T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 1 / 13
Siła nośna skrzydła samolotu
Siła nośna działa np. na skrzydła i usterzenie samolotu, łopaty śmigła lub wirnika śmigłowca.
Ilustracja pojęcia siły nośnej na przykładzie przekroju skrzydła samolotu
Siła nośna jest składową siły aerodynamicznej powstającą przy ruchu ciała w względem płynu,
prostopadłą do kierunku ruchu.
Siła nośna jest wywołana dwoma zjawiskami, których działanie sumuje się:
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 2 / 13
1. Pierwszy składnik jest to siła będąca bezpośrednio wynikiem działania ciśnień, występujących na
powierzchni ciała.
Górna strona skrzydła ma większą wypukłość niż dolna. Stąd cząsteczki powietrza płynące wokół
górnej powierzchni doznają przewężenia. Zgodnie z prawem Bernouliego:
wywołuje to spadek ciśnienia nad skrzydłem i siłę nośną.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 3 / 13
2. Drugi składnik – siła nośna powstaje gdy ciało poruszające się względem płynu zmienia pęd
otaczającego to ciało płynu w kierunku prostopadłym do tego ruchu.
Przy dodatnim kącie natarcia skrzydła linie prądu powietrza w strefie oddziaływania skrzydła
odchylane są do dołu; skrzydło oddziałuje na powietrze siłą skierowaną do dołu, a powietrze na
zasadzie reakcji działa na skrzydło siłą skierowaną do góry, tworząc na powierzchni skrzydła siłę
nośną.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 4 / 13
Siłę nośną określa wzór:
gdzie:
P
z
– wytworzona siła nośna (kG)
C
z
ρ – gęstość płynu (powietrze na poziomie morza 1.225 kg/m
3
)
S – powierzchnia skrzydła (m²)
V – prędkość ciała względem płynu (m/s)
Dla większości profili przy niezbyt dużych kątach natarcia α, poniżej 0,25 radiana (około 15°),
współczynnik siły nośnej można wyrazić wzorem:
C
z
= 2m(α − α
0
)
gdzie:
m - współczynnik zależny tylko od kształtu profilu, dla profili lotniczych wynoszący około 3,
α - kąt natarcia
α
0
-kąt natarcia, dla którego siła nośna jest równa zero.
Maksymalne wartości współczynnika C
z
osiągają 1,4-1,7.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 5 / 13
Wpływ kąta natarcia
Kąt natarcia
Wykres współczynnika siły nośnej w funkcji kąta natarcia.
Kąt natarcia – jest to (umowny) kąt pomiędzy kierunkiem strugi napływającego powietrza, a
cięciwą powierzchni nośnej (skrzydła) lub płata wirnika.
Wraz ze wzrostem kąta natarcia, wzrasta siła nośna, aż do osiągnięcia pewnego punktu
krytycznego. Następuje wtedy gwałtowny spadek siły nośnej, dochodzi do przeciągnięcia.
Przyczyną spadku siły nośnej jest odrywanie się strug powietrza od powierzchni profilu, a także
wzrostu oporu. Wspomniany punkt krytyczny określa się mianem kąta krytycznego.
Zazwyczaj płaty o małym kącie krytycznym mają mniejsze opory podczas przelotu, natomiast mają
gorsze właściwości podczas startu i lądowania.
Kąt natarcia zwiększa się celowo np. podczas lądowania samolotu, aby przy zmniejszającej się
prędkości w kontrolowany sposób utrzymać, a następnie stopniowo zmniejszać siłę nośną.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 6 / 13
Zmianę kąta natarcia i siły nośnej w trakcie lotu oraz podczas lądowania uzyskuje się sterem
wysokości oraz (głównie podczas lądowania) za pomocą m.in. klap, slotów.
Lądujący prom kosmiczny, widoczna wywołana siłą nośną kondensacja
pary wodnej w obszarze niskiego ciśnienia nad skrzydłem, jak również
swobodne wiry brzegowe
Analityczne metody aerodynamiki klasycznej, przedstawione w skrócie w , oparte na pracach
Żukowskiego, Kutty, Czapłygina, Prandtla z pierwszych lat XX wieku stosowane są szeroko przy
tworzeniu i optymalizacji konstrukcji klasycznych skrzydeł.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 7 / 13
Profil lotniczy
Różne rodzaje profili lotniczych
Profil lotniczy – obrys przekroju skrzydła samolotu, łopaty śmigła itp. w płaszczyźnie prostopadłej
do osi biegnącej wzdłuż rozpiętości skrzydła (lub promienia śmigła czy wirnika). Cechą
charakterystyczną profilu lotniczego jest zdolność do efektywnego wytwarzania siły nośnej pod
wpływem powietrza opływającego profil (płat).
