Opór

Opór jest siłą, która przeciwstawia się ruchowi statku powietrznego w powietrzu. Istnieją dwa podstawowe rodzaje: opór pasożytniczy i opór indukowany. Pierwszy z nich jest nazywany pasożytniczym, ponieważ w żaden sposób nie funkcjonuje w celu wspomagania lotu, natomiast drugi, opór indukowany, jest wynikiem wytworzenia przez profil aerodynamiczny siły nośnej.

Opór pasożytniczy

Opór pasożytniczy składa się ze wszystkich sił, które działają w celu spowolnienia ruchu samolotu. Jak sugeruje termin „pasożytniczy”, jest to opór, który nie jest związany z wytwarzaniem siły nośnej. Obejmuje on wypieranie powietrza przez statek powietrzny, turbulencje generowane w strumieniu powietrza lub przeszkodę dla powietrza poruszającego się nad powierzchnią statku powietrznego i profilu. Istnieją trzy rodzaje oporu pasożytniczego: opór formalny, opór interferencyjny i tarcie skóry.

Opór formalny

Opór formalny to część oporu pasożytniczego generowanego przez statek powietrzny z powodu jego kształtu i przepływu powietrza wokół niego. Przykłady obejmują osłony silników, anteny i aerodynamiczne kształty innych komponentów. Gdy powietrze musi się rozdzielić, aby poruszać się wokół poruszającego się samolotu i jego komponentów, w końcu łączy się ponownie po minięciu nadwozia. Jak szybko i gładko łączy się ponownie jest reprezentatywne dla oporu, który tworzy, co wymaga dodatkowej siły do pokonania.

Zauważ jak płaska płyta na Rysunku 5-7 powoduje zawirowania powietrza wokół krawędzi, aż w końcu łączy się z prądem. Opór postaciowy jest najłatwiejszy do zredukowania podczas projektowania samolotu. Rozwiązaniem jest opływanie tak wielu części, jak to tylko możliwe.

Uciąg zakłócający

Uciąg zakłócający pochodzi z przecięcia strumieni powietrza, które tworzą prądy wirowe, turbulencje lub ograniczają gładki przepływ powietrza. Na przykład, przecięcie skrzydła i kadłuba u nasady skrzydła ma znaczny opór interferencyjny. Powietrze przepływające wokół kadłuba zderza się z powietrzem przepływającym nad skrzydłem, łącząc się w prąd powietrza różny od dwóch pierwotnych prądów. Największy opór interferencyjny jest obserwowany, gdy dwie powierzchnie stykają się pod prostopadłymi kątami. Owiewki są stosowane w celu zmniejszenia tej tendencji. Jeśli myśliwiec odrzutowy posiada dwa identyczne zbiorniki skrzydłowe, całkowity opór jest większy niż suma poszczególnych zbiorników, ponieważ oba z nich tworzą i generują opór interferencyjny. Owiewki i odległość pomiędzy powierzchniami nośnymi a elementami zewnętrznymi (takimi jak anteny radarowe zawieszone na skrzydłach) zmniejszają opór interferencyjny.

Skórkowy opór cierny

Skórkowy opór cierny to opór aerodynamiczny spowodowany kontaktem poruszającego się powietrza z powierzchnią samolotu. Każda powierzchnia, bez względu na to jak pozornie gładka, ma chropowatą, poszarpaną powierzchnię, gdy patrzy się na nią pod mikroskopem. Cząsteczki powietrza, które mają bezpośredni kontakt z powierzchnią skrzydła, są praktycznie nieruchome. Każda warstwa cząsteczek nad powierzchnią porusza się nieco szybciej, aż do momentu, gdy cząsteczki poruszają się z prędkością powietrza opływającego samolot. Prędkość ta nazywana jest prędkością swobodnego strumienia. Obszar pomiędzy skrzydłem a poziomem prędkości swobodnego strumienia jest mniej więcej tak szeroki jak karta do gry i nazywany jest warstwą graniczną. W górnej części warstwy granicznej molekuły zwiększają prędkość i poruszają się z taką samą prędkością jak molekuły poza warstwą graniczną. Rzeczywista prędkość, z jaką poruszają się cząsteczki, zależy od kształtu skrzydła, lepkości (kleistości) powietrza, przez które porusza się skrzydło lub profil lotniczy, oraz jego ściśliwości (jak bardzo może być zagęszczone).

Przepływ powietrza poza warstwą graniczną reaguje na kształt krawędzi warstwy granicznej tak samo jak na fizyczną powierzchnię obiektu. Warstwa graniczna nadaje każdemu obiektowi „efektywny” kształt, który zazwyczaj nieznacznie różni się od kształtu fizycznego. Warstwa graniczna może również oddzielić się od ciała, tworząc w ten sposób efektywny kształt znacznie różniący się od fizycznego kształtu obiektu. Ta zmiana w fizycznym kształcie warstwy granicznej powoduje dramatyczny spadek siły nośnej i wzrost oporu. Aby zmniejszyć efekt oporu wynikającego z tarcia o skórę, projektanci samolotów stosują nity zlicowane i usuwają wszelkie nierówności, które mogą wystawać ponad powierzchnię skrzydła. Ponadto, gładkie i błyszczące wykończenie pomaga w przechodzeniu powietrza przez powierzchnię skrzydła. Ponieważ brud na samolocie zakłóca swobodny przepływ powietrza i zwiększa opór, utrzymuj powierzchnie samolotu czyste i nawoskowane.

