UWAGA!!! Zamieszczony tu tekst to tylko początek skryptu, nie był jeszcze sprawdzany pod względem merytorycznym ani poddawany korekcie. Ze zrozumiałych względów jest też na razie pozbawiony ilustracji (zrobię je gdy dokończę tekst). Proszę więc nie marudzić - będe natomiast wdzięczny za konstruktywną krytykę, jeśli np. okaże się że palnąłem gdzieś kardynalnego byka. Proszę również zwrócić uwagę, że niektóre tematy zostały potraktowane trochę niestandardowo - np. wyjaśnienie prawa Bernoulliego czy mechanizmu powstawania oporu kształtu (to moje własne pomysły, ale uważam, że uzasadnienia trzymają się kupy - niemniej jednak panowie z PLKE mogą się czepiać takiego toku myślenia). Ciąg dalszy nastąpi.

Aerodynamika i mechanika lotu

Dlaczego szybowiec utrzymuje się w powietrzu? Zapewne większość zapytanych odpowie, że lot szybowca umożliwia siła nośna. To oczywiście prawda, jednak siła nośna nie jest jedyną siłą działającą na szybowiec. Oddziaływań, które trzeba wziąć pod uwagę, by zrozumieć mechanizm lotu i związane z nim zjawiska, jest nieco więcej. Warto je jednak poznać, by wiedzieć, co i dlaczego dzieje się z nami w powietrzu, jakie są tego przyczyny i jakie mogą być konsekwencje.

Powtórka z matematyki i mechaniki

Zanim zajmiemy się prawami aerodynamiki, przypomnijmy kilka pojęć niezbędnych do ich opisania. Jeśli przytoczone w tym krótkim wykładzie z matematyki i fizyki pojęcia są Ci znane, możesz go pominąć i ewentualnie wrócić do niego w razie potrzeby.

Zacznijmy od dosyć abstrakcyjnego pojęcia wektora, które ułatwi wyobrażenie sobie różnych zależności. Wektor to obiekt matematyczny, do określenia którego oprócz wartości liczbowej konieczny jest jego kierunek. Do dokładnego określenia wektora używane są jeszcze pojęcia zwrotu (wektory działające wzdłuż jednej prostej mają ten sam kierunek, jednak mogą mieć przeciwne zwroty) i punkt przyłożenia. Wektory nadają się świetnie do opisywania wielkości fizycznych - przemieszczenia ("pięć kilometrów na północny wschód"), prędkości ("z prędkością 20 km/s w kierunku Księżyca"), siły, przyspieszenia itd. Jak widać, wektory można rozpatrywać zarówno na płaszczyźnie (dwuwymiarowe), jak i w przestrzeni (trójwymiarowe). W naszych późniejszych rozważaniach rozpatrując zjawiska dotyczące obiektów trójwymiarowych będziemy czasem korzystać z wektorów dwuwymiarowych, opisujących sytuację tylko w jednej płaszczyźnie. Takie uproszczenie pomoże wyobrazić sobie zależności - zresztą tylko w ten sposób możemy narysować wektory...

Wektor działający wzdłuż konkretnej prostej, dla którego nie określa się punktu przyłożenia, to wektor przesuwny. Wektor o danym kierunku i zwrocie, który można przesuwać na dowolną prostą równoległą do jego kierunku, nazywa się wektorem swobodnym.

Wektory można dodawać, czego wynikiem będzie wektor o wypadkowej wartości, kierunku i zwrocie. Wektory działające wzdłuż przecinających się prostych (tzw. wektory zbieżne) można dodawać metodą równoległoboku lub dopełnienia do wielokąta. Wektor będący sumą dwóch wektorów działających wzdłuż prostych równoległych będzie miał wartość równą algebraicznej sumie wartości wektorów składowych, zaś jego linia działania przebiegać będzie przez punkt dzielący odcinek łączący linie działania wektorów składowych na części odwrotnie proporcjonalne do wartości tych wektorów.

Mówi się również o odejmowaniu wektorów - jednak jest to pojęcie nieco sztuczne, jeśli weźmiemy pod uwagę, że elementem charakterystyki wektora jest jego zwrot.

Ruch to zmiana położenia ciała względem pewnego układu odniesienia. Jeśli cząsteczki ciała poruszają się po torach będących liniami prostymi, mówimy o ruchu prostoliniowym, gdy nie są to linie proste, ruch jest krzywoliniowy. Gdy tory ruchu wszystkich cząsteczek ciała mają ten sam kształt i długość, ruch jest postępowy. Jeśli tor ruchu cząsteczek ma kształt okręgów, ruch nazywamy obrotowym.

