De kracht van de lift kan berekend worden met de volgende formule:
Vliegtuigen zijn behoorlijk zwaar. Toch zijn ze in staat om te vliegen. Hoe kan dat? Voor die vraag hebben menige wetenschappers gestaan.
Orville en Wilbur Wright, in actie!
Een vliegtuig kan vliegen doordat er lucht over en onder de vleugel langs stroomt. Als de vleugel van boven bol en van onder vlak is, dan moet de lucht bovenlangs een grotere afstand afleggen dan onderlangs. Hierdoor ontstaat aan de bovenkant van de vleugel een onderdruk die de opwaartse kracht veroorzaakt, de zogenaamde lift of draagkracht. Deze lift compenseert het gewicht (als gevolg van de zwaartekracht) van het vliegtuig. Zolang het vliegtuig snel genoeg gaat, blijft het in de lucht. De kracht van de lift kan berekend worden met de volgende formule: (Klik op de foto rechts)
FL – staat voor Lift
CL – staat voor de Liftcoëfficiënt (dimensieloos)
p – staat voor de dichtheid van lucht (in 0,35 kg/m3 op 10 km hoogte)
V – staat voor de luchtsnelheid (in m/s) ten opzichte van de vleugel
A – staat voor het vleugeloppervlak (in m2)
De liftcoëfficiënt hangt af van de eigenschappen van het vleugelprofiel en van de invalshoek. Ook hoe groter de invalshoek, hoe groter de liftkracht en hoe groter het vleugeloppervlak of de snelheid is, hoe groter de lift is. Als een vliegtuig gaat landen, moet het langzamer gaan vliegen. Daardoor neemt de liftkracht sterk af (2 x zo langzaam, 4 keer minder lift, want kwadraat!), terwijl het gewicht vrijwel gelijk blijft. Een beetje minder lift is gewenst omdat het vliegtuig naar beneden moet, maar om te voorkomen dat het vliegtuig neerstort, moet de lift ondanks de lagere snelheid toch ongeveer gelijk blijven. Dit kan op twee manieren: de invalshoek vergroten door met de neus iets omhoog rechtuit te vliegen, of door de vleugelvorm sterker te krommen.
Daarom moet een vliegtuig voor het landen eerst langzaam vliegend met de neus omhoog aanvliegen. Om nog langzamer te kunnen vliegen, steekt hij zijn welvingskleppen uit waardoor het vleugeloppervlak krommer en groter wordt en dus de liftcoëfficiënt weer toeneemt. Zo behoudt het vliegtuig bij dalende snelheid een liftkracht die gelijk is aan zijn gewicht. De schuine stand en de welvingskleppen zorgen wel voor veel meer luchtweerstand. Deze moet gecompenseerd worden met een hogere stuwkracht van de motor. Hoe langzamer het vliegtuig vliegt, hoe boller en schuiner de vleugel moet staan, hoe meer vliegweerstand er is en hoe harder de motor moet draaien. (Rijden kost daarentegen minder energie naarmate de snelheid lager is.)
De luchtdichtheid heeft ook invloed op het opstijgen en landen op een hoogvlakte of bij hitte, en op de lengte van de start en landingsbaan. Op grote hoogte of bij grote hitte is de lucht veel ijler en heeft het vliegtuig een veel langere startbaan nodig om zo snel kunnen te rijden, dat de liftkracht groter is dan het gewicht. Op het einde van de startbaan overigens gooit de piloot met het staartvlak de neus omhoog waardoor de lift op de vleugel met de hoek ook omhoog vliegt. Die enorme lifttoename is nodig om het gigantische gewicht van het vliegtuig opgang en zo omhoog te krijgen.
De stroming langs een vleugel zal in het eerste geval laminair zijn. Dat betekent dat de lucht keurig in laagjes langs het vleugeloppervlak stroomt. Hoe dichter op de vleugel, hoe langzamer (gemeten vanaf de vleugel) de lucht in het laagje beweegt. Deze vorm van stroming levert de kleinste profielweerstand op. Om met minimale weerstand te kunnen vliegen en dus grote afstanden af te kunnen leggen hebben bijvoorbeeld zweefvliegtuigen een laminair profiel.
Maar laminaire stroming kan omslaan in een turbulente stroming, een stroming waarbij de meeste deeltjes wel dezelfde kant op gaan, maar ook in alle mogelijke richtingen bewegen. Bij turbulente stroming is de weerstand veel groter dan bij laminaire stroming, omdat bij turbulentie de lucht wild mengt en op die manier, vanaf de grond gemeten, veel meer stilstaande luchtdeeltjes op de bewegende vleugel laat botsen dan bij laminaire stroming. Deze remmen dus de vleugel sterker af. Het wel of niet hebben van een turbulente stroming rond een vleugel heeft niets te maken met wat in de volksmond turbulentie wordt genoemd. Dit is namelijk het vliegen door instabiele en dus turbulente lucht en is een meteorologisch verschijnsel.
Vooral bij relatief lage snelheden en hoge invalshoeken kan een stroming op een bepaald moment het profiel niet meer volgen. De stroming laat dan los wat een kolkende stroming boven/achter de schuinstaande vleugel veroorzaakt. De kolkende stroming verlaagt de stroomsnelheid over de vleugel en verlaagt zo de onderdruk boven de vleugel. De vleugel verliest dus lift. We hebben het in zo’n geval over een overtrokken vleugel. Een overtrokken vleugel geeft nauwelijks nog lift en veroorzaakt relatief grote weerstand. Een vliegtuig dat overtrokken raakt, zal veel snelheid en hoogte verliezen. Dat heet een overtrokken vlucht. Meestal overtrekt één vleugel als eerste en dan “valt” die vleugel als eerste omlaag weg en kan het vliegtuig in een tolvlucht raken.
Belangrijk om te weten, is dat een licht turbulente, maar niet losgelaten stroming minder snel loslaat dan een laminaire stroming. Daarom zijn de meeste vliegtuigvleugels turbulente profielen of voorzien van verstoorders. Deze veroorzaken dan een turbulente stroming. Dit zijn de kleine vinnetjes die je meestal bovenvoor op de vleugel ziet zitten. Hierdoor wordt het moment waarop het vliegtuig overtrekt uitgesteld.
Een andere manier om een overtrokken vlucht te voorkomen, is een kleinere invalshoek van het staartvlak waardoor deze niet als eerste overtrekt en het vliegtuig in een voorwaartse duik omlaag “duwt”. Hierdoor is tevens een stabiele vlucht mogelijk. Na een overtrokken vlucht kan in de duikvlucht snelheid worden opgepikt om een normale vlucht te kunnen voortzetten. Onder normale omstandigheden en bij voldoende hoogte hoeft het overtrekken geen probleem op te leveren. Bij een vliegtuig zonder dragende vleugels die voldoende lift leveren zoals bij de Starfighter ligt dat anders.
De overtreksnelheid is voor elk vliegtuig anders en wordt mede beïnvloed door de lading, de verdeling van de lading en de conditie van de vleugels. Dit alles moesten de gebroeders Wright door trial en error leren.
Bron: aviationhistory.info
Bron plaatje: http://aviationhistory.info/
Bron: Wikipedia
Bron plaatje (formule): Wikipedia
Jan Noorman