Pulsar - wyjątkowy portal naukowy. Pulsar - wyjątkowy portal naukowy. Shutterstock
Technologia

Zagadki siły nośnej

Nikt nie potrafi przystępnie wyjaśnić, dlaczego samoloty latają.

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.


W grudniu 2003 roku z okazji setnej rocznicy pierwszego lotu braci Wright, New York Times opublikował artykuł „Staying Aloft; What Does Keep Them Up There?”. Wydawało się, że temat nie budzi kontrowersji: Co sprawia, że samoloty utrzymują się w powietrzu? Redakcja zapytała o to Johna D. Andersona, Jr., kuratora działu aerodynamiki w National Air and Space Museum i autora kilku podręczników z dziedziny lotnictwa.

Anderson stwierdził jednak, że nie ma jednomyślności, co do mechanizmów aerodynamicznych u podstaw siły nośnej. „Odpowiedzi na tak postawione pytanie nie da się zawrzeć w jednym zdaniu” – przyznał na łamach NYT. Można usłyszeć różne wyjaśnienia, czasem głoszone niemalże z „religijnym uniesieniem”. Od tamtej pory minęło przeszło 15 lat i sytuacja nie uległa zmianie: nadal spotykamy różne opinie wspierane przez ich zagorzałych zwolenników. To dość dziwne na tym etapie rozwoju lotnictwa. Wszakże latające zwierzęta żyją na Ziemi dziesiątki milionów lat i w ich przypadku spontaniczna ewolucja, która przebiegała losowo i bez świadomości praw fizyk, rozwiązała zagadnienie aerodynamicznej siły nośnej już dawno temu. Dlaczego więc naukowcom tak trudno wyjaśnić mechanizm, który utrzymuje ptaki i samoloty w powietrzu?

Współczesne naukowe metody projektowania samolotów to domena symulacji w ramach obliczeniowej mechaniki płynów z wykorzystaniem równań Naviera-Stokesa, które uwzględniają rzeczywistą lepkość powietrza.ShutterstockWspółczesne naukowe metody projektowania samolotów to domena symulacji w ramach obliczeniowej mechaniki płynów z wykorzystaniem równań Naviera-Stokesa, które uwzględniają rzeczywistą lepkość powietrza.

Konfuzję potęguje fakt, że zagadnienie lotu pojawia się na dwóch różnych poziomach: naukowo-technicznym i popularnonaukowym. W obydwu przypadkach cele są różne, ale mają się nawzajem uzupełniać, a nie być w opozycji. Poziom naukowo-techniczny to ścisły model matematyczny, w którym zachowanie się ośrodka analizujemy za pomocą równań, symboli, symulacji komputerowych i liczb. Tu nie ma żadnych istotnych wątpliwości, co do poprawności równań i ich rozwiązań. Podejście naukowe ma na celu sformułowanie precyzyjnych przewidywań i wyników, które inżynierowie wykorzystają w skomplikowanym procesie projektowania samolotów.

Jednak ani równania, ani nawet ich rozwiązania nie oznaczają zrozumienia problemu. Stąd próba stworzenia opisu popularnonaukowego, którego wynikiem powinno być fizyczne, zdroworozsądkowe wyjaśnienie pochodzenia siły nośnej. Za cel stawiamy sobie intuicyjne zrozumienie rzeczywistych sił i czynników, które, współdziałając ze sobą, sprawiają, że samolot nie spada. Na tym poziomie nie chodzi o równania i liczby, ale o koncepcje oraz zasady dostępne i możliwe do zrozumienia przez niespecjalistów.