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 8 / 13
Rodzaje profili
Klasyczne Cechą wyróżniającą jest położenie maksymalnej grubości profilu w ok. 25%
długości cięciwy. Za tym punktem następuje przejście warstwy laminarnej w turbulentną, co
powoduje wzrost oporu tarcia. Stosowane w samolotach o niskich prędkościach przelotowych ze
względu na duży współczynnik siły nośnej.
Laminarne Maksymalna grubość znajduje się w zakresie 35-70% długości cięciwy, dzięki
czemu na przeważającej długości profilu przepływ jest laminarny (ma mniejsze od turbulentnego
opory tarcia). Utrzymanie laminarnej warstwy przyściennej jest możliwe tylko w niewielkim
zakresie małych kątów natarcia i jest wrażliwe na odkształcenia i zabrudzenia opływanej
powierzchni.
Nadkrytyczne Skrzydła nadkrytyczne to skrzydła o profilu wybrzuszonym na spodzie i
spłaszczonym na górze co poprawia ich własności zarówno małych i dużych prędkościach.
Opracowane dla samolotów latających w zakresie prędkości transsonicznych, charakteryzujące się
prawie płaską górną powierzchnią.
Szybkościowe Charakteryzujące się ostrą krawędzią natarcia i spływu, zaprojektowane dla
samolotów poruszających z prędkościami naddźwiękowymi.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 9 / 13
Profil lotniczy- charakterystyczne wielkości geometryczne
Nosek - najbardziej wysunięta część profilu lotniczego.
Ostrze - punkt profilu najbardziej wysunięty do tyłu
Linię łączącą noski profili nazywa się krawędzią natarcia a linię łącząca ostrza – krawędzią
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 10 / 13
Opór indukowany
Siła nośna płata o skończonym wydłużeniu
Gdy skrzydło ma skończone wydłużenie, przepływ staje się trójwymiarowy i występuje opór
indykowany.
Szkic powierzchni wirowej za płatem.
Opór indukowany wiąże się z przepływem powietrza przez zewnętrzne zakończenia skrzydeł,
powodującym straty siły nośnej, opór ten zwany jest oporem indukowanym
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 11 / 13
Rys. 8 Wiry swobodne za skrzydłami
samolotu transportowego. Wizualizacja przy
pomocy dymu. Widoczny wirowy charakter smug.
Stosowanie długich wąskich skrzydeł u szybowców i innych obiektów latających powoduje lepsze
wykorzystanie siły nośnej samolotów. Minimalny dla danego wydłużenia opór indukowany
uzyskuje się dla eliptycznego obrysu płata; taki obrys miał słynny w latach drugiej wojny
światowej myśliwiec Spitfire.
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 12 / 13
T. Piechowiak 4 Siła nośna, aerodynamika 13 / 13
Przeciągnięcie
W momencie przekroczenia krytycznego kąta natarcia punkt
oderwania warstwy przyściennej
przesuwa się gwałtownie z ostrza
skrzydła w pobliże
Powoduje to drastyczne poszerzenie obszaru oderwania warstwy granicznej i radykalną zmianę
opływu strug, w efekcie czego następuje radykalny spadek wytwarzanej przez skrzydło siły nośnej.
W konsekwencji samolot przepada – gwałtownie traci wysokość.
Nazwa "przeciągnięcie" pochodzi najprawdopodobniej stąd, że doprowadzenie do przeciągnięcia
następuje najczęściej z powodu zbyt mocnego ściągania
Ponieważ zwykle
następuje niesymetrycznie (na jednym skrzydle nieco wcześniej,
niż na drugim), może wystąpić trudna do skompensowania sterami tendencja do przechylania się
samolotu na skrzydło.
wali się na skrzydło (utrata stateczności poprzecznej), co przy
braku właściwej reakcji pilota powoduje wejście w
Współczesne samoloty i szybowce są tak konstruowane, aby ostrzegały pilota przed zbliżającym
się przeciągnięciem (np. poprzez trzepotanie czy też sygnały akustyczne), aby sygnalizacja
przeciągnięcia trwała do momentu jego ustąpienia, a wyprowadzenie z przeciągnięcia było
możliwie jak najprostsze.
Wyprowadzenie z przeciągnięcia, a zwłaszcza z korkociągu związane jest zawsze z utratą
wysokości (niekiedy dużą) i w razie jej braku (przeciągnięcie nisko nad ziemią, przy podejściu do
lądowania) może być przyczyną bądź przesłanką wypadku lotniczego.