Jeśli prędkość ciała jest wartością stałą, ruch jest jednostajny, jeśli nie - zmienny. Jeśli prędkość rośnie o stałą wartość w każdej jednostce czasu, ruch nazywamy jednostajnie przyspieszonym (jeśli prędkość spada - opóźnionym). Jednostką prędkości jest metr na sekundę [m/s], jednostką przyspieszenia - m/s².

Zauważmy, że jeśli ciało porusza się ruchem jednostajnym po okręgu, to choć wartość bezwzględna prędkości jest stała, prędkość jako wielkość wektorowa jest w każdym punkcie okręgu inna - zmienia się jej kierunek. Wynika z tego, że ruchowi po okręgu towarzyszy przyspieszenie skierowane ku środkowi okręgu (stąd nazwa - przyspieszenie dośrodkowe).

Fundamentalne w fizyce pojęcie siły, choć znajome każdemu, nie jest łatwe do zdefiniowania. Siła jest wynikiem przyciągania bądź odpychania się ciał (przedmiotów). Można powiedzieć, że siła jest przyczyną ruchu, choć zjawisko ruchu może występować bez istnienia siły. Precyzują to zasady dynamiki Newtona:

1. Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub siły działające na ciało równoważą się wzajemnie, ciało to pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

2. Jeżeli na ciało działa stała siła niezrównoważona, to ciało porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do wartości siły i odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.

3. Jeżeli jedno ciało działa na drugie z pewną siłą, to drugie ciało działa na pierwsze z siłą równą co do wartości, lecz przeciwnie skierowaną.

Jest jeszcze czwarta zasada, zwana prawem powszechnego ciążenia, głosząca, że dwa ciała przyciągają się wzajemnie z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości pomiędzy środkami ich mas. Dla nas istotna jest pewna szczególna, uproszczona wersja tej zasady z tylko jedną zmienną w postaci masy rozpatrywanego ciała, np. szybowca. Drugim ciałem jest Ziemia, zaś odległość, przy różnicy wysokości mierzonej w metrach czy nawet pojedynczych kilometrach, możemy uznać za stałą. Tak więc można przyjąć, że siła ciężkości działająca na szybowiec (na danej szerokości geograficznej) zależy "z dobrym fizycznym przybliżeniem" tylko od jego masy.

Pojęciem bardzo ważnym w naszych rozważaniach będzie moment siły. Moment siły względem punktu (lub osi) jest równy iloczynowi wartości tej siły przez odległość punktu (lub osi) od linii działania siły (zwaną ramieniem siły). Ponieważ jednostką siły jest niuton [N], jednostką momentu jest [Nm]. Dawniej używano jednostek kG (kilogram-siła, ok. 9,81 N) i kGm.

Zauważmy, że dwie siły o przeciwnych zwrotach, równe co do wartości, działające wzdłuż dwóch różnych prostych równoległych (a nie wzdłuż tej samej prostej), nie równoważą się - w wyniku ich działania powstaje moment równy iloczynowi wartości siły przez odległość prostych. Takie siły nazywa się parą sił.

Jeżeli przy przemieszczeniu ciała na drodze o określonej długości działała na nie pewna siła, to mówimy, że została wykonana praca równa iloczynowi siły i pokonanej drogi. W szczególności jeśli wskutek działania siły 1 N ciało zostało podniesione na wysokość 1 m, mówimy, że została wykonana praca o wartości 1 dżula [J] - i dokładnie o taką wartość wzrosła energia potencjalna tego ciała.

Przypomnijmy tu wzory na energię potencjalną i kinetyczną: energia potencjalna ciała względem pewnej wysokości równa jest iloczynowi masy ciała przez przyspieszenie ziemskie i ową wysokość (E_p=mgh), energia kinetyczna to połowa iloczynu masy i kwadratu prędkości ciała (E_k=mv²/2).

Energia to zdolność do wykonania pracy, a więc po drodze z powrotem w dół ciało będzie mogło oddać uzyskaną energię lub zamienić ją na energię kinetyczną (prędkości). Czy to wam czegoś nie przypomina? Lecimy!