I tu, na tym popularnonaukowym poziomie pojawiają się wspomniane wcześniej kontrowersje. Śledząc publikacje w czasopismach, książkach i w Sieci, dochodzimy do wniosku, że są dwa alternatywne modele siły nośnej, każdy wspierany i propagowany przez grupę jego zagorzałych zwolenników. Obydwa te opisy same w sobie są poprawne, ale żaden z nich nie daje pełnego obrazu, który uwzględniałby i wyjaśniał wszystkie podstawowe siły, czynniki i uwarunkowania fizyczne wpływające na aerodynamiczną siłę nośną, nie pozostawiając przy tym żadnych przemilczeń, niedopowiedzeń i niejasności. Czy stworzenie doskonałego modelu na tym poziomie jest w ogóle możliwe?

Pole przepływu pod skrzydłem samolotu wizualizowane z wykorzystaniem barwnika fluorescencyjnego w tunelu hydrodynamicznym w NASA Ames Fluid Mechanics Lab. Obserwacja strug płynących w prawo i zaginających się po napotkaniu skrzydła, pomaga w zrozumieniu zjawisk odpowiedzialnych za siłę nośną.Zdjęcie Ian AllenPole przepływu pod skrzydłem samolotu wizualizowane z wykorzystaniem barwnika fluorescencyjnego w tunelu hydrodynamicznym w NASA Ames Fluid Mechanics Lab. Obserwacja strug płynących w prawo i zaginających się po napotkaniu skrzydła, pomaga w zrozumieniu zjawisk odpowiedzialnych za siłę nośną.

Dwie konkurencyjne teorie

Najczęściej siła nośna jest tłumaczona przez odwołanie się do prawa Bernoulliego. Odkrył je i opublikował w 1738 roku w traktacie Hydrodynamica szwajcarski matematyk Daniel Bernoulli. Jego ojciec, Johann, wniósł olbrzymie zasługi w rozwój rachunku różniczkowo-całkowego, podobnie jak stryj Jacob, który m.in. po raz pierwszy użył terminu „całka” we współczesnym znaczeniu. Wiele prac Daniela Bernoulliego dotyczyło mechaniki płynów. Powietrze jest płynem i prawo Bernoulliego jest zwykle wyrażane za pomocą pojęć z zakresu dynamiki płynów. W uproszczeniu mówi nam ono, że ciśnienie płynu maleje, kiedy jego prędkość wzrasta, i na odwrót.

Wyjaśnienie siły nośnej oparte na prawie Bernoulliego nawiązuje do zakrzywienia górnej powierzchni płata, jak w języku technicznym nazywamy skrzydło samolotu. Zgodnie z przedstawianym rozumowaniem, to zakrzywienie powoduje, że powietrze nad płatem płynie szybciej niż przy powierzchni dolnej, która jest płaska. Zgodnie z prawem Bernoulliego większa prędkość przepływu nad płatem powoduje powstanie tam obszaru obniżonego ciśnienia, który odpowiada za siłę nośną.

W skrócie

Inżynierowie potrafią projektować samoloty, używając modeli matematycznych. Jednak równania nie wyjaśniają, skąd bierze się siła nośna.

Dwie różne teorie pretendują, aby na poziomie intuicyjnym wyjaśnić pochodzenie siły nośnej i czynników, które mają na nią wpływ. W obydwu przypadkach proponowane rozumowanie nie jest kompletne.

Aerodynamicy podjęli próbę usunięcia występujących luk. Nadal jednak nie mogą osiągnąć konsensu, co do szczegółów opisu.

Stosy danych eksperymentalnych zebranych dzięki obserwacji przepływu (strug dymu) w tunelach aerodynamicznych i pomiarów ciśnienia za pomocą rurek Venturiego nie pozostawiają wątpliwości, że prawo Bernoulliego jest słuszne. Mimo to z kilku powodów samo nie jest w stanie do końca wyjaśnić siły nośnej. Chociaż jest faktem doświadczalnym, że powietrze ma większą prędkość przy powierzchni zakrzywionej, to z prawa Bernoulliego nie wynika, dlaczego tak jest. Mówiąc inaczej, nie wyjaśnia ono, skąd bierze się większa prędkość powietrza nad skrzydłem.

