Nostovoima
Nostovoima on lentolaitetta ilmassa kannatteleva voima. Nostovoiman synnystä käydään silloin tällöin pitkiä keskusteluja, mutta aihe on aika hyvin tutkittua ja tunnettua aerodynamiikan ja virtausoppineiden piirissä.
Alla alla kaksi selkeää ja kiistämätöntä lähtökohtaa matkalle nostovoiman saloihin tutustumisessa.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Lähtökohta 1: Ilma kannattelee lentokonetta / helikopteria
Lentokoneeseen pitää kohdistua voima, jolla ilma pitää sitä ylhäällä. Lentokone puolestaan painaa tukeansa (ilmaa) alas samalla voimalla. Nämä ovat aika kiistattomia asioita niin kauan kuin uskotaan, että lentokone on ilmassa ilman varassa (eikä vaikkapa maan magneettikentän varassa.)
Jotta mikä tahansa ilmaa raskaampi esine pysyisi ilman varassa ilmassa, sen *pitää* kiihdyttää ilmamassaa alaspäin, jotta ylipäätään syntyy kannattavaa voimaa. Jos näin ei tapahdu, esine ei yksinkertaiseti ole ilmassa ilman varassa, vaan jonkun muun tuen varassa.
Yllä oleva on nostovoima "kauempaa katsottuna". Tunnetaan myös Newtonin voiman ja vastavoiman lakina.
[muokkaa] Lähtökohta 2: Siivet kannattelevat lentokonetta / roottorin lavat helikopteria
Siivet ovat päävastuussa lentokoneen kannattelusta - niinpä ilma kohdistaa siipiin voiman, joka kannattelee konetta. Paine puolestaan on yksinkertaisesti voima jakaantuneena pinnalle. Siiven ylä- ja alapinnan välillä pitää olla paine-ero, joka tuottaa konetta kannattelevan voiman.
Yläpinnan alipaineen ja alapinnan ylipaineen suhteet ovat riippuvaisia ainakin siipiprofiilista, kohtauskulmasta ja Re luvusta. Reynoldin luku pitää sisällään mm. lennokin nopeuden ja siten tarkoittaa sitä, ilmamassa virtaa siiven yli.
Näistä on olemassa runsaasti tutkimustietoa ja laskentamalleja. Esierkiksi Profili ohjelmasta voi suoraan katsella animaatiota siitä, miten paine-ero jakaantuu eri kohtauskulmilla (X-foil laskennan perusteella).
[muokkaa] Lisäsyvyyttä
Tarkasteltaessa nostovoiman syntymekaniikkaa tarkemmin, pitää edetä fluidin mekaniikan alueelle. Nostovoiman syntymekaniikka sisältää siis asiat, jotka aiheuttavat paine-eron sekä ilmamassan kiihdyttämisen alaspäin. Täältä löytyy useita teorioita, jotka kaikki kykenevät selittämään asiaa joltakin näkökannalta. Näistä muutamina merkittävimpinä 1) Bernoullin laki fluidin nopeuden suhteesta paineeseen, 2) Sirkulaatiomalli, jolla selitetään siiven ylä- ja alapuolen nopeusero, kärkipyörteet, johtoreunan patopisteen paikka, ym.
On muistettava, että nämä teoriat ja mallit eivät esiinny siivessä eristyksissä toisistaan tai tärkeydestä kilpaillen, vaan ovat palasina selittämässä yhtä ilmiötä, joka loppupeleissä kannattelee konetta ilmassa.
[muokkaa] Kinastelua
Yllä olevat kaksi lähtökohtaa ovat aika selkeitä ja niiden totuudesta lienee yksimielisyys. Samoin voidaan sanoa, että Bernoullin lait pätevät, samoin kuin Newtoninkin - erityisesti kun ollaan liikkeellä hiljaisilla nopeuksilla: alle Mach 0.3 ja reippaasti alle valon nopeudessa.
Epäselvää - tai ainakin kinastelua aiheuttaakin sitten kysymykset siitä, mikä on syy ja mikä on seuraus: aiheutuuko alastaite (=ilmamassan kiihtyminen alaspäin) Bernoullin tekosista, vaiko toisinpäin. Pitäisikö siiven yläpinnalle syntyvä alipaine selittää Bernoullilla siten, että (sirkulaatio ja) virtauksen nopeutuminen aiheuttavat alipaineen, vaiko niinpäin, että kohtauskulma (tai keskeiskiihtyvyys) aiheuttaa alastaitteen ja alipaineen, joilloin bernoullin lakien mukaan virtauksen on pakko kiihtyä nopeammaksi. Huomaa, että Bernoullin laki pysyy kyllä voimassa koko ajan ja molemmissa tapauksissa. Siitä ei ole epäselvyyttä.
Akateemisesti mielenkiintoista, mutta ihanan yhdentekevää lennokin rakentamisessa ja lennättämisessä.
[muokkaa] Väärinkäsityksiä
Monet lähteet (mukaanlukien jotkin tietosanakirjat ja fysiikan oppikirjat!!) soveltavat Bernoullin lakia lentokoneen siipeen siten, että ilman pitäisi kulkea samassa ajassa sekä siiven yläpinnan, että alapinnan ohi. Tämä on täyttä puppua ja on luultavsti syypäänä moniin sekaannuksiin nostovoimakeskusteluissa. Ennen siipeä vierekkäin kulkeneet kaasumolekyylit eivät muista siiven eri puolella kulkiesaan, kenen kaverina olivat ennen siipeä. (Jos muistaisivat, meillä olisi edessämme kukaties uusi perusvoima ja fyysikoille tulis kiire päivittää hyvin fundametaaleja teorioita...) Itse asiassa siiven yläpuolella (tässä yhteydessä: noston puolella) oleva ilma kulkee siiven yli aina lyhyemmässä ajassa kuin alapuolella oleva ilma. Kaverit joutuvat erilleen kulkiessaan eri puolella siipeä.