Kształty aerodynamiczne, geometria profili

Wpływ poruszającego się powietrza na opływane przez nie ciało (lub nieruchomego powietrza na ciało, które się w nim porusza - pamiętajmy, ruch jest pojęciem względnym) można zaobserwować na przykład wystawiając dłoń przez okno jadącego samochodu. To proste doświadczenie pozwala zaobserwować kilka istotnych faktów i wyciągnąć sporo ważnych wniosków. Im większa prędkość samochodu (i jednocześnie powietrza), tym większe odczuwamy siły. Kierunek i wartość siły zmienia się również w zależności od położenia dłoni: pęd powietrza może ją ciągnąć w dół lub w górę i jednocześnie do tyłu - albo wyłącznie do tyłu. Im większe pochylenie dłoni, tym bardziej pionowo skierowana jest siła - ale po przekroczeniu pewnego kąta pionowe działanie siły gwałtownie zanika. Ogólna wartość siły będzie znacznie mniejsza, gdy zaciśniemy pięść - większa, gdy dłoń będzie rozwarta. Taki "prywatny tunel aerodynamiczny" pozwolił nam właśnie na własnej skórze zaobserwować działanie siły nośnej, oporu, wpływ kąta natarcia i oderwanie strug. Pora teraz usystematyzować nasze obserwacje i podeprzeć je odrobiną teorii.

Zachowanie się ciała w opływającym je powietrzu zależy przede wszystkim od kształtu tego ciała. Kształty zapewniające pewne pożądane właściwości (np. mały opór, dużą siłę nośną) nazywamy kształtami aerodynamicznymi. W przypadku skrzydeł i usterzeń o własnościach aerodynamicznych decyduje przede wszystkim kształt przekroju równoległego do kierunku lotu, zwany profilem. W zależności od przeznaczenia płata i pożądanych charakterystyk stosowane są różne profile lotnicze - wklęsłowypukłe, płaskowypukłe, dwuwypukłe niesymetryczne i symetryczne, laminarne itd.

Dla każdego profilu określa się pewne charakterystyczne parametry. Są to
- cięciwa (c) - odcinek określający długość profilu (szerokość płata), łączący najbardziej wysunięte punkty profilu (dla profili płaskowypukłych i wklęsłowypukłych jest to odcinek styczny do dolnych części profilu),
- grubość profilu (g) - największa odległość między górnym a dolnym obrysem profilu, mierzona prostopadle do cięciwy; najczęściej podawana w procentach cięciwy,
- nosek - punkt profilu najbardziej wysunięty do przodu,
- ostrze - punkt profilu najbardziej wysunięty do tyłu,
- szkieletowa profilu - linia łącząca środki okręgów wpisanych w profil,
- strzałka (f) - największa odległość szkieletowej od cięciwy, również podawana zwykle w procentach cięciwy,
- określa się także (w procentach cięciwy) położenie maksymalnej grubości (X_g) i strzałki profilu (X_f) oraz promień zaokrąglenia noska i ostrza.

Linia łącząca noski profili płata nazywa się krawędzią natarcia, zaś linia łącząca ostrza profili to krawędź spływu.

Kąt zawarty między cięciwą a kierunkiem strug napływającego powietrza zwie się kątem natarcia. Gdy krawędź natarcia skrzydła kieruje się ku górze, kąt natarcia jest dodatni, gdy ku dołowi - ujemny.

Właściwości skrzydła zależą oczywiście nie tylko od jego profilu, ale również od innych parametrów: powierzchni, rozpiętości, wydłużenia, obrysu, kąta wzniosu i skosu, zbieżności, zwichrzenia geometrycznego.

Rozpiętość to odległość między końcówkami skrzydeł.

Obrys skrzydła może być prostokątny, trapezowy, eliptyczny, skośny, trójkątny (delta) czy wreszcie mieszany (np. prostokątno-trapezowy).

Średnia cięciwa geometryczna to stosunek powierzchni płata do rozpiętości.

Wydłużenie to w przypadku skrzydła prostokątnego stosunek rozpiętości do cięciwy, w przypadku skrzydeł o innych obrysach - stosunek kwadratu rozpiętości do powierzchni.

Kąt wzniosu to kąt pomiędzy płaszczyzną prostopadłą do (podłużnej) płaszczyzny symetrii szybowca a płaszczyzną cięciw.

Kąt skosu to dla skrzydła o stałej szerokości kąt między płaszczyzną prostopadłą do cięciwy środkowego profilu a krawędzią natarcia (dla skrzydła o zmiennej szerokości zamiast krawędzi natarcia bierzemy prostą łącząca punkty znajdujące się w odległości 1/4 cięciwy od krawędzi natarcia).

Zbieżność skrzydła to stosunek cięciwy końcówki skrzydła do cięciwy przy kadłubie.

Ze zwichrzeniem skrzydła mamy do czynienia wtedy, gdy cięciwy profili w różnych miejscach płata nie leżą na jednej płaszczyźnie.

