AERODINAMIKA

Ovim je krilo dobilo određenu zakrivljenost, ali i veću čvrstoću nego u prethodnom eksperimentu. Ono što će vam odmah pasti u oči je, da pri istim napadnim uglovima (u ovom eksperimentu napadni ugao je ugao između pravca struje i zamišljene duži, koja u bilo kojem poprečnom presjeku spaja napadnu i izlaznu ivicu - to je takozvana tetiva) ovo zakrivljeno krilo stvara veći uzgon nego ravno. Šta više, stvara ga i pri nultom napadnom uglu, pa čak i pri manjim negativnim vrijednostima, odnosno kada je napadna ivica nešto ispod izlazne (ovoga puta bi i vi trebalo da uzviknete - Eureka!). Dok držite krilo bićete prinuđeni, da se, borite sa još jednom veoma izraženom aerodinamičkom pojavom, a to je aerodinamički moment, koji će uglavnom sve vrijeme "težiti" da obori napadnu ivicu krila nadolje. Pri tome, što vaše krilo ima veću zakrivljenost, to će pri jednom istom napadnom uglu proizvoditi veći uzgon (odlično!), ali i veći aerodinamički moment i otpor (loše!), pa sa zakrivljenjem nemojte baš pretjerivati. Nažalost, pri dovoljno velikim pozitivnim ili negativnim napadnim uglovima i ovo krilo će početi pretjerano da se uvija i deformiše i tu će vašem zadovoljstvu biti kraj. Ili možda baš i nije tako? Čitajte dalje.
Eksperiment broj tri (samo za entuzijaste!): zakrivljeno krilo iz prethodnog eksperimenta spustite na tanak papir, olovkom ocrtajte njegovu obodnu konturu, odsjecite ga po tako označnim ivicama i zatim po napadnoj i izlaznoj ivici precizno i pažljivo zaljepite sa donje strane za zakrivljeno krilo tako, da papir i dalje ostane ravan. Pri tome dobijate poprečni presjek kao na slici 3.

Kada se ljepak dobro osuši, počnite sa radom. Ono što čete sasvim sigurno zaključiti (sada ste već iskusan eksperimentator, pa vodite računa i o tome, da je sada krilo za nijansu postalo teže zbog dodatog papira koji ste zaljepili) je, da ovo krilo pri određenom napadnom uglu stvara uzgon i aerodinamički moment veći nego u prvom eksperimentu, ali nešto manji nego u drugom eksperimentu. Ovo je sasvim logično, jer je efektivna zakrivljenost ovog krila, definisana zamišljenom srednjom linijom poprečnog presjeka u pravcu strujanja (linija, koja je podjednako udaljena od gornje površine krila - gornjake i od njegove donje površine - donjake), upola manja nego u drugom eksperimentu. Međutim, ono što će vam sigurno izmamiti osmjeh na licu je činjenica, da će ovo krilo bez deformisanja izdržati i najveće brzine bilo kakvog ventilatora koji vam padne šaka, i to i pri vrlo velikim napadnim uglovima.

Iz svega ovoga možemo izvući nekoliko bitnih zaključaka. Kao prvo, problem letenja se u suštini svodi na stvaranje sile uzgona (zahvaljujući njoj krilo u jednom trenutku počinje samo sebe da nosi), a nju generišemo letenjem pod određenim napadnim uglom ili koriščenjem zakrivljenog presjeka krila ili, najčešće, istovremenim korišćenjem jednog i drugog efekta. Neželjene posljedice stvaranja uzgona su pojava otpora i aerodinaniičkog momenta.
Da bi se sa njima izborili vazduhoplovni inženjeri ulažu veliki trud u kreiranju takvih poprečnih presjeka krila - tzv. aeroprofila (slika 4.), koji će na zadanom režimu leta formirati potreban uzgon uz stvaranje što manjeg otpora i aerodinamičkog momenta.