Można spotkać wiele błędnych uzasadnień tego faktu. Najczęściej pojawia się „teoria równego czasu”, która mówi, że cząstki (cząstki próbne, elementy) powietrza rozdzielają się przy krawędzi natarcia skrzydła, aby następnie spotkać się ze sobą na krawędzi spływu. Ponieważ powietrze opływające górną powierzchnię musi w tym samym czasie pokonać dłuższą drogę niż powietrze płynące dołem, więc jego prędkość nad płatem jest większa. Błąd logiczny tkwi w tym, że nie istnieje żadne fizyczne uzasadnienie, dlaczego rozdzielające się cząstki powietrza miałyby równocześnie osiągać krawędź spływu. Co więcej, domniemanie nie znajduje potwierdzenia eksperymentalnego: pomiary wykazały, że powietrze wzdłuż górnej powierzchni porusza się o wiele szybciej, niż wynikałoby to z teorii równego czasu.

W wielu popularnych przekazach, jak filmy na portalu YouTube, a nawet w podręcznikach, spotykamy się też z „demonstracją” prawa Bernoulliego. Prezenter trzyma kartkę papieru poziomo i dmucha wzdłuż jej zakrzywionej górnej powierzchni. Kartka unosi się, co ma ilustrować skutek prawa Bernoulliego. Innego zachowania spodziewalibyśmy się, dmuchając na dolną powierzchnię kartki: ruch powietrza powinien pociągnąć kartkę w dół. Zamiast tego, paradoksalnie kartka się unosi.

Uniesienie wygiętej kartki, kiedy powietrze płynie po jednej stronie, „nie jest spowodowane różnicą prędkości z obydwu stron”, wyjaśnia Holger Babinsky, profesor aerodynamiki z University of Cambridge, w swoim artykule „How Do Wings Work?” Aby się o tym przekonać, wystarczy dmuchnąć wzdłuż prostej kartki papieru, na przykład zwisającej pionowo w dół, i zobaczyć, że papier nie poruszy się w jedną ani w drugą stronę, ponieważ „ciśnienie z obydwu stron jest takie samo pomimo oczywistej różnicy prędkości”.

Prawo Bernoulliego nie daje też odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób ani dlaczego wyższa prędkość powyżej płata powoduje obniżenie ciśnienia, a nie na przykład pojawienie się strefy wyższego ciśnienia w połączeniu z niskim. Można by przypuszczać, że powietrze, napotykając zakrzywioną górną powierzchnię płata, zostanie odchylone w górę i ulegnie sprężeniu, a nie zwiększy swoją prędkość. Z życia codziennego wiemy, że „zagęszczenie” prowadzi raczej do spowalniania, a nie przyspieszania. Kiedy na autostradzie dwa pasy ruchu łączą się w jeden, jadące nimi samochody nie przyspieszają, ale spowalniają, a nawet tworzy się zator. Powietrze przepływające nad skrzydłem zachowuje się inaczej, ale prawo Bernoulliego nie wyjaśnia dlaczego.

Problemy z siłą nośnąIlustracja L-DopaProblemy z siłą nośną

Na koniec najpoważniejszy argument przeciwko użyciu prawa Bernoulliego jako jedynego wytłumaczenia siły nośnej: samolot z zakrzywioną górną powierzchnią skrzydła może wykonywać lot odwrócony. W takim przypadku górna powierzchnia skrzydła staje się powierzchnią dolną, co zgodnie z prawem Bernoulliego powinno powodować wytworzenie obszaru obniżonego ciśnienia pod skrzydłem i w połączeniu z siłą grawitacji silniejsze ściąganie w dół, a nie utrzymywanie go powietrzu. Co więcej, również samoloty z symetrycznym profilem skrzydła, nawet w przypadku kiedy obydwie powierzchnie są płaskie, są zdolne do lotu odwróconego, jesli tylko płat jest nachylony pod odpowiednim odpowiednim kątem do kierunku lotu. Potwierdza to, że prawo Bernoulliego samo w sobie nie wystarcza, aby wyjaśnić przyczyny powstania siły nośnej.