Siły aerodynamiczne

Pod pojęciem sił aerodynamicznych rozumiemy siły i momenty spowodowane poruszaniem się ciała w powietrzu.

Wartość i kierunek siły działającej na poruszające się w powietrzu ciało - tzw. wypadkowej siły aerodynamicznej - zależy od prędkości ruchu, wielkości (powierzchni) ciała, kształtu ciała i jego ustawienia względem kierunku ruchu oraz od gęstości powietrza. Dowiedziono, że wartość tej siły określa wzór:

R=1/2 ρ S v² c_R, gdzie

R - wypadkowa siła aerodynamiczna,
ρ - (ro) gęstość powietrza,
S - powierzchnia ciała,
v - prędkość ruchu,
c_R - bezwymiarowy współczynnik siły aerodynamicznej.

Kierunek działania wypadkowej siły aerodynamicznej zależy m.in. od aerodynamicznej charakterystyki profilu i kąta natarcia. Siłę tę można jednak rozłożyć na dwie składowe: prostopadłą do kierunku ruchu pożyteczną siłę nośną P_z i niekorzystną siłę oporu P_x, równoległą do kierunku ruchu, jednak skierowaną przeciwnie.

O ile przyczyny powstawania siły oporu łatwo sobie intuicyjnie wytłumaczyć (choć, jak zobaczymy za chwilę, w rzeczywistości są one nieco bardziej skomplikowane), to mechanizm powstawania siły nośnej nie jest już tak trywialny do zrozumienia. Do jego wyjaśnienia potrzebne nam będzie prawo Bernoulliego.

Prawo Bernoulliego mówi, że suma ciśnienia statycznego i dynamicznego wzdłuż strugi przepływającego powietrza jest stała:

p₁+ρ v₁²/2 = p₂+ρ v₂²/2 = const

Brzmi to cokolwiek enigmatycznie, da się jednak w miarę prosto wyjaśnić. Wyobraźmy sobie zwężającą się rurę - ilość powietrza wpadającego przez szeroki wlot musi być równa ilości powietrza wypadającego w tym samym czasie przez wąski wylot (to tzw. zasada ciągłości ruchu). Zatem powietrze wylatujące musi wydostawać się z rury z dużo większą prędkością niż do niej wpadało. Ponieważ masa powietrza nie zmieniła się, a wzrosła jego prędkość, wzrosła również jego energia kinetyczna. Wzrost ten nastąpił kosztem potencjalnej energii w postaci ciśnienia powietrza (różnice temperatury zaniedbujemy). Może trochę upraszczamy, ale łatwo to sobie wyobrazić, choć na pierwszy rzut oka spadek ciśnienia przy zaciskaniu wylotu wygląda paradoksalnie...

Działanie prawa Bernoulliego można łatwo sprawdzić doświadczalnie, dmuchając między dwie umieszczone w niewielkiej odległości kartki papieru - po dmuchnięciu kartki zbliżą się do siebie, dowodząc spadku ciśnienia wywołanego prędkością przepływu powietrza.

Gdy poznaliśmy prawo Bernoulliego, wyjaśnienie mechanizmu powstawania siły nośnej będzie dużo prostsze. Wyobraźmy sobie skrzydło o profilu niesymetrycznym (aby w pełni zadowolić aerodynamików, powinno ono być nieskończenie długie - dlaczego, o tym potem). Zauważmy, że strumień powietrza opływający górną powierzchnię skrzydła ma do pokonania drogę dłuższą niż dolny, zaś zgodnie z zasadą ciągłości ruchu oba muszą to zrobić w tym samym czasie. Wobec tego prędkość powietrza przemieszczającego się wzdłuż górnej powierzchni skrzydła musi być większa, niż prędkość strumienia opływającego jego dolną powierzchnię. Zgodnie z prawem Bernoulliego, większej prędkości przepływu towarzyszy mniejsze ciśnienie - i już mamy różnicę ciśnień na obu powierzchniach skrzydła! Różnica ciśnień daje siłę nośną, skierowaną do góry prostopadle do niezakłóconego kierunku prędkości. Wspominając równanie Bernoulliego, możemy nawet stwierdzić, że różnica ciśnień - i siła - jest zależna od gęstości powietrza i kwadratu prędkości. Stąd już niedaleko do wzoru na siłę nośną skrzydła:

P_z=1/2 ρ S v² c_z, gdzie

P_z - siła nośna,
ρ - (ro) gęstość powietrza,
S - powierzchnia skrzydła,
v - prędkość ruchu,
c_z - bezwymiarowy współczynnik siły nośnej, zależny od kształtu i kąta natarcia profilu.

