Aërodinamika

Die rook wys hoe 'n draaikolk ontstaan terwyl 'n vliegtuig deur die lug beweeg. Draaikolke is een van die vele verskynsels wat met die studie van aërodinamika verbind word.

Aërodinamika, uit Griekse ἀήρ aer (lug) + δυναμική (dinamika), is 'n onderafdeling van vloeidinamika wat die beweging van lug, veral die interaksie met soliede voorwerpe soos 'n vliegtuig se vlerk, bestudeer. Die studie van gasse wat nie in beweging is nie word aërostatika genoem.

Aërodinamika is die ontwerp van vliegtuie, d.w.s. die ondersoek van lugstrome langs die romp van 'n vliegtuig en die invloed daarvan op sekere dele van die vliegtuig, soos byvoorbeeld die romp, vlerke en stert. Die beginsel waarop vliegtuie vlieg, kan aërodinamies verklaar word, en die werkverrigting van 'n vliegtuig kan bereken word uit sekere aërodinamiese groothede en die vermoë van die motore.

Die beginsels waarop vliegtuie vlieg

Wanneer 'n vliegtuig deur die lug beweeg, is daar 'n lug van voor af wat om die vlerk vloei. Aan die voorkant van die vlerk word hierdie lugstroom in twee dele verdeel. Een deel vloei oor die bokant en die ander deellangs die onderkant van die vlerk, en aan die agterkant van die vlerk kom hulle weer bymekaar. Die vlerk is so ontwerp dat die voorkant dik en rond is, terwyl dit geleidelik smaller na agter word.

Die bokant loop met 'n boog na agter, terwyl die onderkant reguit na agter loop. Die lugdeeltjies wat oor die bokant vloei, het weens die gekromde oppervlak 'n langer pad om te volg as die deeltjies wat langs die gelyke onderkant beweeg. Dit het tot gevolg dat die deeltjies bo-oor die vlerk vinniger as die deeltjies aan die onderkant beweeg. As dit nie gebeur nie, sal 'n lugleegte agter die vlerk ontstaan, omdat die natuur sulke ongelyke toestande nie duld nie.

'n Vliegtuig bly op 'n konstante hoogte wanneer die vertikale kragte mekaar ophef, of uitkanselleer, d.w.s. L = G + P. Hier is L die vertikale krag op die vliegtuig, G die gewig van die vliegtuig en P is die stert/as. Die vliegtuig beweeg vorentoe omdat die horisontale kragte in die bewegingsrigting groter is as die weerstandskragte, m.a.w. S > d + D waar S die trekkrag is, D die nadelige weerstand en d die weerstand wat die vlerke ondervind.

Volgens die wet van Bernoulli word die druk van 'n gas kleiner namate dit vinniger beweeg. Dit beteken dat die druk aan die bokant van die vlerk kleiner is as die druk aan die onderkant daarvan. Die natuur probeer om hierdie ongelyke lugdrukke te herstel en 'n opwaartse lugstroom ontstaan. Hierdie lugstroom oefen 'n krag op die vliegtuig uit wat die hefkrag genoem word. Dis ook hierdie krag wat die vliegtuig "dra". As die hefkrag op albei vlerke presies dieselfde is, sal die vliegtuig se vlerke horisontaal bly, maar as dit verskil sal die vliegtuig kantel. Hoe vinniger die vliegtuig vlieg, hoe groter word die hefkrag.

Tydens landing en opstyging is die snelheid relatief klein en gevolglik is die hefkrag dan ook klein. Die hefkrag kan groter gemaak word deur die vlerkoppervlakte groter te maak of deur die ronding van die vlerk te vergroot. Om dit reg te kry, word klappe aan die agterkant van die vlerke gebruik. Deur hierdie klappe te verstel, word die ronding van die vlerk groter gemaak sodat die lug wat bo-oor die vlerk vloei se snelheid verhoog word. 