Sa druge strane, njihov oblik takođe krilu mora obezbjediti dovoljnu krutost i čvrstoću uz korišćenje što je moguće manje materijala, a u cilju smanjenja težine aviona na najmanju moguću mjeru. Konkretno, s aspekta naših eksperimenata, u prvom eksperimentu krilo ima aeroprofil tipa "ravna ploča", koji u praksi skoro da i nema ozbiljnije primjene (osim u slučaju krila papirnatih aviončića i repnih površina manjih takmičarskih letečih modela i nekih veoma laganih sportskih aviona). Aeroprofil - zakrivljena ploča, koji smo koristili u drugom eksperimentu, dosta podsjeća na aeroprofile prvih aviona (slika 5.), čija su krila bila dosta slaba, pa su morala imati obavezna ojačanja u obliku velikog broja upornica i čeličnih užadi, koja su im nadoknađivala nedovoljnu sopstvenu čvrstoću.

U trećem eksperimentu aeroprofil krila po koncepciji podsjeća na aeroprofile savremenih aviona (slika 6.), koji, osim što zadovoljavaju postavljene aerodinamičke zahtjeve uz primjenu odgovarajučih materijala, krilu obezbjeđuju takvu krutost, da dodatna spoljašnja ojačanja u najvećem broju slučajeva nisu potrebna (a na većim brzinama nisu ni poželjna).

Ako ste u duši pravi (budući) vazduhoplovac, eksperimenti sa početka ovog teksta su vas sigurno zainteresovali i podstakli na razmišljanje o tome, šta se to u stvari dešava oko naših eksperimentalnih krila. Da bi smo to razjasnili, posmatraćemo, na primjer, krilo iz trećeg eksperimenta ali, radi jednostavnosti, u položaju kada je donjaka paralelna sa pravcem vazdušne struje (tj. kada je napadni ugao jednak nuli). Sjetite se, krilo u prvom eksperimentu u tom slučaju nije stvaralo nikakav uzgon, a krila u drugom i trećem eksperimentu jesu. U ovom konkretnom slučaju, duž donje strane je--brzina-vazduha--ispred--krila. Sa gornje strane situacija je bitno drugačija. Zato čemo ovdje za trenutak napraviti jednu malu digresiju.
Da li ste ikada zalivali baštu ili prali auto? Vjerovatno jeste, pa znate, daje jedan od načina da mlazom dobacite do neke udaljene tačke taj - da povečate njegovu brzinu, a to postižete stiskanjem kraja crijeva, odnosno smanjenjem površine presjeka kroz koji istiće voda. Što više, stisnete crijevo, odnosno smanjite njegov protočni presjek na kraju, brzina vode je veća, i obrnuto (ovo vam je čuveni zakon kontinuiteta u praksi). Poznato je, da se vazduh, naroćito pri kretanju manjim brzinama, ponaša isto ili vrlo slično kao i voda, pa zato vazduh, vodu i druge tečnosti i gasove nazivamo jedinstvenim imenom -fluidi. Da bismo ovo povezali sa letenjem, posmatrajmo sliku 7.

