Aerodinamikai alapfogalmak, alaptételek:

Légnyomás:

A levegő nyomását Torricelli fedezte föl. A légnyomás nem más, mint a fent elhelyezkedő levegő nyomása az alsóbb rétegekben lévőkre (ezt hívják statikus nyomásnak). Tehát minél feljebb megyünk, a levegő annál "hígabb" (azonos térfogatban a súlya kevesebb), a nyomása csökken. Egyezményes érték, hogy a légnyomás a tengerszinten 1013,25 milibar. Az időjárástól függően ez természetesen lehet több, illetve kevesebb, de a szabványok kialakításánál, kalibrációnál ezt az értéket veszik alapnak.

A légnyomás mérését a repülésben a szelencés nyomásmérőkkel végzik, de erről a műszertan részben bővebben beszélek.
A föld légrétegét különböző magasságokhoz különböző nevekkel illették:

• 0-10 km magasságig - Troposzféra (Az időjárási folyamatok itt zajlanak)
• 10-40 km magasságig - Sztratoszféra
• 40 km fölött - Ionoszféra

Légnyomási fogalmak, törvények:
Torlónyomás: A levegő ellenállása, amely függ a levegő sűrűségétől, a levegő sebességétől és a test felületétől. Ez a repülőgép légellenállásának nagy részét adja.

Folytonosság törvénye: Ha veszünk egy csövet, megnézzük a keresztmetszetét, és lemérjük a benne áramló levegő (de lehet folyadék is) sebességét, majd ezt megismételjük különböző keresztmetszeteknél (de ugyanannál a csőnél), azt tapasztaljuk, hogy a keresztmetszet és a sebesség szorzata mindig egyenlő. Vagyis ha befogod a slag végét (csökkented a keresztmetszetet), akkor a benne áramló közeg sebessége nő (messzebbre locsolsz).

Bernoulli törvénye: A törvény úgy szól: ha a sebesség növekedik, a nyomás csökken, méghozzá úgy, hogy a szorzatuk mindig egyenlő. Régi típusú parfümfújó is ezen az elven működik, sőt a kompresszoros makettfesték-szóró is. Nagy sebességgel elfújsz egy tartály teteje fölött, akkor az kiszívja a benne lévő anyagot, levegőt.


A levegő áramlása:
Lamináris áramlásban a közegrészecskék rendezetten haladnak egymás mellett anélkül, hogy a szomszédos rétegek összekeverednének.
Turbulens áramlásban a közeg részecskéi rendezetlenül haladnak, és a szomszédos rétegek összekeverednek.
Örvénylő áramlásban az áramlás részecskéi rendezetlenül haladnak, és szembefordulnak az áramlással. Ekkor a légellenállás ugrásszerűen megnő.
a: b: c:

Felhajtóerő kialakulása a statikus és a dinamikus repülésnél

Statikus repülés: Egy test körül áramló másik közeg nyomásának vektoriális összege nagyobb, mint a test súlya, akkor a test igyekszik a közeg fölé kerülni (Archimédesz törvénye). Pl. a hőlégballon levegőjét felmelegítve az kitágul, könnyebb lesz, így ha a "kiszorított" levegő súlya több mint a hőlégballon teljes súlya, akkor a hőlégballon felfelé száll. Ugyanez igaz a lufira is, csak ott a gáz fajtájával ügyeskednek, nem a hőmérsékletével).


Dinamikus repülés (repülőgépek, helikopterek): A Bernouli törvényen alapul. Ha megnézzük az oldalsó ábrát, láthatjuk, hogy a szárny felső felülete nagyobb (ahol a kék felülettel érintkezik), mint az alsó. Ha ez a szárny repül, akkor az áramlás kénytelen "megkerülni". Mivel a szárny felületei eltérő méretűek (és a levegőrétegek nem tudnak "elcsúszni" egymásról) a felső levegő sebességének nagyobbnak kell lennie, mint az alsónak. A Bernouli törvényben leírtuk, hogy a sebesség növekedésével a nyomás csökken, tehát a szárny felső felületén szívás keletkezik, a szárny alsó felületén nyomás. A közhiedelemmel ellentétben a szárny felső részén keletkező erő a nagyobb, tehát a repülőgép inkább egy "vákuumon lóg", nem pedig egy "levegőrétegen felfekszik" repülés közben. Egy szárny akkor jó, ha ésszerű sebességi határok között képes akkora felhajtóerőt fejleszteni, ami elbírja az egész gépet.


