A felhajtóerő téves elméletei: A "hosszabb út" elmélete
Felhajtóerő



Egyenlő áthaladási idő elmélete


Hosszabb út" vagy "Egyenlő áthaladási idő" elmélet

A szárnyszelvényt úgy alakítják ki, hogy a felső felület mentén hosszabb legyen az út, mint az alsó felület mentén. mint az alsó részen, így a levegőmolekuláknak hosszabb utat kell megtenni a szárny felett.
A levegőmolekuláknak a szárny felett nagyobb sebességgel kell haladniuk, mint a szárny alatt ahhoz, hogy találkozzanak a kilépő élnél.
A Bernoulli-egyenletnek megfelelően, a szárny feletti nagyobb sebesség kisebb nyomást eredményez. A felhajtóerőt a nyomáskülönbség hozza létre.

Az itt leírt, egyik legszélesebb körben elterjedt, elmélet helytelen magyarázatokat ad felhajtóerő keletkezésére. Ennek az elméletnek a "Hosszabb út" vagy az "Egyenlő áthaladási idő" elmélete elnevezést lehet adni. Az elmélet szerint a szárnyszelvény alakját úgy képezik ki, hogy a felső felülete hosszabb legyen, mint az alsó. A levegőmolekuláknak (kis színes golyócskák az ábrán) hosszabb utat kell megtenniük a szárnyszelvény teteje felett, mint az alsó felülete mentén. Ahhoz, hogy a molekulák összetalálkozzanak a kilépő élnél, a szárny felső része felett haladó molekuláknak gyorsabban kell haladniuk, mint a szárny alatt mozgó molekuláknak. Mivel a felső áramlás gyorsabb, a Bernoulli-egyenletnek megfelelően, kisebb lesz a nyomás. A felhajtóerőt a szárnyszelvény két oldalán kialakuló nyomáskülönbség hozza létre.

Mielőtt közelebbről is megnéznénk, hogy miért rossz ez az elmélet, vizsgáljuk meg a Java-szimulátor segítségével, hogy milyen a tényleges áramlás a szárnyszelvény körül.

A szimulátor használati utasítása: A bal oldali ablakban egy szimmetrikus szárnyszelvény látható. A távolság azonos a tetején és az alján. A szárnyszelvény körüli áramlást a mozgó részecskék (kék és fehér színű vonalak) mutatják. A kis vonal bal oldali vége a részecske helye, és a vonal az áramlás helyi irányának megfelelően dől. A áramlás irányát mutató részecskék közötti távolság a helyi sebességgel arányos. A részecskék állandóan az áramlás felső részén (az ablak bal oldalán) indulnak a szárnyszelvénytől állandó távolságra. A szárnyszelvény állásszögét az ablak alatti csúszkával állíthatjuk, vagy közvetlenül írhatjuk be az ablak alatti mezőbe. A szimulátor jobb oldalán egy műszer látható, néhány gombbal és csúszkával. A műszer a szondánál (kis lila pont a bal oldali ablakban) kialakuló sebesség vagy a nyomás értékét mutatja A szonda helyét műszer alatt, ill. attól balra található csúszkákkal lehet változtatni vízszintes és függőleges irányban. A Velocity (sebesség), Pressure (nyomás), vagy Smoke (füst) jelzésű fehér gombokkal a kívánt változó kijelzését választhatjuk ki. A Smoke gomb kiválasztásával a szondából zöld színű részecskék fognak kiáramlani.  A kék gombok a bal oldali ablakban látható kép kijelzésének a típusát vezérlik.

1. kísérlet

Ha már mozgattuk a szárnyszelvényt, akkor állítsuk be a szöget 0.0 fokra, és kattintsunk az egérrel a fehér Velocity (sebesség), a kék Animation (animácó) és a Close Wiew (közeli nézet) feliratú gombokra! Most vigyük a szondát a legszélső bal oldali helyzetbe, & eacute;s jegyezzük fel az áramlás felső részén lévő sebesség az értékét! Vigyük a szondát a lehető legközelebb a szárnyszelvény aljához a legvastagabb rész közelében! Mekkora a sebesség ebben a pontban? Vigyük a szondát a szárnyszelvény felső felületéhez! Mekkora a sebesség ebben a pontban? Milyen arányban van ez az érték a bal oldalon mért értékhez képest? Vegyük észre, hogy a szárnyszelvény nem hoz létre felhajtóerőt! Most változtassuk a szárnyszelvény állásszögét valamilyen pozitív értékre az ablak alatt lévő csúszkával! Mi a felhajtóerő értéke? Mérjük meg a szondával a szárnyszelvény felső és alsó felülete mentén a sebességet! Melyik felületnél nagyobb a sebesség? Most kattintsunk az egérrel a Pressure (nyomás) feliratú gombra! Mérjük meg a szondával, hogy melyik felületen a legnagyobb a nyomás! Milyen viszonyban van ez a sebességgel?