Na nekom mjestu, dovoljno, ali ne previše daleko od gornjake krila, postoji i takva vazdušna strujnica (vazdušne strujnice su inaće - linije definisane putanjama čestica vazduha) koja više nije deformisana - zakrivljena usljed prisustva našeg krila u vazdušnoj struji. Između te strujnice, označićemo je sa "B - B", i konture gornjake: presjek zamišljene strujne oblasti od napadne ivice se progresivno sužava do najviše tačke na gornjaci, a zatim se i postepeno povećava, da bi na izlaznoj ivici postao isti kao i na napadnoj ivici. Samim tim, po analogiji sa crijevom, brzina vazduha oko gornjake od napadne ivice progresivno raste, dostiže maksimum negdje oko najisturenije tačke gornjake (tu je presjek najuži), a zatim polako opada do izlazne ivice, gdje ima vrijednost praktično jednaku onoj ispred krila.
Ovo smo mogli da opišemo i drugačije. Naime, pri strujanju vazduha na prednjoj strani krila u svakom trenutku se dva susjedna fluidna djelića (dovoljno male "čestice" vazduha) razdvajaju i jedan kreće na put oko gornjake, a drugi oko donjake.
Oni će nužno morati da se u istom trenutku "sretnu" na izlaznoj ivici, jer ako bi se neki od njih usput zagubio ili zakasnio, negdje oko aeroprofila bi došlo do pojave vakuuma (bezvazdušnog prostora), a to je nemoguće. Pošto gornja čestica za isto vrijeme prelazi duži put, jasno je, da je njena srednja brzina veća nego brzina one koja opstrujava donjaku. Sve je to lijepo, ali vam još uvjek vjerovatno, nije jasno kakve veze sve to ima sa letenjem.
Da bismo to konačno razjasnili, moraćemo da pomenemo čuvenog naučnika Danijela Bernulija i fizički zakon po njemu poznat kao Bemulijev zakon, prvi put zvanično objavljen u njegovoj knjizi "Hidrodinamika" iz davne 1738. godine. On je ustanovio, da je pritisak koji fluid vrši na opstrujavanu konturu utoliko manji, ukoliko je brzina kojom on struji preko konture veća. Danijel Bernuli je do ovih spoznaja došao uz veoma veliku pomoć svoga oca, takođe poznatog naučnika s početka osamnaestog vjeka - Johana Bernulija, koji se po ovom pitanju izgleda odrekao slave u sinovljevu korist. U slučaju našeg krila, postoje brzina na gornjaci veća, pritisak koji na nju djeluje je manji nego onaj koji djeluje na donjaku krila. Ako ovako ostvarenu razliku pritisaka između gornjake i donjake, koja djeluje vertikalno naviše, pomnožimo površinom na koju ona djeluje, a to je u stvari površina krila, dobijamo upravo silu uzgona! Sasvim je jasno, da će uzgon biti utoliko veći ukoliko je ostvarena razlika u brzinama, pa samim tim i u pritiscima, između gornjake i donjake veća. Šta će se desiti, ako sada povećamo napadni ugao našeg krila? Sjetite se, do sad je, po dogovoru, on bio jednak nuli. U tom slućaju, posmatrano sa strane, tačka ispred krila u kojoj se strujnice razdvajaju na one koje idu ispod i one koje idu iznad krila će se pomjeriti nešto ispod napadne ivice. Sada strujnice sa gornje strane prelaze još duži put, znači ostvaruju još veći priraštaj brzine u odnosu na brzinu vazduha ispred krila, dok će one sa donje strane čak biti primorane da malo "prikoče" i „sačekaju" one odozgo, do njihovog konačnog susreta na izlaznoj ivici. U odnosu na spoljašnji atmosferski pritisak na donjaci se, usljed, smanjenja brzine, pojavio natpritisak; a na gornjaci, usljed daljeg povećanja brzine, još veći potpritisak. Krajnji efekat svega je, da se razlika pritisaka još više povećala, pa je samim tim i stvorena sila uzgona postala veća nego pri nultom napadnom uglu.
Ovim se takođe može objasniti i nastanak uzgona na krilima sa tzv. simetričnim, aeroprofilima, odnosno s aeroprofilima čija je srednja linija prava pri napadnim uglovima većim od nule (kod njih je, logično, uzgon jednak nuli pri alfa = 0 stepeni). Na slici 8. su prikazane oblasti potpritiska (strelice usmjerene od opstrujavane površine) i natpritiska (strelice usmerene ka opstnijavanoj površini) na jednom zakrivljenom realnom aeroprofilu, pri određenom napadnom uglu.