A felhajtóerő: képlete a következő:

Ebben a F_y maga a felhajtóerő. Amint látható, ez függ:

• a levegő sűrűségétől (ρ - ró)
• a levegő sebességének négyzetétől (v²)
• a C_y értéktől, ami egy katalógusadat, a szárnyprofilra vonatkozik. (Az ívelővel és az orrsegéd szárnnyal ezt a C_y-t módisítom).
• valamint a szárny felületétől (A). Lehet számolgatni, hogy mi lesz, ha a sebességet csökkentem, vagy ha magasabbra megyek…

Állásszög:
A szárnyon a felhajtóerőt többféle módon szabályozhatjuk (nem csak a sebességgel). Ennek egyik módja az állásszög változtatása.
Nagyon fontos: Nem a vízszintestől való eltérést, hanem az áramlástól való eltérést kell figyelni. Tehát ha ezerrel megy fölfelé egy repülőgép, annak nem lesz nagy állásszöge, mert –bár meredeken emelkedik- a szárnya körül a levegő a törzzsel - megközelítően - párhuzamosan halad.


Most nézzük a fenti ábrát. Ha egy teljesen sík lapot (nem szárnyat) pontosan áramlással párhuzamosan helyezünk el, akkor nincs rajta felhajtóerő, viszont kicsi a légellenállása is. Elkezdjük a lapot elfordítani, akkor a levegő "alákap", és felhajtóerő keletkezik rajta. Ez a felhajtóerő egy ideig növekszik (miközben fordítjuk a lapot), elér egy maximumot, majd hirtelen, a kritikus állásszög elérése után csökken (átesik a lap), majd a függőleges helyzetet elérve a felhajtóerő megszűnik (viszont a kiindulási helyzettől eltérően a légellenállás nagyon nagy, mivel az végig, a folyamat alatt emelkedett).

Amit ide besraffozott téglalapként felrajzoltunk, azt a szárnyba is belerajzolhatnánk a belépő és a kilépő él közé, és ezzel vizsgálhatjuk a szárny állásszögét és felhajtóerejét. Ha lenyitom az ívelőlapot, akkor tulajdonképpen a szárny állásszögét növelem, mert a kilépő él lejjebb kerül, és a belépő és kilépő él közé húzott képzeletbeli egyenesnek az áramlással bezárt szöge növekedik. Tehát növekedik a felhajtóerő (vagyis csökken az a minimális sebesség, aminél a szárny még elbírja a gépet, így könnyebb leszállni).

Légellenállás (fajtái, kialakulásuk, csökkentésük):

A repülőgépnek többféle légellenállása van. Némelyiket szándékosan idézzük elő (fékszárny, féklap, ívelőlap), némelyiket nem. Most a nem szándékosakkal foglalkozunk, az ívelőlappal majd a szerkezettan részben.
Az első az a légellenállás, ami a levegő torlónyomása miatt keletkezik a repülőgépen. Ezért próbálják a szemből látható sziluettet minél kisebbre alakítani. Ez a légellenállás igen jelentős is lehet (ha vastag a szárny), de nem az egyedüli.


Légellenállást növeli az un. indukált ellenállás. Ez tulajdonképpen a szárnyvég körül alakul ki, ahol a szárny feletti alacsonynyomású levegő, és a szárny alatti magasnyomású levegő ki akar egyenlítődni. Ez a repülőgép előrehaladása miatt örvényorsót hoz létre a szárnyvégen, ami igenjelentős légellenállási tényező. Védekezni ellene többféle módon lehet. Az egyik az, hogy a szárnyvégen lerontják a felhajtóerőt, és így kisebb lesz ott a nyomáskülönbség. A legjellemzőbb: a szárnyvég lekerekítése (pl. a Supermarine Spitfire-nél). A másik megoldás, hogy a szárnyvégre tesznek akadályt a kiegyenlítődés ellen. Ilyen pl. a baloldali képen látható B-747 szárnyvég, ahol felhajtják azt (közben ereszti az üzemanyagot, de az nem tartozik most ide). Tehát a Messzer 109 E szárnykiképzése nem a legjobb.


Ennél a képsorozatnál nagyon jól látni, hogy mennyire megkavarja a levegőt az indukált ellenállás, ezt az energiát a repülőgép előrehaladásától veszi el.


Az interferencia ellenállás. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy az egyébként lamináris áramlásokat valami külső zavar megzavarja (két közeli sík felület, egy kiálló dúc), ekkor azok turbulensek lesznek, és növelik a légellenállást. Tehát egy merevítő dúcnál nem csak magát a merevítés légellenállását kell számolni, hanem az egész repülőgépre nézve a zavaró hatásait is, vagy van a diffuzor hatás, ami miatt a szárny kilépőéle és a törzs csatlakozásánál, a hirtelen kitáguló térben lamináris áramlás turbulens lesz, és leválik, ami szintén káros.



Vannak még "egyéb" zavaró tényezők (pölö a kormánymozgatás), de azok hatása elenyésző az itt említettekhez képest.

Szárnyra ható erők:

Most, hogy ismerjük a felhajtóerőt és a légellenállást, felrajzolhatjuk, hogy a szárnyra milyen erők hatnak repülés közben:

F_y: felhajtóerő
F_x: légellenállás
F_l: eredő légerő, ami a valóságos fönntartó erőt jelenti. A légellenállás ugyanis rontja a felhajtóerőt, de nem kivonni kell belőle, csak a vektorát tolja el (ez fogja vissza, lassítja a gépet).