2. kísérlet

Állítsuk az állásszöget valamilyen nagy pozitív értékre, és kattintsunk az egérrel a kék Direction feliratú gombra! Ez befagyasztja az áramlásmezőt, és lehetővé teszi, hogy megnézzük a sárga, fehér és kék színű részecskék három csoportját. Mindegyik részecskecsoport azonos időben és a szárnyszelvénytől azonos távolságra indul el. Ezt a távolságot a bal oldali alsó csúszkával (Rake release point) tudjuk változtatni. Vigyük a csúszkával a szárnyszelvény felső felületéhez legközelebb lévő sárga részecskét a szárnyszelvény hátuljához! Hol van szárnyszelvény alsó felületéhez legközelebb lévő sárga részecske? Találkoznak-e a részecskék a kilépő élnél? kattintsunk az egérrel a kék Far View (távoli nézet) feliratú gombra! Vonalban állnak-e a részecskék áramlásirányban szárnyszelvénytől távol? Állítsuk a szárnyszelvény állásszögét valamilyen nagy negatív értékre! Mi történik a részecskék relatív elhelyezkedésével?

Az "Egyenlő áthaladási idő" elmélete egyes részeinek a kiértékeléséhez használjuk fel a most szerzett információt!

A felhajtóerőt létrehozó szárnyszelvényt úgy alakítják ki, hogy a felső felülete, hosszabb legyen, mint az alsó.
Ez nem mindig igaz. A kísérletünkben alkalmazott szimmetrikus szárnyszelvény elegendő felhajtóerőt hoz létre, és a felső felülete ugyanolyan hosszú, mint az alsó. Gondoljunk a papírból hajtogatott repülőgépre. Ennek a szárnyszelvénye sík lap a teteje és az alja pontosan azonos hosszúságú és alakú, és mégis egészen szépen repül. Az elméletnek ez a része valószínűleg azért keletkezett, mert a kezdeti szárnyszelvények íveltek voltak, és olyan alakjuk volt, ami nagyobb távolságot adott a szárny tetején. Az ilyen szárnyszelvények jelentős felhajtóerőt és áramláselfordítást hoztak létre, azonban az elfordítás az, ami lényeges, nem pedig a távolság. Léteznek olyan modern, kis közegellenállású, felhajtóerőt létrehozó szárnyszelvények, amelyeken az alsó felület ténylegesen hosszabb, mint a felső. Ez az elmélet arra sem ad magyarázatot, hogyan tudnak háton repülni a repülőgépek, ami gyakran megtörténik a légi bemutatókon és a légi csatákban. Ekkor alul van a hosszabb felület!

A szárny teteje felett lévő levegőmolekulák gyorsabban haladnak, hogy a kilépő élnél találkozzanak a szárny alatt haladó molekulákkal.
Az 1. sz. kísérlet azt mutatja nekünk, hogy a felhajtóerőt létrehozó szárnyszelvény felett az áramlás valóban gyorsabb, mint a szárnyszelvény alatti. Az áramlás azonban sokkal gyorsabb annál, mint ami a molekuláknak a kilépő élnél történő találkozásához szükséges. A belépő élnél egymás közelében lévő molekulák nem egyszerre fognak odaérni a kilépő élhez, amint a 2. kísérlet is mutatja. Az elméletnek ez a része úgy próbálja meghatározni a szárnyszelvény felett sebesség értékét, hogy arra a hibás feltételezésre alapozza, hogy a molekulák találkoznak a hátsó végnél. Ha e feltételezés alapján kiszámítjuk a sebességet, és a Bernoulli-egyenlettel kiszámítjuk a nyomást, és elvégezzük a nyomásterület kiszámítását, akkor a kapott eredmény nem fog megegyezni azzal a felhajtóerővel, amit az adott szárnyszelvényen mérünk. Az "Egyenlő áthaladási idő" elmélet által előre jelzett felhajtóerő sokkal kisebb, mint a mért érték, mivel nagyon kicsi a sebesség. A szárnyszelvény feletti tényleges sebesség sokkal nagyobb, mint a „Hosszabb út” elmélet szerint számított érték, és a felül mozgó részecskék jóval a szárnyszelvény alatt mozgó részecskék előtt érkeznek meg a kilépő élhez.
A felső áramlás gyorsabb, és a Bernoulli-egyenletből következően, a nyomás alacsonyabb. A felhajtóerőt a szárnyszelvény két oldala között kialakuló nyomáskülönbség hozza létre.
Amint az 1. kísérletnél láttuk, az elméletnek ez a része helyes. Ez az elmélet tulajdonképpen azért nagyon vonzó, mivel annak sok része helyes. Ha ismerjük a sebességet, akkor ki tudjuk számítani a nyomást, és meg tudjuk határozni az erőt. Az "Egyenlő áthaladási idő" elmélettel az a probléma, hogy, a fentiekben tárgyaltaknak megfelelően, olyan sebességgel számol, amely nem fizikai feltételezésen alapul.