Nažalost, sa povećanjem napadnog ugla uzgon može da raste samo do jedne određene granice (jasno, pod uslovom da krilo prije toga ne počne da se deformiše), poslje čega, sa daljim povečanjem napadnog ugla uzgon počinje da opada. Sa promjenom napadnog ugla tačka razdvajanja vazdušne struje na gornju i donju (ona se u aerodinamici inaće naziva zaustavnom točkom) "šeta" oko napadne ivice, pri čemu se na pozitivnim napadnim uglovima (nos gore) nalazi ispod, a na negativnim napadnim uglovima (nos dole) - iznad napadne ivice. Zato, za razliku od našeg trećeg eksperimentalnog krila sa špicastim nosem, a u cilju "glatkijeg" opstrujavanja nosa, aeroprofili koji se koriste u operativnoj upotrebi imaju zaobljen prednji dio.
Kako već vjerovatno pretpostavljate, jedan od prvih i najhitnijih koraka pri projektovanju aviona predstavlja upravo izbor optimalnog aeroprofila uzgonskih površina. Pri tome, za krila se najčešće koriste aeroprofili s određenom zakrivljenošću, dok se u slučaju repnih površina aviona češće koriste simetrični aeroprofili. U slučaju sporijih aviona aeroprofili su deblji i imaju veću krivinu, jer tako obezbjeđuju dovoljnu nosivost (što će reći - uzgon) i čvrstoću, uz srazmjerno malu sopstvenu težinu. Pošto otpor aviona velikim djelom zavisi i od debljine krila i, kako čemo u jednom od sljedećih nastavaka vidjeti, raste sa kvadratom brzine, to se kod brzih aviona obavezno koriste aeroprofili malih debljina i zakrivljenosti, koji samim tim stvaraju manji aerodinamički otpor, ali su takva krila i znatno teža, jer se u njih mora ugraditi mnogo više materijala da se ne bi polomila pri manevrima u letu.
Ako bi vam neko postavio pitanje: da li deblje krilo ima jedan sportski aviončić ili jedan veliki mlazni putnički avion, mislim, da bi većina kao iz topa odgovorila pa normalno, putnički! E pa, gospodo, malo ste požurili s odgovorom. U aerodinamičkom smislu pojam debljine je vrlo relativan. U večini slučajeva aerodinamičko "ponašanje" krila ne zavisi od stvarne maksimalne debljine aeroprofila tog krila na nekom konkretnom mjestu, izražene npr. u centimetrima, već od odnosa maksimalne debljine i dužine tetive aeroprofila na tom mjestu, odnosno od takozvane (maksimalne) relathme debljine aeroprofila! Ovo se takođe odnosi i na zakrivljenost aeroprofila, na radijus nosa aeroprofila, znači na sve, njegove relevantne geometrijske parametre (slika 9.).

