Weerstand
Weerstand is de kracht die de beweging van een vliegtuig door de lucht tegenwerkt. Er zijn twee basistypen: parasitaire weerstand en geïnduceerde weerstand. De eerste wordt parasitaire weerstand genoemd omdat deze op geen enkele manier bijdraagt aan de vlucht, terwijl de tweede, geïnduceerde weerstand, het resultaat is van de ontwikkeling van lift door een vleugelprofiel.
Parasitaire weerstand
Parasitaire weerstand bestaat uit alle krachten die de beweging van een vliegtuig vertragen. Zoals de term parasiet impliceert, is het de weerstand die niet met de productie van lift wordt geassocieerd. Deze omvat de verplaatsing van de lucht door het vliegtuig, turbulentie die in de luchtstroom wordt gegenereerd, of een belemmering van de lucht die over het oppervlak van het vliegtuig en het aërodynamische vlak beweegt. Er zijn drie soorten parasitaire weerstand: vormweerstand, interferentieweerstand en huidwrijving.
Vormweerstand
Vormweerstand is het deel van de parasitaire weerstand dat door het vliegtuig wordt gegenereerd als gevolg van zijn vorm en de luchtstroming er omheen. Voorbeelden hiervan zijn de motorkappen, antennes en de aerodynamische vorm van andere onderdelen. Wanneer de lucht zich moet scheiden om zich rond een bewegend vliegtuig en zijn onderdelen te bewegen, voegt zij zich uiteindelijk weer bij elkaar nadat de romp is gepasseerd. Hoe snel en soepel het weer samenkomt is representatief voor de weerstand die het creëert, die extra kracht vereist om te overwinnen.
Zie hoe de platte plaat in figuur 5-7 de lucht rond de randen doet wervelen totdat deze zich uiteindelijk stroomafwaarts weer verenigt. Vormweerstand is het eenvoudigst te verminderen bij het ontwerpen van een vliegtuig. De oplossing is om zoveel mogelijk onderdelen te stroomlijnen.
Flight Literacy Recommends
Rod Machado’s How to Fly an Airplane Handbook – Leer de basisbeginselen van het vliegen met elk vliegtuig. Maak vliegtraining makkelijker, goedkoper en leuker. Beheers alle checkride manoeuvres. Leer de “stick and rudder” filosofie van het vliegen. Voorkomen dat een vliegtuig per ongeluk afslaat of spint. Een vliegtuig snel en plezierig laten landen.
Stoorweerstand
Stoorweerstand ontstaat door het snijpunt van luchtstromen waardoor wervelstromen of turbulentie ontstaan of waardoor een vloeiende luchtstroom wordt beperkt. Bijvoorbeeld, het snijpunt van de vleugel en de romp bij de vleugelwortel heeft een aanzienlijke interferentieweerstand. Lucht die rond de romp stroomt botst met lucht die over de vleugel stroomt, waardoor een luchtstroom ontstaat die verschilt van de twee oorspronkelijke stromingen. De meeste interferentieweerstand wordt waargenomen wanneer twee oppervlakken elkaar onder een loodrechte hoek raken. Fairings worden gebruikt om deze tendens te verminderen. Als een straaljager twee identieke vleugeltanks heeft, is de totale luchtweerstand groter dan de som van de afzonderlijke tanks, omdat deze beide interferentieweerstand creëren en opwekken. Fairings en afstand tussen de liftoppervlakken en externe componenten (zoals radarantennes die aan de vleugels hangen) verminderen de interferentieweerstand.
Wrijvingsweerstand van de huid
Wrijvingsweerstand van de huid is de aërodynamische weerstand die het gevolg is van het contact van bewegende lucht met het oppervlak van een vliegtuig. Elk oppervlak, hoe glad het ook lijkt, heeft een ruw, gerafeld oppervlak wanneer men het onder een microscoop bekijkt. De luchtmoleculen, die in direct contact komen met het oppervlak van de vleugel, zijn vrijwel bewegingsloos. Elke laag moleculen boven het oppervlak beweegt iets sneller totdat de moleculen zich verplaatsen met de snelheid van de lucht die rond het vliegtuig beweegt. Deze snelheid wordt de vrije-stroomsnelheid genoemd. Het gebied tussen de vleugel en het niveau van de vrije-stroomsnelheid is ongeveer zo breed als een speelkaart en wordt de grenslaag genoemd. Aan de bovenkant van de grenslaag nemen de moleculen toe in snelheid en bewegen ze met dezelfde snelheid als de moleculen buiten de grenslaag. De werkelijke snelheid waarmee de moleculen bewegen hangt af van de vorm van de vleugel, de viscositeit (kleverigheid) van de lucht waardoor de vleugel of het vleugelprofiel beweegt, en de samendrukbaarheid (hoeveel het kan worden samengeperst).
De luchtstroming buiten de grenslaag reageert op de vorm van de rand van de grenslaag net zoals zij zou reageren op het fysieke oppervlak van een voorwerp. De grenslaag geeft elk voorwerp een “effectieve” vorm die gewoonlijk enigszins afwijkt van de fysieke vorm. De grenslaag kan zich ook van het voorwerp afscheiden, waardoor een effectieve vorm ontstaat die veel verschilt van de fysieke vorm van het voorwerp. Deze verandering in de fysische vorm van de grenslaag veroorzaakt een dramatische vermindering van de lift en een toename van de luchtweerstand. Wanneer dit gebeurt, is het vleugelprofiel vastgelopen.
