontwerp voor  waarmee ook de eerste testvluchten zijn gemaakt. Op basis van de resultaten hiervan bouwde Cayley een groter zweefvliegtuig dat zo stabiel was, dat het onbemand van een heuvel kon worden gelanceerd.
Citaat van Cayley:

"Het was een schitterend gezicht deze mooie, witte vogel majestueus van de top van de heuvel naar de vlakte te zien zweven, door de stand van het roer en door zijn eigen gewicht dalende onder een hoek van ongeveer 8 graden met de horizon".

Hij publiceerde in 1809 de studie On Aerial Navigation waarin hij een aantal voorwaarden voor het vliegen uiteenzet. Hij zette zich bijvoorbeeld af tegen het idee van een ornithokopter, een vliegtuig dat zich voortbeweegt door met de vleugels te klapwieken. In plaats daarvan pleitte hij voor het aerodynamisch vliegen, oftewel het glijden door de lucht met vaste, lift genererende vleugels en voortgedreven door een motor. Hiermee introduceerde hij als eerste de basisconfiguratie van moderne vliegtuigen. Op basis van zijn onderzoek, ontwikkeling en constructies naar vele theoretische aspecten van de luchtvaart erkennen velen hem nu als de eerste luchtvaarttechnicus. Hij had de grondbeginselen waarop het vliegen met vaste vleugels ontdekt en aangetoond dat ze ook in de praktijk, aanvankelijk met een vrij vliegend modelvliegtuig, uitvoerbaar en functioneel waren. Het principe van een gekromd vleugelprofief dat in een hoek met de aanstroomrichting van de lucht was geplaatst is tot op heden de basis voor het opwekken van lift. Daarbij stond de vleugel onder een hoek met het horizontale deel van een stel staartvlakken achter een draagdeel dat nu de romp is. Hiermee heeft Cayley feitelijk het vliegtuig uitgevonden door op een briljante wijze het krachtenspel dat nodig is om te kunnen vliegen te definieren. Helaas ontbrak hem één ding namelijk een aandrijving met weinig gewicht dat voldoende vermogen kon leveren om zijn constructies voor enige tijd in de lucht te houden.

Hij besefte daardoor dat hij aan het einde van de ontwikkelingsmogelijkheden zat en sloot hiermee zijn onderzoekingen af. Hij werd lid van het parlement en bleef daar tot aan zijn dood actief. Het zou nog een halve eeuw duren voordat zijn ontwikkeling een vervolg konden krijgen door het beschikbaar komen van geschikte motoren met inwendige verbranding.  Voor hij op 84-jarige leeftijd overleed had hij het vliegtuig bedacht en beschreven. Niet lang na zijn dood raakte zijn naam en zijn werk in de vergetelheid. Waarom is onduidelijk. Hiermee werd ook zijn werk een tijd lang onvindbaar voor bijna alle luchtvaartpioniers in de tweede helft van de 19e eeuw tot Otto Lilienthal zijn speurtocht naar de kunst van het vliegen oppakte..

Tot slot de spreuk waarmee Cayley zijn werk grote werk afsloot:

"You to whom it may concern when I am gone may find the seeds of my thought in these scrawls"

Home ...



contact | © 2016