Wspomniane na początku doświadczenie z dłonią wystawioną przez okno jadącego samochodu pokazało, że siła nośna rośnie wraz ze wzrostem kąta natarcia - spowodowane jest to rosnącą różnicą prędkości przepływów. Zauważmy, że profil możemy również ustawić pod takim kątem, że prędkości przepływów będą równe - zaniknie różnica ciśnień i siła nośna; kąt taki zwany jest kątem zerowej siły nośnej. Przy kątach mniejszych siła nośna będzie skierowana w dół. Niezerowe kąty natarcia spowodują też powstawanie różnicy prędkości, ciśnień a więc i siły nośnej na profilu symetrycznym.

Wracając do doświadczenia z dłonią, wzrost siły nośnej towarzyszy wzrostowi kąta natarcia tylko do pewnego kąta, po przekroczeniu którego siła nośna gwałtownie maleje. Spowodowane jest to oderwaniem strug na górnej powierzchni profilu - kąt, przy którym siła nośna ma wartość maksymalną, zwany jest kątem krytycznym. Warto dodać, że w zależności od kształtu profilu, oderwanie strug może nastąpić stopniowo bądź też bardzo gwałtownie - ten drugi przypadek jest typowy dla profili laminarnych.

Opływowi powietrza wokół ciała towarzyszą także - niestety - opory, co również łatwo stwierdzić doświadczalnie. Rozważmy najpierw opory powstające na naszym nieskończenie długim skrzydle. Nietrudno sobie uzmysłowić, że ciało o powierzchni gładkiej napotyka na opór mniejszy, niż ciało chropowate, a ciało o kształtach bardziej zwartych stwarza mniejszy opór niż ciało bardziej "rozłożyste". Mamy więc do czynienia z oporem tarcia i oporem kształtu.

Opór tarcia spowodowany jest lepkością opływającego skrzydło powietrza - zauważmy, że cząsteczki powietrza stykające się ze skrzydłem wskutek lepkości przylegają do niego, a więc mają względem niego prędkość równą zeru; prędkość zbliżoną do prędkości przepływu niezakłóconego mają dopiero cząsteczki znacznie od skrzydła oddalone. W bezpośredniej bliskości powierzchni skrzydła znajduje się zatem warstwa, w której prędkość powietrza rośnie od zera do prędkości przepływu - jest to tzw. warstwa przyścienna. Jej grubość jest najmniejsza na krawędzi natarcia i rośnie w stronę krawędzi spływu, dochodząc do kilku milimetrów. Ze względu na różnice prędkości, cząsteczki powietrza w warstwie przyściennej zderzają się ze sobą - tak powstaje siła skierowana zgodnie z kierunkiem prędkości przepływu, nazywana oporem tarcia.

Przepływ powietrza w warstwie przyściennej może mieć charakter spokojny, warstwowy - czyli laminarny, dający mały opór, lub turbulentny - czyli burzliwy, pełen zawirowań, powodujący opór kilkakrotnie większy. Przepływ laminarny występuje zazwyczaj od krawędzi natarcia skrzydła do maksymalnej grubości profilu, później zaś staje się turbulentny. W celu zmniejszenia oporu tarcia stworzono więc tzw. profile laminarne, odznaczające się przesunięciem maksimum grubości do około połowy cięciwy (w profilach klasycznych maksimum grubości znajduje się w ok. 1/4 cięciwy). Profile laminarne mają też jednak swoje wady - wymagają utrzymania powierzchni skrzydła w nienagannej czystości, a oderwanie strug następuje na nich bardzo gwałtownie, nie są więc one stosowane w szybowcach szkolnych, a jedynie w szybowcach wyczynowych.

Opór kształtu zależy od kształtu ciała (jak sama nazwa wskazuje), a także od jego wielkości i położenia w stosunku do opływającego powietrza. Oczywistą jego przyczyną są zderzenia cząsteczek powietrza z czołową powierzchnią ciała oznaczające wzrost ciśnienia, to jednak nie wszystko. Istotne jest również ukształtowanie strony "zawietrznej" - bryły opływowe dają minimalne zakłócenia przepływu, inne kształty wytwarzają za sobą zawirowania, w których cząsteczki powietrza poruszają się ze zwiększoną prędkością, a to, jak już wiemy, wiąże się ze spadkiem ciśnienia. Zwiększona w ten sposób różnica ciśnień między przednią a tylnią częścią ciała oznacza zwiększony opór. Przykładem wpływu kształtu na opór niech będą współczynniki oporu cx kilku brył: płaska płytka - 1,1, kula - 0,2, profil lotniczy - 0,04.