Alternatywne modele siły nośnej odwołują się do trzeciej zasady dynamiki Newtona, czyli zasady akcji i reakcji. Teoria mówi, że skrzydło utrzymuje samolot w górze dzięki temu, że samo odpycha powietrze w dół. Ponieważ powietrze ma masę, więc skierowanemu w dół parciu, jakim skrzydło działa na ośrodek, musi, na podstawie trzeciej zasady dynamiki, towarzyszyć skierowana w górę siła działająca na skrzydło, czyli siła nośna. To newtonowskie podejście można zastosować do płata o dowolnym kształcie, zakrzywionego lub płaskiego, symetrycznego lub niesymetrycznego. Dotyczy ono tak samo samolotów w locie odwróconym, jak i płaskim. Działające siły znamy również dobrze z codziennego doświadczenia. Na przykład, jeżeli wysuniemy dłoń przez okno jadącego samochodu i ustawimy ją tak, że przednia jej krawędź będzie skierowana w górę, poczujemy, że jest ona unoszona. Dlatego wytłumaczenie oparte na trzeciej zasadzie dynamiki jest bardziej uniwersalne i łatwiejsze do zrozumienia niż argumentacja oparta na prawie Bernoulliego.

Ale zasada akcji i reakcji nie tłumaczy obszaru obniżonego ciśnienia nad skrzydłem, co jest faktem niezależnie od jego profilu. Ciśnienia powyżej i poniżej płata wyrównują się i przybierają wartość ciśnienia atmosferycznego dopiero wtedy, kiedy samolot po wylądowaniu się zatrzymuje. Podczas lotu obniżone ciśnienie nad płatem zawsze daje wkład do siły nośnej, co musi być wyjaśnione.

Trochę historii

Oczywiście ani Newton, ani Bernoulli nie usiłowali wyjaśnić, co utrzymuje samolot w górze, ponieważ obydwaj żyli o wiele wcześniej, niż wynaleziono latające maszyny. Sformułowane przez nich prawa i teorie znalazły nowe zastosowania dopiero po pierwszych lotach braci Wright, kiedy naukowcy poczuli się zobligowani do wyjaśnienia aerodynamicznych podstaw siły nośnej.

Na początku XX wieku kilku brytyjskich naukowców rozwinęło techniczno-matematyczny opis siły nośnej, zakładając w tym celu, że powietrze jest płynem doskonałym, tzn. ośrodkiem nieściśliwym i pozbawionym lepkości.ShutterstockNa początku XX wieku kilku brytyjskich naukowców rozwinęło techniczno-matematyczny opis siły nośnej, zakładając w tym celu, że powietrze jest płynem doskonałym, tzn. ośrodkiem nieściśliwym i pozbawionym lepkości.

Większość teorii na ten temat powstawała w Europie. Na początku XX wieku kilku brytyjskich naukowców rozwinęło techniczno-matematyczny opis siły nośnej, zakładając w tym celu, że powietrze jest płynem doskonałym, tzn. ośrodkiem nieściśliwym i pozbawionym lepkości. Założenia te są zupełnie nierealistyczne, ale ich przyjęcie można uzasadnić jedynie tym, że badacze musieli zmierzyć się z zupełnie nowym zjawiskiem sterowanego lotu maszyny cięższej od powietrza. Uproszczenia ułatwiały rozwiązanie równań matematycznych oraz interpretację wyników, ale miało to swoją cenę: nie istniała jakakolwiek gwarancja, że nawet eleganckie opisy zachowania płata w wyidealizowanym ośrodku okażą się empirycznie poprawne.