Om het effect van de huidwrijvingsweerstand te verminderen, gebruiken vliegtuigontwerpers verzonken klinknagels en verwijderen zij alle onregelmatigheden die boven het vleugeloppervlak kunnen uitsteken. Bovendien helpt een gladde en glanzende afwerking bij de overgang van lucht over het oppervlak van de vleugel. Aangezien vuil op een vliegtuig de vrije luchtstroom verstoort en de luchtweerstand verhoogt, moeten de oppervlakken van een vliegtuig schoon en in de was gezet worden.
Induced Drag
Het tweede basistype van luchtweerstand is geïnduceerde luchtweerstand. Het is een vaststaand natuurkundig feit dat geen enkel systeem dat in mechanische zin arbeid verricht, 100 procent efficiënt kan zijn. Dit betekent dat, ongeacht de aard van het systeem, de vereiste arbeid wordt verricht ten koste van bepaalde extra arbeid die in het systeem wordt gedissipeerd of verloren gaat. Hoe efficiënter het systeem, hoe kleiner dit verlies.
In horizontale vlucht leveren de aërodynamische eigenschappen van een vleugel of rotor een vereiste lift op, maar deze kan alleen worden verkregen ten koste van een bepaald nadeel. De naam die aan dit nadeel wordt gegeven is geïnduceerde weerstand. Geïnduceerde weerstand is inherent aan elke liftopwekking van een vleugel of rotor en is in feite onlosmakelijk verbonden met liftopwekking. Het is dus altijd aanwezig als er lift wordt geproduceerd.
Een aërodynamisch vlak (vleugel of rotorblad) produceert de liftkracht door gebruik te maken van de energie van de vrije luchtstroom. Wanneer een aërodynamisch vlak lift produceert, is de druk op het onderste oppervlak groter dan die op het bovenste oppervlak (principe van Bernoulli). Als gevolg daarvan heeft de lucht de neiging om van het hogedrukgebied onder de tip omhoog te stromen naar het lagedrukgebied aan het bovenoppervlak. In de buurt van de uiteinden is er een tendens om deze drukken gelijk te maken, wat resulteert in een zijwaartse stroming naar buiten van de onderkant naar het bovenoppervlak. Deze zijwaartse stroming geeft een rotatiesnelheid aan de lucht bij de tips, waardoor wervelingen ontstaan die achter het vleugelprofiel blijven hangen.
Wanneer het vliegtuig vanaf de staart wordt bekeken, circuleren deze wervelingen tegen de klok in rond de rechtertip en met de klok mee rond de linkertip. Wanneer de lucht (en de wervelingen) van de achterkant van uw vleugel rollen, maken ze een hoek naar beneden, wat downwash wordt genoemd. Figuur 5-10 toont het verschil in downwash op hoogte versus dicht bij de grond. Rekening houdend met de draairichting van deze wervels, kan men zien dat zij een opwaartse luchtstroom veroorzaken voorbij de tip en een neerwaartse luchtstroom achter de achterrand van de vleugel. Deze geïnduceerde neerwaartse druk heeft niets gemeen met de neerwaartse druk die nodig is om lift te produceren. Het is in feite de bron van geïnduceerde weerstand.
Downwash wijst de relatieve wind naar beneden, dus hoe meer downwash je hebt, hoe meer je relatieve wind naar beneden wijst. Dat is belangrijk om een heel goede reden: lift staat altijd loodrecht op de relatieve wind. In Figuur 5-11 kun je zien dat wanneer je minder downwash hebt, je liftvector meer verticaal is, tegengesteld aan de zwaartekracht. En wanneer je meer downwash hebt, wijst je liftvector meer naar achteren, wat geïnduceerde weerstand veroorzaakt. Bovendien kost het energie voor je vleugels om downwash en wervelingen te creëren, en die energie creëert weerstand.
Om een grotere onderdruk op de top van een aërodynamisch vlak te creëren, kan het aërodynamische vlak naar een hogere AOA worden gekanteld. Als de AOA van een symmetrisch aërodynamisch vlak nul zou zijn, zou er geen drukverschil zijn, en dientengevolge, geen neerwaartse drukcomponent en geen geïnduceerde weerstand. In elk geval, als AOA toeneemt, neemt de geïnduceerde weerstand evenredig toe. Anders gezegd: hoe lager de luchtsnelheid, hoe groter de AOA die nodig is om lift te produceren die gelijk is aan het gewicht van het vliegtuig en dus hoe groter de geïnduceerde weerstand. De hoeveelheid geïnduceerde weerstand varieert omgekeerd evenredig met het kwadraat van de luchtsnelheid.
Omgekeerd neemt de parasitaire weerstand toe met het kwadraat van de luchtsnelheid. In stabiele toestand, wanneer de luchtsnelheid afneemt tot dichtbij de overtreksnelheid, wordt de totale luchtweerstand dus groter, hoofdzakelijk ten gevolge van de sterke toename van de geïnduceerde luchtweerstand. Evenzo neemt de totale weerstand snel toe wanneer het vliegtuig de overtreksnelheid (VNE) bereikt, als gevolg van de sterke toename van de parasitaire weerstand. Zoals te zien is in figuur 5-6, is bij een bepaalde luchtsnelheid de totale weerstand minimaal. Bij het berekenen van het maximale bereik van vliegtuigen is de stuwkracht die nodig is om de weerstand te overwinnen minimaal als de weerstand minimaal is. Het minimale vermogen en het maximale uithoudingsvermogen treden op een ander punt op.
Flight Literacy Recommends
Rod Machado’s Private Pilot Handbook -Flight Literacy beveelt de producten van Rod Machado aan omdat hij iets wat normaal gesproken droog en vervelend is, transformeert met zijn kenmerkende humor, waardoor je betrokken blijft en de informatie langer blijft hangen. (zie alle producten van Rod Machado).