A VITORLÁZÁS ELMÉLETE
Téves elméletek: Venturi-elmélet



Venturi elmélet

Nagyítás


A szárnyszelvény felső felülete az áramlást leszűkítő Venturi-csőhöz hasonlóan viselkedik.
A leszűkülés következtében felgyorsul az áramlás (a sebesség és a keresztmetszet szorzata állandó).
A Bernoulli-egyenlet szerint, a sebesség kis nyomást eredményez.
A felső felületen kialakuló lecsökkent nyomás hozza létre a felhajtóerőt.

Ez az elmélet azon az elképzelésen alapul, hogy a szárny felső felületét úgy alakítják ki, hogy az olyan fúvókaként működjön, amely felgyorsítja az áramlást. Az ilyen fúvókaelrendezést Venturi-csőnek nevezik. Ha állandó sűrűség mellett csökkentjük a keresztmetszetet, akkor növekszik a sebesség. A téves szárnyelmélet szerint, a szárnyszelvény teteje ívelt, ami leszűkíti az áramlást. Mivel csökken a keresztmetszet, növekszik a szárnyszelvény feletti sebesség. A Bernoulli-egyenlet szerint a nagyobb sebesség kisebb nyomást eredményez a felső felületen. A felhajtóerőt a szárny felső felületén kialakuló kis nyomás hozza létre.

Mielőtt megnéznénk, hogy miért rossz ez az elmélet, vizsgáljuk meg a Java-szimulátor segítségével, hogy milyen a tényleges áramlás a szárnyszelvény körül!
Aszimulátor használati utasítása: A bal oldali ablakban egy szimmetrikus szárnyszelvény látható; a felső felület alakja azonos 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 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 tárgy alakját változtatják.

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 gombra! 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 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? Most kattintsunk az egérrel a Pressure (nyomás) segítségével állapítsuk meg, hogy melyik felületen a legnagyobb a nyomás! Milyen viszonyban van ez a sebességgel? Vigyük a szondát a felső felülethez, és kattintsunk az egérrel a Velocity (sebesség) feliratú gombra! Most vigyük a szondát felfelé a szárnyszelvény felületétől, és figyeljük meg, hogyan változik a sebesség a műszeren!

2. kísérlet

Az előző kísérlet feltételei mellett, kattintsunk az egérrel a Flat Plate (sík lap) feliratú kék gombra. Figyeljük meg a felhajtóerő kis változását! Az előzőekhez hasonlóan, derítsük fel, hogy hol alakulnak ki nagy és kis sebességek és nyomások, és hogyan változik a sebesség és a nyomás amint a szondát eltávolítjuk a szárnyszelvénytől! Változtassuk az állásszöget 7,5 fokról mínusz 7,5 fokra. Mi történik a felhajtóerővel? Hogyan változik meg a sík lemez körüli áramlás? Használjuk a szondát!

Értékeljük ki a "Venturi" elmélet különböző részeit a most szerzett információ ismeretében!
  • Az elmélet a Venturi-cső elemzésén alapul. A szárnyszelvény azonban nem Venturi-cső. Nincs olyan fantomfelület, amely a cső másik felét alkotja. A kísérleteink során megfigyelhettük, hogy a szárnysezlvénytől távolodva fokozatosan csökken a sebesség, végső fokon közelítve a szabad áramlás sebességéhez. Ez nem az a sebesség, ami a cső középvonala mentén tapasztalható, és ami jellemzően nagyobb, mint a fal melletti sebesség.
  • A Venturi-elemzés nem tudja előre megjósolni azt a felhajtóerőt, amit a sík lemez hoz létre. A sík lemez belépő éle nem jelent áramlásleszűkülést, tehát valójában nem alakul ki "fúvóka". Lehet azzal érvelni, hogy kialakul egy "fúvóka", amikor a sík lemez állásszöge negatív. Azonban, amint a 2. kísérletnél láttuk, ez negatív felhajtóerőt hoz létre. A negatív állásszögű szárnyszelvény felső felületén a sebesség ténylegesen kisebb lesz; az áramlás nem gyorsul fel, ahogy azt a fúvókamodell alapján várnánk.
  • Ez az elmélet csak a szárny felső felülete mentén kialakuló nyomással és sebességgel foglalkozik. Figyelmen kívül hagyja az alsó felület alakját. Ha helyes lenne ez az elmélet, akkor az alsó felületet bármilyen alakúra választhatnánk, és a felhajtóerő azonos lenne. Ez nyilvánvalóan így nem működik - az alsó felület igenis hozzájárul a szárnyszelvény által létrehozott felhajtóerőhöz. (A gyakorlatban az egyik téves elmélet azt veti fel, hogy csak az alsó felület hozza létre a felhajtóerőt.)
  • Az elméletnek az a része, amely a Bernoulli-egyenletről, a szárny feletti és alatti nyomások különbségéről szól, helyes. Ez az elmélet tulajdonképpen nagyon vonzó, mert vannak olyan részei, amelyek helyesek. Ha ismernénk a sebességet, akkor megkaphatnánk a nyomást és meg tudnánk határozni a sebességet. A "Venturi"-elmélettel az a probléma, hogy a sebességet helytelen feltételezés alapján vezeti le (az áramlás leszűkítése hozza létre a sebességmezőt). Ha e feltételezés alapján kiszámítunk egy sebességet, és a Bernoulli-egyenlet segítségével meghatározzuk a nyomást, és elvégezzük a nyomásfelület-számítást, akkor a kapott eredmény nem fog megegyezni azzal a felhajtóerővel, amit egy adott szárnyszelvényen mérünk.