Opór indukowany

Drugim podstawowym rodzajem oporu jest opór indukowany. Jest to ustalony fakt fizyczny, że żaden system, który wykonuje pracę w sensie mechanicznym nie może być w 100 procentach wydajny. Oznacza to, że niezależnie od natury systemu, wymagana praca jest uzyskiwana kosztem pewnej dodatkowej pracy, która jest rozpraszana lub tracona w systemie. Im bardziej wydajny system, tym mniejsza jest ta strata.

W locie poziomym, właściwości aerodynamiczne skrzydła lub wirnika wytwarzają wymaganą siłę nośną, ale można ją uzyskać tylko kosztem pewnej kary. Nazwa nadana tej karze to opór indukowany. Opór indukowany jest nieodłączny zawsze, gdy profil aerodynamiczny wytwarza siłę nośną i w rzeczywistości ten rodzaj oporu jest nierozerwalnie związany z wytwarzaniem siły nośnej. W konsekwencji jest on zawsze obecny, gdy wytwarzana jest siła nośna.

Powierzchnia aerodynamiczna (skrzydło lub łopatka wirnika) wytwarza siłę nośną, wykorzystując energię swobodnego strumienia powietrza. Gdy profil wytwarza siłę nośną, ciśnienie na jego dolnej powierzchni jest większe niż na górnej (Zasada Bernoulliego). W rezultacie, powietrze ma tendencję do przepływu z obszaru wysokiego ciśnienia poniżej końcówki do obszaru niskiego ciśnienia na górnej powierzchni. W pobliżu końcówek istnieje tendencja do wyrównywania się tych ciśnień, co skutkuje przepływem bocznym na zewnątrz od spodu do górnej powierzchni. Ten boczny przepływ nadaje powietrzu na końcówkach prędkość obrotową, tworząc wiry, które ciągną się za profilem.

Gdy samolot jest widziany od strony ogona, wiry te krążą przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół prawej końcówki i zgodnie z ruchem wskazówek zegara wokół lewej końcówki. Gdy powietrze (i wiry) odwijają się od grzbietu skrzydła, kierują się w dół, co nazywane jest odchyleniem w dół. Rysunek 5-10 pokazuje różnicę w sile ciągu na wysokości i przy ziemi. Pamiętając o kierunku obrotu tych wirów, można zauważyć, że wywołują one strumień powietrza w górę za końcówką i strumień w dół za krawędzią spływu skrzydła. Ten indukowany opływ nie ma nic wspólnego z opływem, który jest niezbędny do wytworzenia siły nośnej. W rzeczywistości jest to źródło oporu indukowanego.

Odmuchy kierują wiatr względny w dół, więc im więcej odmy mamy, tym bardziej wiatr względny kieruje się w dół. Jest to ważne z jednego bardzo ważnego powodu: siła nośna jest zawsze prostopadła do wiatru względnego. Na rysunku 5-11 widać, że przy mniejszym uskoku wektor siły nośnej jest bardziej pionowy, przeciwstawiając się grawitacji. Natomiast przy większym uskoku wektor siły nośnej skierowany jest bardziej do tyłu, co powoduje opór indukowany. Na dodatek skrzydła potrzebują energii, aby wytworzyć opór powietrza i wiry, a ta energia powoduje opór powietrza.

Im większy jest rozmiar i siła wirów, a w konsekwencji składowa oporu powietrza w dół w stosunku do przepływu netto nad profilem, tym większy jest efekt oporu indukowanego. Ta składowa opływu nad górną częścią profilu na końcówce ma taki sam efekt jak zagięcie wektora siły nośnej do tyłu; dlatego siła nośna jest nieco za rufą w stosunku do prostopadłej do wiatru względnego, tworząc składową siły nośnej do tyłu. Jest to opór indukowany.

Aby wytworzyć większe podciśnienie na wierzchołku profilu lotniczego, profil ten może być nachylony do większego AOA. Gdyby AOA symetrycznego profilu lotniczego wynosiła zero, nie byłoby różnicy ciśnień, a w konsekwencji nie byłoby składowej opływu i nie byłoby oporu indukowanego. W każdym razie, wraz ze wzrostem AOA, opór indukowany rośnie proporcjonalnie. Mówiąc inaczej – im mniejsza prędkość lotu, tym większe AOA wymagane do wytworzenia siły nośnej równej masie samolotu, a zatem tym większy opór indukowany. Wielkość oporu indukowanego zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości lotu.

Odwrotnie, opór pasożytniczy zwiększa się jako kwadrat prędkości lotu. Zatem w stanie ustalonym, gdy prędkość lotu maleje do prędkości bliskiej prędkości przeciągnięcia, całkowity opór staje się większy, głównie z powodu gwałtownego wzrostu oporu indukowanego. Podobnie, gdy samolot osiąga prędkość, której nigdy nie przekroczy (VNE), całkowity opór gwałtownie wzrasta z powodu gwałtownego wzrostu oporu pasożytniczego. Jak widać na rysunku 5-6, przy pewnej określonej prędkości lotu całkowity opór jest minimalny. Przy określaniu maksymalnego zasięgu samolotu, ciąg wymagany do pokonania oporu jest minimalny, jeśli opór jest minimalny. Minimalna moc i maksymalna wytrzymałość występują w innym punkcie.

Flight Literacy Poleca

Rod Machado’s Private Pilot Handbook -Flight Literacy poleca produkty Roda Machado, ponieważ bierze on to, co normalnie jest suche i nużące i przekształca to z charakterystycznym dla siebie humorem, pomagając utrzymać zaangażowanie i dłużej zachować informacje. (zobacz wszystkie produkty Roda Machado).