Hierdie klappe word hoofsaaklik by landing en opstyging gebruik. Daar is egter moderne vliegtuie wat ook klappe aan die voorkant van die vlerke het. Aan die vlerke is daar ook nog die rolroer waarmee die vlerke gekantel kan word. Aan die stert is daar die hoogteroer en die rigtingroer. Die hoogteroer Iyk soos twee klein klappe en dit laat die vliegtuig styg of daal. Die rigtingroer staan vertikaal aan die agterkant van die stert en daarmee kan die rigting van die vliegtuig verander word. Die hefkrag ontstaan weens 'n drukverskil tussen die bo- en onderkant van die vliegtuig. Hierdie drukverskil is afhanklik van die hoek waarmee die vlerk deur die lugstroom beweeg.

Dit word die invalshoek genoem. As hierdie hoek groter gemaak word, kry ons die verskynsel dat die lugdeeltjies wat langs die vlerkoppervlak beweeg, neig om weg te breek van die vlerk en hulle eie pad te volg. Dan ontstaan werwelstrome rondom die vlerk wat die hefkrag verminder of selfs uitskakel. Dan het die vlerke 'n staakpunt bereik en kan hulle die vliegtuig nie meer dra nie. Die invloed van lugweerstand aan die voorkant van die vlerk en neus van 'n vliegtuig is daar 'n punt waar die lugstroom verdeel. Op daardie punt is die snelheid van die lugstroom ten opsigte van die vliegtuig nul.

Dit beteken eenvoudig dat die lug deur die vliegtuig aangestoot word voordat dit oor die vlerke begin beweeg. In hierdie punt vind 'n opbouing van druk plaas wat 'n weerstand teen die vliegtuig bied. Die totale weerstand word saamgestel deur die wrywingsweerstand, vormweerstand en die geïnduseerde weerstand. Die dun luglagie wat teen die romp en vlerke verbystroom, word die grenslaag genoem.

Die lug teen die wande se snelheid is nul, terwyl die lug in die grenslaag verskillende snelhede het. Buite die grenslaag is die snelheid van die lugdeeltjies dieselfde as die van die vliegtuig, maar in 'n teenoorgestelde rigting. Die feit dat die lugdeeltjies in die grenslaag teen verskillende snelhede beweeg, is die gevolg van onderlinge wrywing tussen die lugmolekules. Hierdie wrywing word die viskositeit van die lug genoem en die krag wat nodig is om hierdie wrywing te oorkom, is die wrywingsweerstand. Die wrywingsweerstand kan verminder word deur die vliegtuig 'n gladde afwerking te gee, en deur geskikte kontoere en profiele met die ontwerp van die vliegtuig te kies. Die vormweerstand ontstaan weens werwelstrome rondom die vlerke in 'n vlug.

Die geïnduseerde weerstand word by die punte van die vlerke gevorm deurdat die lug van onder na bo stroom. Dit beïnvloed die stromingsrigting van die lug wat weer werwelstrome aan die agterkant van die vliegtuig veroorsaak. Laasgenoemde veroorsaak 'n afwaartse krag op die stert wat ons die stert of as noem.

As die hefkrag gelyk is aan die gewig van die vliegtuig plus die stertlas, sal die vliegtuig horisontaal vlieg. As die hefkrag kleiner as hierdie twee kragte saam is, sal die vliegtuig daal, en omgekeerd. 'n Ander vorm van weerstand wat van belang is, is die sogenaamde nadelige weerstand. Dit is die lugweerstand wat deur alle dele van die vliegtuig (die vlerke uitgesonder), veroorsaak word.