Jednym z uczonych, którzy w Niemczech zainteresowali się zagadnieniem siły nośnej, był nie kto inny, ale Albert Einstein. W 1916 roku w czasopiśmie Die Naturwissenschaften opublikował krótką pracę zatytułowaną „Elementare Theorie der Wasserwellen und des Fluges” („Elementarna teoria fal na wodzie i lotu”), w której usiłował wyjaśnić wyjaśnić rolę skrzydeł w locie samolotów i ptaków. „Wokół tych pytań jest wiele niejasności – stwierdzał Einstein. – Muszę przyznać, że nawet w literaturze specjalistycznej nie natknąłem się tu na żadną prostą odpowiedź”.

Następnie Einstein zabrał się do rozwiązywania problemu, przyjmując założenie, że powietrze jest płynem doskonałym, czyli pomijając jego lepkość i ściśliwość. W rezultacie doszedł do wniosków zgodnych z prawem Bernoulliego, chociaż nie odwołał się do niego explicite – w szczególności stwierdził, że ciśnienie płynu jest większe, jeżeli prędkość jest mniejsza, i na odwrót. Aby lepiej wykorzystać tę różnicę ciśnień, Einstein zaproponował płat z wybrzuszeniem, które miało jeszcze bardziej zwiększać prędkość powietrza i w większym stopniu obniżać ciśnienie.

Einstein prawdopodobnie uważał, że przeprowadzona przez niego analiza dla płynu nieściśliwego okaże się słuszna również w przypadku płynów rzeczywistych. Korzystając ze swojej teorii, w 1917 roku zaprojektował płat, który potem stał się znany jako koci grzbiet, ponieważ kształtem przypominał wygięty grzbiet przeciągającego się kota. Ze swoim projektem udał się do zakładów lotniczych LVG (Luftverkehrsgesellschaft) w Berlinie, gdzie zbudowano prototypowy samolot. Pilot, który go oblatywał, stwierdził, że maszyna chybocze się na boki jak „ciężarny kaczor”. Pod koniec życia, w 1954 roku, Einstein uznał swój epizod z aeronautyką za „młodzieńczy wybryk”. Uczony, któremu zawdzięczamy rewolucyjne teorie zmieniające nasze widzenie świata w najmniejszej i największej skali, nie przyczynił się wcale do lepszego zrozumienia pochodzenia siły nośnej ani udoskonalenia konstrukcji płata.

Czy da się zrozumieć siłę nośną?

Współczesne naukowe metody projektowania samolotów to domena symulacji w ramach obliczeniowej mechaniki płynów z wykorzystaniem równań Naviera-Stokesa, które uwzględniają rzeczywistą lepkość powietrza. Dzięki dostępnym narzędziom można ilościowo przewidywać rozkład ciśnienia w powietrzu opływającym obiekt i tworzyć coraz bardziej zaawansowane konstrukcje lotnicze. Jednak wszystkie te wyniki same w sobie nie wyjaśniają jakościowo na gruncie fizycznym, czym jest siła nośna.

Nowe idee na temat pochodzenia siły nośnejIlustracja L-DopaNowe idee na temat pochodzenia siły nośnej

Niedawno jeden z największych specjalistów w dziedzinie aerodynamiki, Doug McLean, podjął próbę wydostania się poza granice formalizmu matematycznego i uchwycenia związków przyczynowo-skutkowych, które odpowiadają za siłę nośną we wszystkich jej codziennych przejawach. McLean, który przez większą część swojej kariery zawodowej był związany z Boeing Commercial Airplanes, gdzie zajmował się rozwojem oprogramowania z zakresu obliczeniowej mechaniki płynów, opublikował w 2012 roku książkę zatytułowaną Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Zważywszy, że liczy sobie ona przeszło 500 stron zapełnionych zaawansowanymi rozważaniami technicznymi, może zaskakiwać tytuł paragrafu (7.3.3), jaki znajdujemy niemalże w jej połowie: „A Basic Explanation of Lift on an Airfoil, Accessible to a Nontechnical Audience”. Napisanie fragmentu liczącego sobie 16 stron nie było łatwym zadaniem dla McLeana, który jest prawdziwym ekspertem w swojej dziedzinie. „Wydaje się, że był to dla mnie najtrudniejszy fragment książki – przyznaje autor. – Nie zliczę kolejnych wersji tekstu. Nigdy nie byłem z niego zadowolony”.