Wzór określający siłę oporu aerodynamicznego skrzydła ma postać:

P_z=1/2 ρ S v² c_x, gdzie

P_z - siła oporu,
ρ - (ro) gęstość powietrza,
S - powierzchnia skrzydła,
v - prędkość ruchu,
c_z - bezwymiarowy współczynnik siły oporu, zależny od kształtu i kąta natarcia profilu.

Do tej pory mówiliśmy o oporach występujących na idealnym skrzydle o nieskończonej długości - takie oczywiście nie istnieje. Zauważmy, że w przypadku skrzydła o skończonej długości różnica ciśnień na dolnej i górnej powierzchni skrzydła, konieczna dla powstania siły nośnej, powoduje również przepływ powietrza z dołu do góry wokół końcówki skrzydła. Towarzyszy temu przemieszczanie się powietrza poprzecznie do kierunku ruchu szybowca, wzdłuż skrzydła - na dolnej powierzchni w kierunku końca, na górnej zaś w kierunku kadłuba. W wyniku tego wypadkowy kierunek prędkości opływu skrzydła jest lekko odchylony od kierunku ruchu szybowca, a za końcówkami skrzydła powstają tzw. wiry brzegowe. Wprowadzenie powietrza w ruch wirowy dokonuje się kosztem dodatkowego oporu, zwanego oporem indukowanym. Podstawowym sposobem zmniejszenia oporu indukowanego, stosowanym w szybowcach, jest duże wydłużenie skrzydeł. Inny środek to dodatkowe, pionowe powierzchnie aerodynamiczne na końcówkach skrzydeł, wytwarzające różnicę ciśnień hamującą przepływ powietrza - tzw. winglety - czy innego rodzaju rozpraszacze wirów brzegowych.

Oczywiście, skrzydło nie jest jedynym źródłem oporów szybowca - opór stawia również kadłub, usterzenie, podwozie itd. Łączne opory wszystkich części szybowca oprócz skrzydła nazywamy oporem szkodliwym. Dodatkowo mamy do czynienia z tzw. oporem interferencyjnym, wynikającym z wzajemnego zakłócania opływów przez łączące się ze sobą elementy szybowca, np. skrzydło i kadłub. Przy dużych - okołodźwiękowych - prędkościach lotu w grę wchodzi jeszcze opór falowy, jednak ten na razie pominiemy (chociaż podobno na PLKE pytają o to zjawisko).

Urządzenia aerodynamiczne

Podstawowymi urządzeniami aerodynamicznymi, w które musi być wyposażony każdy szybowiec, są stery. Umożliwiają one zmianę toru lotu szybowca - wykonywanie zakrętów i zmianę kąta pochylenia toru lotu. Sterownie szybowcem odbywa się poprzez wytworzenie siły aerodynamicznej na powierzchniach sterowych, która względem środka masy szybowca daje moment obracający go wokół osi pionowej, podłużnej lub poprzecznej. Wytworzenie siły aerodynamicznej następuje dzięki zmianie wysklepienia profilu, w którego skład wchodzi powierzchnia sterowa (lub zmianie kąta natarcia profilu w przypadku usterzenia płytowego).

Klasyczny szybowiec wyposażony jest w trzy rodzaje powierzchni sterowych: usterzenie wysokości, powodujące zmianę kąta nachylenia szybowca, usterzenie kierunku, powodujące odchylenie dziobu szybowca w prawo lub w lewo oraz lotki, pozwalające przechylić szybowiec na prawe lub lewe skrzydło. (Tu drobna uwaga mnemotechniczna, dotycząca obowiązujących w lotnictwie nazw zmiany orientacji: pochylenie to obrót wokół osi poprzecznej - nos w dół, przechylenie - wokół osi podłużnej - jak słup, czyli w bok, odchylenie - wokół osi pionowej - "od kursu", czyli w prawo lub w lewo. Tak chyba łatwiej zapamiętać.)

Usterzenie wysokości umieszczone jest (zazwyczaj) na ogonie szybowca i składa się z nieruchomego statecznika poziomego oraz zamocowanego doń zawiasowo steru wysokości. Wychylenie drążka sterowego od siebie powoduje wychylenie steru wysokości w dół i zarazem wysklepienie profilu usterzenia wysokości ku górze. Powoduje to powstanie dodatniej siły nośnej, a co za tym idzie, momentu podnoszącego ogon szybowca ku górze a dziób pochylającego ku dołowi. Po ściągnięciu drążka na siebie ster wysokości unosi się, profil wysklepia się ku dołowi, na usterzeniu powstaje ujemna siła nośna dająca moment opuszczający ogon i unoszący dziób.

