A VITORLÁZÁS ELMÉLETE
Téves elméletek: A kacsázó kő elmélete



a kacsázó kő elmélet

Nagyítás


"Kacsázó kő" elmélet

A felhajtóerő egyszerűen a hatás-ellenhatás <--> eredménye, amint a levegőmolekulák a szárny alsó részének csapódva átviszik a nyomatékot a szárnyszelvényre.

Ez az elmélet azon az elgondoláson alapul, hogy a felhajtóerő a levegőben mozgó szárny aljára becsapódó levegőmolekulákkal szembeni ellenhatás. Mivel ez hasonló ahhoz, mint amikor a vízfelület fölé kis szögben elhajított lapos kő kacsázik a vízen, ez a felhajtóerő keletkezését magyarázó elmélet a "Kacsázó kő" elmélet elnevezést kapta. Időnként newtoni felhajtóerő-elméletnek nevezik, mivel Newton harmadik törvényével hozzák kapcsolatba, azonban hogy ne tévesszük össze az áramláselfordítás helyes newtoni elméletével, a továbbiakban "kacsázó kő" elméletnek fogjuk nevezni.

Mielőtt 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 felső felület alakja aznos az alsó felületével. A szárnyszelvény körüli áramlást a mozgó részecskék (kék és fehér színű vonalak) mutatják. A szárnyszelvény állásszögét az ablak alatti csúszkával állíthatjuk, vagy közvetlenül írhatjuk be az ablak alatti mezőbe. A szimulátor jobb oldalán egy műszer és néhány gomb és csúszka található. 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) vagy Pressure (nyomás) jelzésű fehér gombokkal a kívánt változó kijelzését választhatjuk ki. 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 7,5 fokra, és kattintsunk az egérrel a Velocity (sebesség) jelzésű fehér és az Airfoil (szárnyszelvény) jelzésű kék gombokra! Most vigyük a szondát balra, ameddig csak lehet, és jegyezzük fel az áramlás felső részén lévő sebességet! Vigyük a szondát a szárny alsó felületéhez, úgy hogy a szárnyszelvény legvastagabb részéhez legyen közel. Mekkora a sebesség ezen a helyen? Vigyük a szondát az felső felülethez. Melyik felületnél nagyobb a sebesség? Milyen arányban van ez az érték a bal oldalon mért értékhez képest? Mi a felhajtóerő értéke? Változtassuk a szöget mínusz 7,5 fokra! Mi a felhajtóerő értéke? Határozzuk meg a szonda segítségével, hogy melyik felület mentén a legnagyobb a sebesség ennél a repülési k örülménynél.

A "Kacsázó Kő" elmélet kiértékeléséhez, használjuk fel a most szerzett információt!
  • Ez az elmélet csak a mozgó  tárgy alsó felületének és a levegőnek a kölcsönhatását veszi figyelembe. Azt feltételezi, hogy a teljes áramláselfordítást (és így a teljes felhajtóerőt) az alsó felület hozza létre. Azonban, amint a kísérletünkben is láthattuk, a felső felület is elfordítja az áramlást. Tulajdonképpen, ha figyelembe vesszük a felhajtóerőt létrehozó szárnyszelvény által keltett leáramlást, akkor a felső felület nagyobb áramláseltérítést hoz létre, mint az alsó. Ez az elmélet nem említi ezt a hatást, és nem is ad rá magyarázatot.
  • Mivel ezt az elmélet nem veszi figyelemben a felső felületbe csapódó molekulák hatását-ellenhatását, nem jelzi azt a negatív felhajtóerőt, amellyel a kísérletünkben találkoztunk, amikor a szárnyszelvény állásszöge negatív volt. A szárnyszelvény felső részén nincs vákuum. A molekulák még inkább folytonos, véletlenszerű mozgásban vannak a felső (valamint az alsó) felületen, és ezek a molekulák becsapódnak a felületbe és átviszik a nyomatékot a szárnyszelvényre is.
  • A szárnyszelvény felső felülete teljesen kimarad az elméletből. Tehát, ezt az elméletet alkalmazva, az várhatnánk, hogy két azonos alsó felületű, de merőben eltérő felső felületű szárnyszelvény azonos felhajtóerőt hoz létre. Tudjuk, hogy a valóságban ez nem fordul elő. A valóságban, sok utasszállító repülőgépen légterelők (spoilerek) vannak amelyek kis lapok a felső felületen a be- és kilépő élek között. Ezeket a szárnyon létrejövő felhajtóerő változtatására használják a repülőgép manőverezésénél olyan módon, hogy megszakítják az áramlást a felső felület felett. Ez az elmélet nem jelzi ezt a hatást, és nem is ad rá magyarázatot.
  • Ha ennek az elméletnek az alapján akarjuk előre kiszámítani a felhajtóerőt a levegő sűrűségének és az egy adott térfogatban található molekulák számának az ismeretében, akkor a tényleges méréskehez képest a számítás teljesen pontatlan lesz. Ezzel az elmélettel az a fő probléma, hogy figyelmen kívül hagyja a folyadék fizikai tulajdonságait. A felhajtóerőt a mozgó folyadék elfordítása hozza létre, és egy szilárd testnek minden része képes a folyadék elterelésére.
AZONBAN ... ez az elmélet nem teljesen helytelen. Bizonyos repülési módoknál, amikor nagyon nagy a sebesség és nagyon kicsi a sűrűség, egy kevés molekula becsapódhat a szárny felső felületébe, és a newtoni elmélet nagyon pontos előrejelzést ad. Ezek a feltételek következnek be az űrsiklónál a föld atmoszférájába való visszatérés korai fázisaiban 50 mérföld feletti magasságokban és 10 000 mf/óra feletti sebességeknél (a hiperszónikus repülés feltételei). Ezekre a repülési feltételekre az elmélet jó előrejelzést ad. A legtöbb normál repülési feltételnél, mint az utasszállító gépeknél (35 000 láb magasság és 500 mf/óra sebesség) azonban ez az elmélet nem ad jó választ.