Złożone rozumowanie, które przedstawił McLean, zaczyna się od stwierdzenia, które jest podstawą całej aerodynamiki: powietrze wokół skrzydła zachowuje się jak „ośrodek ciągły, który ulega odkształceniu, dopasowując się do konturu płata”. To odkształcenie dotyczy szerokiego pasa płynu rozciągającego się zarówno nad, jak i pod skrzydłem. „Płat wpływa na wartości ciśnienia w dużej objętości, prowadząc do powstania pola ciśnienia – wyjaśnia McLean. – Sile nośnej zawsze towarzyszy rozmyty obszar obniżonego ciśnienia powyżej płata i rozmyty obszar podwyższonego ciśnienia tworzący się poniżej. Obydwa te obszary stykają się z płatem, a różnica ciśnień między nimi jest źródłem siły nośnej działającej na płat.”

Skrzydło wywiera parcie na powietrze, powodując, że jego strumień ulega odchyleniu w dół. Powietrze nad płatem zwiększa prędkość zgodnie z prawem Bernoulliego. Dodatkowo tworzy się obszar podwyższonego ciśnienia pod skrzydłem i obniżonego ciśnienia nad skrzydłem. Mamy więc cztery różne elementy, które składają się na podany przez McLeana mechanizm powstawania siły nośnej: wymuszony ruch powietrza w dół, wzrost prędkości powietrza oraz obszar obniżonego ciśnienia i obszar podwyższonego ciśnienia.

Stosy danych eksperymentalnych zebranych dzięki obserwacji przepływu (strug dymu) w tunelach aerodynamicznych i pomiarów ciśnienia za pomocą rurek Venturiego nie pozostawiają wątpliwości, że prawo Bernoulliego jest słuszne.Zdjęcie Ian AllenStosy danych eksperymentalnych zebranych dzięki obserwacji przepływu (strug dymu) w tunelach aerodynamicznych i pomiarów ciśnienia za pomocą rurek Venturiego nie pozostawiają wątpliwości, że prawo Bernoulliego jest słuszne.

W rozumowaniu McLeana najbardziej nowatorskie i godne uwagi jest powiązanie tych czterech elementów. „Wzmacniają się się one nawzajem, tworząc wielostronny związek przyczynowo-skutkowy, w którym żaden element nie mógłby istnieć bez pozostałych – wyjaśnia. – Różnica ciśnień jest źródłem siły nośnej działającej na płat, podczas gdy odchylanie powietrza w dół i zmiana jego prędkości podtrzymują różnicę ciśnień.” Ta szczególna relacja jest piątym elementem wyjaśnienia zaprezentowanego przez McLeana: wzajemna zwrotność pozostałych czterech elementów. Wygląda to tak, jakby cztery elementy kolektywnie powodowały pojawienie się każdego z nich, przez akt równoczesnego tworzenia i podtrzymywania.

Trudno nie dostrzec w tej synergii jakiejś magii. Proces opisany przez McLeana przypomina cztery działające czynniki, które wzbudzają się nawzajem, aby razem mogły zaistnieć. Albo, jak sam to wyjaśnia, „to przypadek kołowego związku przyczynowo-skutkowego”. Jak to możliwe, że każdy z elementów tego oddziaływania podtrzymuje i wzmacnia pozostałe? A co jest przyczyną tego wzajemnego dynamicznego oddziaływania? McLean odpowiada: druga zasada dynamiki Newtona.

