Siła nośna na płaskiej powierzchni

Czemu kawał aluminium potrafi latać? Czemu deski potrafią latać? Czemu latają ptaki?
Aby coś wzbiło się w powietrze i dało radę latać musi mieć do tego siłę. Siła ta nazywa się siłą nośną i powstaje dzięki pędowi ośrodka, w którym się znajduje lub dzięki własnemu pędowi w tym ośrodku. Może jaśniej będzie na przykładzie. Latawiec lata bo jest wiatr (czyli porusza się ośrodek), a samolot leci bo porusza się w ośrodku. Sam pęd w zasadzie wystarczy, ale żeby siła była większa robi się małą sztuczkę. Może po kolei.
Zwykła sztywna tekturka może wznieść się w powietrze kiedy odpowiednio ją ustawimy i kiedy spełniony będzie warunek pędu.

Na obrazku nr 1 widać kartkę papieru (tekturkę) ustawioną równolegle do linii wiatru. Chyba każdy kiedyś trzymał kartkę na wietrze i wie jak ta się zachowuje.
Jeżeli ustawimy ją tak jak na obrazku w zasadzie nic się nie dzieje. Papier nie ma w tej pozycji ani chęci by polecieć wyżej ani żeby spadać niżej. Pomijam na razie fakt, że tak ustawiony miękki papier ma tendencję do machania tyłem (o tym zjawisku ciut dalej). Na razie zapamiętajmy tylko tyle, że powietrze opływa papierek bez żadnych problemów.

Jeżeli zmienimy ustawienie karteczki tak jak na rys 2, to zauważymy, że kartka ma tendencję do poruszania się w kirunku, w którym ją ustawiliśmy względem wiatru (pod warunkiem, że jest sztywna na całej długości inaczej będzie machać ogonkiem {a czemu poczytasz niżej), na razie zakładamy, że kartka jest idealnie sztywna). W takiej sytuacji jak na rysunku kartka "chce" polecieć ku górze. Dzieje się tak dlatego, że ośrodek oddziałuje na powierzchnię siłą pędu co w efekcie daje zwiększone ciśnienie na stronie powierzchni , która przyjmuje na siebie tę siłę (u nas to jest dół kartki). Ale czemu kartka chce lecieć? Przyjrzyjmy się rysunkowi, jest tam znak zapytania. Narysowałem tak ponieważ w tym miejscu też musi się coś dziać. Skoro na dole powietrze jest uginane przez powierzchnię to co dzieje się na górze. Przecież tam nic nie stawia oporu więc powietrze powinno płynąć tak jak płynęło przed napotkaniem przeszkody. I prawie tak się dzieje. Z tą tylko różnicą, że powietrze za krawędzią natarcia kartki tworzy zawirowania. Wiatr zostaje wybity ze swojego toru i zakręca na powierzchni karteczki. Zawirowania te muszą pokonać drogę dłuższą niż wiatr od dołu.

Wiemy, że wir stara sie wciągnąć do swojego środka obiekty znajdujące się w jego zasięgu, tak jak wciągają torebkę herbaty do środka szklanki gdy energicznie mieszamy wodę z cukrem. Tak samo tutaj próbuje wciągnąć powierzchnię kartki w swoje centrum. Ta siła jest niewielka dla pojedynczego zawirowania ale dla kilkudziesięciu lub kilkuset jest już znaczna a tym większa im większa prędkość przepływu. Dodatkowo dochodzi nam parcie od dołu co jeszcze zwiększa siłę wypychającą kartkę do góry.

Tak po krótce można wyjaśnić czemu kartka "chce" latać.

Miałem jeszcze wyjaśnić zjawisko łopotania końcówki kartki gdy trzyma się ją równolegle do linii wiatru.

Ponieważ kartka nie jest nieskończenie cienka, a jest duużo grubsza od cząsteczek powietrza, to jej krawędź natarcia też wprowadza turbulencje (to te wirki na powierzchni) w przepływie tym większe im przeszkoda dłuższa. Ponieważ cząsteczki na górze i na dole nie zachowują się identycznie im dalej od krawędzi natarcia tym ta różnica większa a skoro jest różnica to jakoś powstające "dziury" trzeba zapchać. Jeżeli powierzchnia (nasza kartka) jest giętka to pod wpływem różnicy ciśnień zacznie drgać. I będzie tak drgać tym bardziej im prędkość przepływu będzie większa. W skrajnych przypadkach różnice ciśnień potrafią porwać krawędź spływu Nie wierzysz? Przyjrzyj się flagom reklamowym w wietrzny dzień. Na niektórych widać długie działanie wiatru i podarte końcówki.


Siła nośna na powierzchni zakrzywionej


Troszkę inaczej, rzecz ma się na powierzchni zakrzywionej z jednej strony. obrazek przedstawia przekrój skrzydła samolotu.

Tak jak poprzednio wiatr napotyka na krawędź natarcia i zostaje na niej podzielony na dwie oddzielne strugi. Pierwsza struga, załóżmy, że dolna przepływa sobie prawie tak jakby przeszkody nie było. Prawie, bo w rzeczywistości tak jak na powierzchni równoległej kartki i tutaj powstają drobne zawirowania. Pomijamy ten fakt i przyjmujemy, że powietrze płynie tak jak płynęło.

Druga struga (górna) też musi opłynąć skrzydło ale zostaje przez nie wybrzuszona. Powietrze na wybrzuszeniu musi poruszać się szybciej żeby pokonać taką samą drogę co strumień na dole. Przyspieszony przepływ musi się czymś rekompensować i w tym przypadku jest to spadek ciśnienia. A skoro ciśnienie górnej strugi jest mniejsze niż dolnej to dolna "pcha" skrzydło w kierunku mniejszego ciśnienia czyli do góry. Od profilu skrzydła zależy jak ta siła będzie duża i tu kłania się wyższa matematyka. Chętnych do poznania dokładnych zjawisk powstawania siły nośnej zachęcam do poszukiwania w internecie ale ostrzegam, że dalsze zagłębianie się w temat bardzo mocno opiera się na matematyce wyższej i na równaniach całkowych i różniczkowych ;)