Luchtstroming om vleugelprofiel

Aerodynamica

De belangrijkste vliegtechnieken voor het modelzweefvliegen in ons vlakke Nederland hebben betrekking op het zoeken naar en gebruik maken van de thermiek. Voor het toepassen van een goede vliegtechniek is enige kennis van de aerodynamica van het modelvliegtuig heel zinvol. Met aerodynamica wordt bedoeld de invloed van de bewegende lucht op het vliegtuig. De langsstromende lucht oefent bepaalde krachten uit op het vliegtuig waardoor het kan vliegen.

Krachten

Tijdens een horizontale vlucht met constante snelheid werken er vier krachten op een vliegtuig:
1. de lift (draagkracht); de kracht die het vliegtuig in de lucht houdt
2. de zwaartekracht (gewicht); de aantrekkingskracht van de aarde
3. voortstuwingskrachten; de kracht van bijvoorbeeld de propeller of de lierkabel
4. de weerstand; de kracht door de wrijving van de lucht op de romp en de vleugels

De lift heft de zwaartekracht op en de propeller (P) heft de weerstand (W) op. Deze krachten zijn in de onderstaande afbeelding met pijlen weergegeven.

Krachten op vleugel

Zwaartepunt

Het zwaartepunt is de locatie in het modelvliegtuig waar men zich de totale massa van het vliegtuig geconcentreerd kan denken.

Assen

Het zwaartepunt wordt ook beschouwd als de oorsprong van drie denkbeeldige, loodrecht op elkaar staande assen:
1. de langs-as in de lengterichting van de romp
2. de dwars-as in de spanwijdterichting
3. de topas, loodrecht naar beneden door het punt van de twee eerstgenoemde assen
Zie de onderstaande afbeelding:

Assen van een vliegtuig

Luchtstroom rondom een vleugel

Al in het begin van de luchtvaart ontdekte men een goede aerodynamische vorm van de vleugel. Deze vorm heeft een afgeronde vleugelneus en een spits toelopende achterrand. De vleugelneus is vrij dik en stevig en de achterrand is dun. Verder is de onderkant vrij vlak is en de bovenkant behoorlijk bol. Een vleugel met zo’n vorm geeft weinig weerstand en veel lift en dat is precies wat we nodig hebben. Een dwarsdoorsnede van een vleugel heet het vleugelprofiel, zie onderstaande afbeelding (links). De luchtstroom rond een dergelijk vleugelprofiel is weergegeven in de afbeelding hieronder (rechts).

Vleugelprofiel - Vleugelneus - Vleugel achterrand
Luchtstroom rondom vleugel


Voordat we verder gaan, even een paar begrippen

In de onderstaande afbeelding zijn de belangrijkste onderdelen van een vliegtuig zichtbaar. Hierin zit de remklep op de bovenzijde van de vleugel. De remklep zit ook vaak als roer naast het rolroer aan de achterkant van de vleugel, direct naast de romp.

Onderdelen en besturingsorganen modelvliegtuig

Koorde

De langst mogelijke rechte lijn van de achterrand naar de vleugelneus is de vleugelkoorde.

Instelhoek

De hoek van de vleugelkoorde met de langs-as van het vliegtuig is de instelhoek. Deze hoek is vast en door de fabrikant bepaald.
Ook het stabilo maakt een hoek met de langs-as. Deze instelhoek hoek is normaliter kleiner dan de hoek van de vleugelkoorde met de langs-as.

Invalshoek

De invalshoek is de hoek van de vleugelkoorde met de luchtstroom. Door op de zender de stick van het hoogteroer naar voren of naar achteren te bewegen verandert de invalshoek tijdens een vlucht.

Instelhoek en invalshoek van vleugel

Hoe kan het dat een vliegtuig vliegt ?

Om te kunnen vliegen heeft een vleugel lift nodig. Die lift ontstaat door twee effecten:

1. Actie is reactie
Volgens de derde wet van Newton is er bij iedere actie een even grote, maar tegengestelde reactie. Door de stand van de vleugel wordt de luchtstroom naar beneden afgebogen. Dit geeft een reactiekracht naar boven.

2. Drukverschil tussen onder- en bovenkant van de vleugel
De lucht langs de bolle bovenkant van de vleugel stroomt sneller dan langs de onderkant. Aan de onderkant ontstaat een hogere druk en aan de bovenkant een lagere. Door dit drukverschil ontstaat een kracht die we de lift van de vleugel noemen. Normaal draagt de overdruk aan de onderkant ongeveer een derde bij aan de lift van de vleugel en de onderdruk aan de bovenkant zorgt voor twee derde van de lift.

De invalshoek en de lift

Voor het profiel ontstaat een opgaande stroming en achter het profiel een neergaande Daardoor ontstaat er een drukverdeling rondom de vleugel die er ongeveer zoals hieronder afgebeeld uit ziet. De overdruk aan de onderzijde van de vleugel en de onderdruk aan de bovenzijde van de vleugel zorgen voor de lift. Aan de lengte van de pijlen is te zien dat de onderdruk aan de bovenzijde van de vleugel een veel grotere bijdrage levert aan de lift dan de overdruk aan de onderzijde. De drukverdeling, zoals hier getekend, ziet er bij elke invalshoek anders uit. Wanneer de invalshoek kleiner wordt, verschuift het drukpunt (aangrijpingspunt van de lift) naar achteren. De D die bij de rode pijl staat, geeft de weerstand (eng: drag) aan.

Drukverdeling rondom vleugel

Bekijken we de invloed van de invalshoek op de lift, dan zien we het volgende:
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. De stroming laat los en er ontstaan in dat gebied wervels, waarbij de lift afneemt, zie onderstaande afbeelding. 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. Het vliegtuig bevindt zich dan in een zogenaamde ‘overtrek’ (eng: stall) situatie.

Invloed invalshoek op lift en weerstand

Welke factoren bepalen de lift

De lift van het modelzweefvliegtuig wordt bijna helemaal door de vleugels geleverd. Naast de vleugels levert ook het stabilo een kleine bijdrage. De grootte van de lift is afhankelijk van de volgende vijf factoren:
1. de luchtsnelheid (V)
2. de grootte van het vleugeloppervlak (S)
3. de invalshoek van de vleugel
4. de eigenschappen van de vleugelprofielvorm (α) }Cl
5. de luchtdichtheid (ρ)

Wil je meer weten over aerodynamica en het zweefvliegen in het algemeen, surf dan naar de website zweefvliegopleiding.nl van Dirk Corporaal.

Samengesteld door Jan ter Laak