Wynika z niej, że każde ciało materialne, a więc także elementarna objętość płynu, ulega przyspieszeniu, które zależy od działającej nań siły. „Druga zasada dynamiki mówi, że jeżeli różnica ciśnień wywiera pewną siłę wypadkową na płyn w jakiejś objętości, to płyn ten musi zmienić swoją prędkość, kierunek ruchu albo obydwie te wielkości równocześnie” – wyjaśnia McLean. Ale patrząc z innej strony, różnica ciśnień powstaje lub jest podtrzymywana, ponieważ płyn jest przyspieszany.

Czy aby coś nie powstaje z niczego? McLean zaprzecza: jeżeli skrzydło spoczywa, żaden z elementów tej wzmacniającej się układanki nie istnieje. Ale kiedy skrzydło przecina powietrze, każdy z czynników zaczyna działać na pozostałe, sprawiając, że współgrające ze sobą elementy pojawiają się i podtrzymują podczas lotu.

Alternatywne modele siły nośnej odwołują się do trzeciej zasady dynamiki Newtona, czyli zasady akcji i reakcji.ShutterstockAlternatywne modele siły nośnej odwołują się do trzeciej zasady dynamiki Newtona, czyli zasady akcji i reakcji.

Relacje wzajemności

Wkrótce po ukazaniu się książki Understanding Aerodynamics McLean dostrzegł niedoskonałość swojego rozumowania, w którym zabrakło wyjaśnienia, dlaczego ciśnienie działające na skrzydło różni się od ciśnienia w otoczeniu. Aby usunąć to niedopatrzenie, McLean w listopadzie 2018 roku w czasopiśmie The Physics Teacher opublikował dwuczęściowy artykuł, w którym zaproponował „wyczerpujące fizyczne wyjaśnienie” siły nośnej.

Chociaż artykuł w dużej mierze powtarza wcześniejsze argumenty McLeana, to pojawiła się próba lepszego wyjaśnienia przyczyn niejednorodności pola ciśnień i uzasadnienia obserwowanego jego rozkładu. W szczególności w nowej argumentacji wprowadzono pojęcie wzajemnego oddziaływania na poziomie pola przepływu, tak że niejednorodne pole ciśnienia jest wynikiem działającej siły, a konkretnie skierowanego w dół parcia płata na powietrze.

Pytanie czy paragraf 7.3.3 podręcznika McLeana i późniejszy artykuł autora zawierają kompletny i poprawny opis pochodzenia siły nośnej, to temat do dyskusji. Istnieją powody, które sprawiają, że trudno jest podać jasny, prosty i satysfakcjonujący opis siły nośnej. Przepływ płynów jest zjawiskiem o wiele bardziej złożonym i trudniejszym do zrozumienia niż ruch ciał stałych. W szczególności dotyczy to rozdzielania się powietrza w kontakcie z krawędzią natarcia skrzydła na dwa strumienie, które następnie są poddane działaniu różnych sił na dolnej i górnej powierzchni. Część dyskusji na temat siły nośnej odnosi się nie tyle do faktów, ile do sposobu ich interpretacji, a to oznacza, że pewne wątpliwości mogą być niemożliwe do rozstrzygnięcia na drodze eksperymentu.

Mimo to jest jeszcze kilka ważnych kwestii, które wymagają wyjaśnienia. Siła nośna, jak pamiętamy, to wynik różnicy ciśnień działających na dolną i górną powierzchnię płata. Mamy już zadowalające wyjaśnienie zjawisk poniżej płata: docierające powietrze wywiera na skrzydło nacisk w kierunku pionowym (siła nośna) i w kierunku poziomym (opór powietrza). Nacisk skierowany w górę jest związany z obszarem podwyższonego ciśnienia pod skrzydłem, co jest wynikiem newtonowskiej zasady akcji i reakcji.