Uniesieniu dziobu szybowca towarzyszy zwiększenie kąta natarcia skrzydła, a zatem siły nośnej i (uwaga!) oporu, z czym wiąże się chwilowe wznoszenie, ale przede wszystkim spadek prędkości. Pochylenie dziobu oznacza zmniejszenie kąta natarcia, siły nośnej oraz oporu i wzrost prędkości. Ważna praktyczna uwaga dla początkujących: ster wysokości (i pochylenie szybowca) służą do regulowania prędkości lotu, a nie prędkości opadania.

Usterzenie kierunku, składające się ze statecznika pionowego i steru kierunku, również znajduje się na ogonie szybowca. Wciśnięcie któregoś z pedałów orczyka powoduje wychylenie steru kierunku w prawo lub w lewo, wysklepienie profilu, powstanie siły aerodynamicznej oraz momentu odchylającego dziób szybowca w prawo lub w lewo i w konsekwencji wejście szybowca w zakręt.

Lotki to powierzchnie sterowe zamocowane zawiasowo na krawędzi spływu skrzydeł w pobliżu końcówek (choć lotki mogą zajmować i połowę długości skrzydła). Wychylenie drążka w prawo powoduje wychylenie prawej lotki ku górze, a lewej ku dołowi - i odwrotnie. Wychylenie lotki w dół powoduje z kolei wysklepienie profilu i wzrost siły nośnej na tym skrzydle, podczas gdy siła nośna drugiego skrzydła maleje ze względu na zmniejszenie wysklepienia profilu przez wychyloną ku górze drugą lotkę. Asymetria siły nośnej skrzydeł powoduje powstanie momentu przechylającego szybowiec (po wychyleniu drążka w prawo na prawe skrzydło, po wychyleniu drążka w lewo - na lewe).

Ze zwiększeniem wysklepienia wypukłego profilu skrzydła wiąże się jednak nie tylko wzrost siły nośnej, ale i wzrost oporów - kształtu i indukowanego (wychylenie lotki w górę na drugim skrzydle również powoduje wzrost oporu, jednak w mniejszym stopniu). Powoduje to powstanie momentu odchylającego szybowiec w stronę skrzydła idącego ku górze - tzw. momentu oporowego lotek. Zjawisko to jest niekorzystne, gdyż np. utrudnia wprowadzenie szybowca w zakręt. Zapobiega się temu stosując różnicowe wychylenie lotek - dzięki odpowiedniej konstrukcji układu sterowania, wychylenie lotki w dół jest mniejsze niż jednoczesne wychylenie drugiej lotki w górę, opory na obu skrzydłach są takie same i moment oporowy nie występuje.

Do urządzeń sterujących lotem szybowca zaliczyć można również hamulce aerodynamiczne. Mają one zazwyczaj postać prostopadłych do podłużnej osi szybowca płytek o długości ok. 1 metra wysuwanych z górnej i dolnej (czasem tylko z górnej) powierzchni skrzydła. Działanie takich hamulców jest dwojakie: po pierwsze, wysunięte powierzchnie stawiają dodatkowy opór aerodynamiczny, po drugie zaś powodują zanik siły nośnej na zajmowanej przez nie części rozpiętości płata. Konsekwencją jest zwiększenie prędkości opadania własnego szybowca, nawet do kilkunastu metrów na sekundę.

Urządzenia odciążające układ sterowania

Wychylenie którejkolwiek z powierzchni sterowych wiąże się z powstaniem działającej na nią siły aerodynamicznej, która względem osi obrotu powierzchni daje moment przeciwstawiający się wychyleniu, zwany momentem zawiasowym. Momenty zawiasowe są oczywiście niekorzystne, gdyż ich pokonanie wymaga od pilota użycia dużej siły, co zwłaszcza w długich lotach byłoby męczące. Dla zmniejszenia momentów zawiasowych sterów stosuje się ich wyważenie aerodynamiczne (kompensację), polegające na umieszczeniu części powierzchni sterowej przed osią obrotu. Gdy jest to tylko brzegowa część powierzchni, mówimy o wyważeniu brzegowym, gdy zaś części powierzchni sterowej wysunięta jest przed oś obrotu na całej (lub prawie całej) długości, mamy do czynienia z wyważeniem osiowym. Innym sposobem odciążenia jest zastosowanie klapki odciążającej czyli tzw. fletnera. Klapka ta, umieszczona na krawędzi spływu powierzchni, wyposażona jest w układ mechaniczny powodujący jej wychylanie w stronę przeciwną do wychylenia powierzchni sterowej. Ze względu na niewielką powierzchnię klapki, pojawiająca się na niej siła aerodynamiczna jest o wiele mniejsza od siły pojawiającej się na powierzchni sterowej i nie ma wielkiego wpływu na ogólny moment pochylający usterzenia. Jednak dzięki temu, że ramię tej siły względem osi obrotu powierzchni sterowej jest znacznie dłuższe od ramienia siły działającej na powierzchnię sterową, moment od fletnera równoważy moment zawiasowy. Podobnym, lecz inaczej działającym urządzeniem jest klapka wyważająca (trymer) steru wysokości. Wychylenie trymera względem powierzchni sterowej ustalane jest przez pilota za pomocą połączonej z nim cięgłem dźwigni. Ustawienie trymera w określonym położeniu powoduje, że (przy puszczonym drążku) siły aerodynamiczne wychylają ster do położenia, w którym momenty względem osi obrotu steru od trymera i powierzchni sterowej równoważą się. Trymer pozwala zatem zmniejszyć lub całkowicie zlikwidować siłę jaką należy wywierać na drążek dla utrzymania pożądanego pochylenia (a więc i prędkości) szybowca.