Zato sve komentare i prethodnog pasusa treba posmatrali isključivo u kontekstu relativne debljine, relativne zakrivljenosti itd. U tom slučaju nije rijetka pojava, da sportski avioni imaju krila večih relativnih debljina od srednjih vrijednosti relativnih debljina krila mlaznih aviona (naglašava se "srednjih", jer se najčešće krila većih aviona prave tako, da njihova relativna debljina opada od korjena ka krajevima krila).
Ovi relativni geometrijski parametri se najčešće izražavaju u procentima. Tako u smislu relativne debljine (ako se drugačije ne naglasi, onda se uvjek misli na maksimalnu relativnu debljinu, na maksimalnu zakrivljenost itd.) aeroprofili mogu biti: debeli (12% - 20%, a ponekad i više, mada veoma rijetko - sportska i transpnrtna avijacija, jedrilice), srednji (8% - 12%, okozvučne letjelice) i tanki (manje od 8% - brzi avioni, a kod nekih nadzvučnih lovaca čak samo oko 3%). U pogledu zakrivljenosti srednje linije (ili kako se u žargonu češće kaže - krivine) aeroprofili mogu imati: veliku krivinu (preko 4%), srednju (2% - 4%), malu (do 2%), ili mogu, kako smo već napomenuli, biti simetrićni (krivina je 0%, odnosno, tada se srednja linija poklapa sa tetivom). Ove podjele su, međutim, jako uopštene. Za posebne kategorije letjelica, domene brzina, namjene itd. naučnici u svjetu su do danas razvili izuzetno mnogo takozvanih familija aeroprofila, odnosno srodnih grupa i kategorija aeroprofila. Vjerovatno je najveći posao u ovom smislu obavila američka agencija NASA, ili, kako se prije početka ere kosmičkih letova zvala - NACA, pa se često ova skračenica može naći u okviru oznake aeroprofila mnogih poznatih vazduhoplova. Familije aeroprofila, koje je ova agencija projektovala, nastale su kombinovanjem zahtjeva nosivosti, diktiranih oblikom srednje linije i čvrstoće, manifestovanih u relativnoj debljini i u njenoj takvoj raspodjeli duž tetive da stvara što manji otpor. Kombinovanjem raznih tipova srednjih linija i raspodjela debljina nastali su mnogobrojni aeroprofili, koji korisnicima daju široke mogučnosti optimalnog izbora za konkretne uzgonske površine. U Rusiji je slićan posao obavio institut TsAGI; dok su u Velikoj Britaniji, Francuskoj i Njemačkoj to uradili (istina u nešto manjem obimu) njihovi nacionalni instituti. Specifični aeroprofili su razvijani i za letjelice posebnih namjena. Tako su, na primjer, na jedrilicama široko koriščeni aeroprofili tipa Wortman, a u novije vrijeme i aeroprofili s oznakom HQ. Za avione namjenjene manjim brzinama, od kojih se zahtjeva velika nosivost, veoma često se koriste jako dobri aeroprofili s oznakama GA(W)-1 i GA(W)-2, koje je razvio konstruktor Witcomb u saradnji s agencijom NASA. Za najnovije putničke avione su razvijeni takozvani superkritični aeroprofili, koji pri letu na brzinama bliskim brzini zvuka stvaraju manji otpor od ostalih aeroprofila koji su danas u upotrebi. Interesantno je reći, da su pomenuti aeroprofili s oznakom GA(W) proistekli iz superkridčnih aeroprofila (u želji da se neke sjajne osobine ovih drugih iskoriste i na aeroprofilima namjenjenim manjim brzinama leta), pa se zato nazivaju i "derivativi" superkritičnih aeroprofila, iako po svojoj namjeni i formi predstavljaju sasvim zasebnu familiju.
Osim aeroprofila namjenjenih uzgonskim površinama letjelica, razvijene su i serije aeroprofila za neke druge namjene, kao na primjer: za kompresore i turbine mlaznih motora, za specijalne tipove avionskih elisa i rotora, za vjetrogeneratore, parne turbine itd. Konačno, i elisa vašeg kućnog ventilatora sa početka ove priće ima nekakav aeroprofil, manje ili više pažljivo projektovan, po principu - "koliko para toliko i muzike".
Da bi se isprojektovao jedan dobar aeroprofil namjenjen komercijalnim letjelicama, potrebno je da tim vrsnih inženjera -aerodinamičara tome poslu posveti mjesece, pa i godine napornog rada uz korišćenje vrhunske opreme u nekoj instituciji specijalno namjenjenoj za takvu vrstu projektovanja. Ovaj postupak se u solidnoj mjeri može pojednostaviti i olakšati korišćenjem savremene kompjuterske opreme, čime se vrijeme potrebno za ispitivanja u aerotunelima može mnogo skratiti. Uprkos ovome, projektovanje aeroprofila i dalje predstavlja veoma respektivan posao.
Ako ste bili dovoljno zainteresovani i strpljivi, praveći krilo za eksperimente sa početka ovog teksta i vi ste ustvari, iako nesvjesni toga, konstruisali svoj sopstveni aeroprofil. Ipak, tačno je, da aeroprofil vašeg eksperimentalnog krila sigurno nikada neće ući ni u jedan katalog niti u operativnu upotrebu, ali vam je pomogao da nešto naučite, pa ste zato, nadam se, ipak ponosni na njega. Ukoliko vam se ovo dopalo, probajte sa nekim novim oblikom aeroprofila (ali, neka bar malo liči na neki od onih koji su prikazani u ovom članku) i sa novim krilom.
Na kraju sam dužan da vas upozorim, da, ukoliko želite da nastavite s eksperimentisanjem, vodite računa o tome, da kojim slučajem i vi ne postanete jedna od "žrtava" vazduhoplovstva. Pitate se kako?
Pa, jednostavno. Ako budete pretjerano dugo sedjeli ispred uključenog ventilatora, postoje velike šanse da navučete nazeb!

vrh strane