Siła nośna to wynik różnicy ciśnień działających na dolną i górną powierzchnię płata.ShutterstockSiła nośna to wynik różnicy ciśnień działających na dolną i górną powierzchnię płata.

Jednak zupełnie inaczej wygląda sytuacja nad skrzydłem. Występujący tam obszar obniżonego ciśnienia również jest współodpowiedzialny za siłę nośną. Ale jak wytłumaczyć jego obecność, skoro nie można w tym celu posłużyć się prawem Bernoulliego ani trzecią zasadą dynamiki Newtona? Wiemy, że strugi powietrza opływające skrzydło od góry przylegają ściśle do płata, odwzorowując dokładnie jego krzywiznę. Co sprawia, że powietrze nie może oddzielić się od powierzchni skrzydła i poruszać się po linii prostej?

Odpowiedzi na to pytanie udziela Mark Drela, profesor dynamiki płynów z Massachusetts Institute of Technology i autor podręcznika Flight Vehicle Aerodynamics: „Gdyby struga powietrza oderwała się od powierzchni płata, natychmiast w tym miejscu powstałaby próżnia. To z kolei spowodowałoby zasysanie powietrza do usunięcia próżni i przywrócenia przepływu stycznego do powierzchni – wyjaśnia. – Taki mechanizm fizyczny zmusza powietrze, aby ściśle przylegało do powierzchni płata. Nieco niższe ciśnienie występuje przy samej powierzchni, aby wymusić ruch powietrza po zakrzywionym torze.”

Odciąganie lub przyciąganie jednych cząstek powietrza dO innych odpowiada za istnienie pola niskiego ciśnienia powyżej skrzydła. Ale przy okazji pojawia się inne zjawisko: wzrasta prędkość powietrza nad skrzydłem. „Obniżone ciśnienie nad skrzydłem sprawia, że ‘działa siła pozioma’ na cząstki powietrza w strumieniu poruszającym się w górę, tak że ich prędkość wzrasta, kiedy przepływają nad skrzydłem – wyjaśnia Drela. – Tak więc zwiększoną prędkość powietrza nad skrzydłem nośnym można uznać za efekt uboczny obniżonego ciśnienia w tym obszarze.”

Ale jak zawsze, kiedy przychodzi do wyjaśniania siły nośnej na poziomie popularnonaukowym, okazuje się, że eksperci mają różne zdania. Babinsky, aerodynamik z Cambridge mówi: „Niezręcznie mi to przyznać, ale nie zgadzam się z wyjaśnieniem, które podał mój szacowny kolega Mark Drela. Gdyby rzeczywiście tworzenie się próżni stanowiło wyjaśnienie, to trudno byłoby wytłumaczyć, dlaczego czasami przepływ separuje się od powierzchni. Ma on jednak rację we wszystkim pozostałym. Problem w tym, że nie ma tu szybkiego i prostego wyjaśnienia”.

Drela przyznaje, że jego wyjaśnienie może być w pewien sposób niesatysfakcjonujące. „Oczywisty problem polega na tym, że nie istnieje wyjaśnienie, które byłoby powszechnie akceptowane” – stwierdza. Dokąd więc doszliśmy? Dokładnie do punktu, z którego wyszliśmy – do opinii Johna D. Andersona, który przekonywał, że tego nie da się wytłumaczyć jednym zdaniem.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej

  • How Do Wings Work? Holger Babinsky in Physics Education, tom 38, nr. 6, s. 497–503; listopad 2003.
  • The Enigma of the Aerofoil: Rival Theories in Aerodynamics, 1909–1930. David Bloor. University of Chicago Press, 2011.
  • Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics. Doug McLean. Wiley, 2012.
  • You Will Never Understand Lift. Peter Garrison; Flying; 4 czerwca 2012.
  • Flight Vehicle Aerodynamics. Mark Drela. MIT Press, 2014.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.

Świat Nauki 3.2020 (300343) z dnia 01.03.2020; Fizyka; s. 40