Urządzenia zwiększające maksymalny współczynnik siły nośnej

W szybowcach wyczynowych, odznaczających się dużymi prędkościami przelotowymi i doskonałościami, stosuje się skrzydła o cienkich profilach i małych współczynnikach oporu aerodynamicznego. Niestety, cienkie profile mają też mniejszy od grubych współczynnik c_z i c_{z max}. Konsekwencją jest duża prędkość minimalna v_min, co jest niekorzystne zarówno w przypadku lądowania, jak i krążenia w kominach. Aby umożliwić zwiększenie c_{z max} przy małych prędkościach, skrzydła szybowców i samolotów wyposaża się w ruchome elementy, dostosowujące charakterystykę płata do sytuacji przez zmianę wysklepienia płata, przeciwdziałanie oderwaniu strug i powiększenie powierzchni skrzydeł. Urządzeniami tymi są (między innymi) klapy i sloty.

Klapy to ruchome powierzchnie umieszczone na krawędzi spływu skrzydła między lotkami a kadłubem. Istnieje kilka rodzajów klap, m.in.:

• klapy zwykłe - zamocowane zawiasowo, wychylając się w dół zwiększają wysklepienie profilu,

• klapy krokodylowe - płaskie płyty wychylające się spod dolnej powierzchni skrzydła, dając efekt efekt nieco większy niż zwykłe, przede wszystkim powodują większy opór,

• klapy szczelinowe - wykonane podobnie jak zwykłe, jednak przy ich wychyleniu między skrzydłem a klapą tworzy się szczelina, przez którą na górną powierzchnię klapy wypływa z dużą prędkością powietrze, zapobiegając oderwaniu strug,

• klapy przesuwne (poszerzacze) - wysuwając się w tył zwiększają powierzchnię płata,

• klapy Fowlera - przesuwając się po specjalnej prowadnicy, jednocześnie wysklepiają profil, powiększają powierzchnię i otwierają szczelinę,

• ...itp, itd - kilka rodzajów jeszcze by się znalazło.

Sloty (skrzela) - zaokrąglone listwy umieszczone przed krawędzią natarcia skrzydła tworzą odpowiednio wyprofilowaną szczelinę. Powietrze przepływające przez szczelinę wypływa ze zwiększoną prędkością na górną powierzchnię płata, przez co możliwe jest uzyskanie większych kątów natarcia bez oderwania strug. Sloty mogą być ruchome (zamykane), jak np. w samolocie PZL-110 Koliber, mogą być również stałe jak w samolocie PZL-104 Wilga. W szybowcach slotów raczej się nie stosuje.

Warto dodać, że wychylenie klap zwiększa c_{z max}, nie ma jednak wpływu na krytyczny kąt natarcia, natomiast otwarcie slotów zwiększa zarówno c_{z max}, jak i krytyczny kąt natarcia.

Skrzydło samolotu Koliber - widoczna uniesiona do góry lotka szczelinowa, prowadnice klap i otwarty slot

Skrzydło samolotu Boeing 737 w konfiguracji czystej i w czasie hamowania po przyziemieniu - widoczne wysunięte klapy i otwarte hamulce aerodynamiczne (spoilery)

A dalej będzie jeszcze o biegunowych profilu, szkrzydła i szybowca oraz cx i cz, doskonałości i zasięgu szybowca, różnych stanach lotu, stateczności takiej, siakiej i owakiej itd., itp.

(C)2001 Michał Setlak

Powrót

---