2. EEN BEETJE THEORIE
HOE KAN EEN VLIEGTUIG VLIEGEN?
Wanneer je in een rijdende auto met het raam open rijdt en je hebt je arm net buiten de raamopening in de luchtstroom, dan voel je het volgende:
- Houd je je arm vanaf je elleboog precies recht naar voren in de luchtstroming, dan wordt je arm naar achteren geduwd.
- Houd je je arm vanaf je elleboog naar je hand toe iets omhoog, zodat je arm een hoek maakt met de aanstromende lucht, dan voel je tevens een sterke kracht omhoog.
- Houd je je arm iets omlaag dan voel je een kracht omlaag en naar achteren.
Een vliegtuig kan alleen maar vliegen als het voorwaartse snelheid heeft.
Stel dat een vleugel van een vliegtuig een platte plank zou zijn en dat die plank evenwijdig aan de luchtstroming opgesteld is, dan ondervindt die plank alleen een (wrijvings)weerstandkracht (W) naar achteren.
Als de plank een hoek maakt met de richting van de luchtstroming (de z.g. invalshoek), dan wordt de langsstromende lucht naar beneden afgebogen en dit geeft een reactiekracht op de plank naar boven. De totale luchtkracht R (de resultante) die de plank ondervindt, kunnen we ontbinden in een component L (de lift, draagkracht) en een component W (de weerstand).
Een vliegtuig met planken als vleugels zou een grote weerstand ondervinden en daarom vond men al in het begin van de luchtvaart, afgekeken van de vogels, de aerodynamische vorm van de vleugel uit. Een vleugel met zo’n vorm levert weinig weerstand op en veel lift en dat is precies wat we nodig hebben.
We kunnen het verschijnsel lift bij een vleugel ook als volgt omschrijven. Door op- en neerstroming voor en achter het vleugelprofiel zijn de lokale snelheden over de bovenzijde van het profiel groter dan aan de onderzijde. In sneller stromende lucht daalt de luchtdruk. Door het snelheidsverschil van de luchtstroming tussen onderzijde en bovenzijde van het vleugelprofiel, ontstaat er dus een drukverschil tussen onderzijde en bovenzijde van de vleugel. Aan de onderzijde ontstaat een overdruk en aan de bovenzijde een onderdruk. Door dit drukverschil ontstaat een kracht die we de draagkracht (lift) van de vleugel noemen.
DE INVLOED VAN DE INVALSHOEK OP DE WEERSTAND
Bij het vergroten van de invalshoek neemt de weerstand toe en bij het verkleinen van de invalshoek neemt de weerstand af.
DE INVALS HOEK EN DE LIFT
Bekijken we de invloed van de invalshoek op de lift, dan zien we dat deze niet precies zo als met de weerstand verloopt. Het begin van het verhaal is hetzelfde.
Bij het verkleinen van de invalshoek neemt de lift af, bij het vergroten van de invalshoek neemt de lift toe. Dit vergroten van de invalshoek kan echter niet ongestraft doorgaan, want bij een invalshoek van ongeveer 15° kan de luchtstroming het profiel van de vleugel niet meer volgen.
Hij breekt af in wervels en de lift neemt behoorlijk af. Dit noemen we de kritische invalshoek. Onthoud dat bij vergroting van de invalshoek de lift en de weerstand toenemen, maar dat bij het bereiken van de kritische invalshoek de lift sterk afneemt en de weerstand sterk toeneemt.
Dit gebeurt er als je probeert om steeds langzamer te vliegen door de stuurknuppel steeds verder naar achteren te bewegen: uiteindelijk kom je bij de kritische invalshoek. Als je dan nog langzamer probeert te vliegen dan zal het naar achteren bewegen van de stuurknuppel de neus niet meer optillen en de invalshoek niet meer vergroten; de vleugel is overtrokken. De luchtstroom over de bovenkant is turbulent, de weerstand neemt behoorlijk toe en het zweefvliegtuig zal sneller dalen dan bij een normale vlucht.
Gelukkig is het herstellen van een overtrek heel eenvoudig - gewoon de stuurknuppel naar voren bewegen, dan zakt de neus en de invalshoek van de vleugel te verkleint. Zodra de vleugel niet meer overtrokken is, is de luchtstroom over de vleugel niet meer turbulent en neemt de weerstand drastisch af. De besturing en de daalsnelheid zijn dan weer normaal.
De turbulente stroming over de vleugel kan worden gevoeld als schudden van de stuurorganen of de romp. Met allemaal draadjes op de vleugel kun je zien waar de luchtstroming het vleugelprofiel niet meer kan volgen.
EVENWICHT VAN DE LIFT EN HET GEWICHT VAN HET ZWEEFVLIEGTUIG
In de praktijk zeggen we vaak dat de lift evenwicht maakt met het gewicht van het vliegtuig. Voor een juist begrip van de theorie behoren we te zeggen dat R (de totale luchtkracht) evenwicht maakt met het gewicht van het vliegtuig.
Op de afbeelding hierboven zie je dat de lift (L) loodrecht op de luchtstroom staat en het gewicht (G) loodrecht naar beneden wijst.
W is de weerstand en die staat precies in het verlengde van de luchtstroom. Recht tegenover het gewicht staat R.
W is de weerstand en die staat precies in het verlengde van de luchtstroom. Recht tegenover het gewicht staat R.
R is het resultaat van de krachten L en W. Oftewel R is de resulterende luchtkracht op te splitsen in de component lift en de component weerstand. Bij gewoon rechtuitvliegen is de lift (L) bijna net zo groot als de resulterende luchtkracht (R). Je kunt in dit geval dus zeggen dat de lift ongeveer gelijk is aan het gewicht van het vliegtuig.
DE INVALSHOEK EN HET GEWICHT
De grootte van de lift is in hoge mate afhankelijk van de vliegsnelheid en van de invalshoek. Bij normale vliegsnelheid met twee inzittenden vlieg je met een invalshoek van ongeveer 7°. Je vliegt dan met een gunstige verhouding van lift en weerstand. Wat gebeurt er met de invalshoek als er twee lichtere vliegers in zitten of als je solo vliegt in deze tweezitter en je vliegt wel met dezelfde vliegsnelheid? Het toestel is dan lichter geworden. Heb je dezelfde snelheid dan verandert de invalshoek. De invalshoek is nu iets kleiner, want een kleinere invalshoek geeft minder lift en zo ontstaat er weer een evenwicht tussen de lift en het gewicht.
DE INVALSHOEK EN DE SNELHEID
Stel je vliegt met jouw instructeur in deze tweezitter met gewone snelheid en je gaat iets langzamer vliegen. Wat gebeurt er nu met de invalshoek?
De snelheid wordt minder, dat betekent dat de snelheid een kleinere bijdrage aan de lift levert. Dan moet de invalshoek groter worden om meer lift te leveren en weer evenwicht te maken met het gewicht.
De theorie van het vliegen, gebaseerd op de wetten van de aerodynamica, is evenzeer van toepassing op een Grunau Baby van buizen, hout en linnen met een spanwijdte van 13,20 m en voor het eerst gebouwd in 1931, als op een hypermoderne JS1 van aramide en koolstof vezels met een spanwijdte van 18 m.