Die invloed van lugweerstand

Aan die voorkant van die vlerk en neus van 'n vliegtuig is daar 'n punt waar die lugstroom verdeel. Op daardie punt is die snelheid van die lugstroom ten opsigte van die vlieg­tuig nul. Dit beteken eenvoudig dat die lug deur die vliegtuig aange­stoot word voordat dit oor die vlerke begin beweeg. In hierdie punt vind 'n opbouing van druk plaas wat 'n weerstand teen die vliegtuig bied. Die totale weerstand word saamge­stel deur die wrywingsweerstand, vormweerstand en die geïnduseer­de weerstand. Die dun luglagie wat teen die romp en vlerke verby­stroom, word die grenslaag genoem. Die lug teen die wande se snelheid is nul, terwyl die lug in die grenslaag verskillende snelhede het. Buite die grenslaag is die snel­heid van die lugdeeltjies dieselfde as dié van die vliegtuig, maar in 'n teenoorgestelde rigting. Die feit dat die lugdeeltjies in die grenslaag teen verskillende snelhede beweeg, kan aan die onderlinge wry­wing tussen die lugmolekules toegeskryf word. Hier­ die wrywing word die viskositeit van die lug genoem en die krag wat no­dig is om hierdie wrywing te oor­kom, is die wrywingsweerstand. Die wrywingsweerstand kan verminder word deur die vliegtuig 'n gladde af­ werking te gee, en deur geskikte kontoere en profiele met die ontwerp van die vliegtuig te kies.

Die vormweerstand ontstaan weens werwelstrome rondom die vlerke tydens 'n vlug.

Die geïnduseerde weerstand word by die punte van die vlerke ge­vorm deurdat die lug van onder na bo stroom. Dit beïnvloed die stro­mingsrigting van die lug wat weer werwelstrome aan die agterkant van die vliegtuig veroorsaak. Laasge­noemde veroorsaak 'n afwaartse krag op die stert wat as die stertlas bekend staan. As die hefkrag gelyk is aan die gewig van die vliegtuig sowel as die stertlas, sal die vliegtuig horisontaal vlieg. As die hefkrag kleiner as hierdie twee kragte saam is, sal die vliegtuig daal, en omgekeerd.

'n Ander vorm van weerstand wat van belang is, is die sogenaamde nadelige weerstand. Dit is die lug­ weerstand wat deur alle dele van die vliegtuig (die vlerke uitgesonder). veroorsaak word.

Enjinstuwing

'n Vliegtuigenjin se funksie is om lugdeeltjies met 'n groot snelheid na agter te blaas, hetsy deur 'n draaiende skroef of deur middel van die verbrandings­proses in 'n straalmotor. Indien daar 'n plat vlak, soos 'n muur, agter die motore is, sal hierdie bewegende lug 'n krag daarop uitoefen. Hierdie krag word die enjinstuwing of die stukrag genoem.

Daar is 'n populêre wanopvatting dat dit hierdie krag is wat die vlieg­tuig aandryf. Sommige mense glo verkeerdelik dat die lug wat na agter ge­blaas word teen die atmosfeer vasskop en sodoende die vliegtuig aan­dryf. Die feit dat vuurpyle in die buitenste ruim, waar daar geen atmosfeer is nie, in 'n vakuum kan vlieg (en selfs ver­snel), weerlê hierdie opvatting. Wat wel gebeur, is dat die momentum van die lugdeeltjies aan die vliegtuig oorgedra word. Die momentum van 'n liggaam of 'n deeltjie is die massa daarvan vermenigvuldig met die snelheid daarvan. Een lugmolekule het inderdaad nie baie momentum nie, al beweeg dit ook teen 'n baie hoë snelheid. Maar 'n vliegtuigenjin blaas duisende biljoene daarvan per sekonde na die agterkant van die vliegtuig en hulle gesament­like momentum is aansienlik.

Stabiliteit

'n Gebrek aan stabiliteit tydens 'n vlug kan maak dat 'n vliegtuig onverwags kantel of selfs val. Deur berekeninge en ondersoeke in 'n windtonnel kan die stabiliteit be­paal word. Die nadelige weerstand en die to­tale weerstand word gestabiliseer deur die horisontale vlakke aan die stert, insluitende die hoogteroer.

Die vertikale deel van die stert (kiel) en die rigtingroer sorg dat die syde­lingse kragte geneutraliseer word. Deur die vlerke spitsvormig te maak en hulle in 'n effense V-vorm te plaas, kan die stabiliteit verhoog word.

'n Belangrike faktor is die dun grenslaag op die vlerkoppervlak van die vliegtuig. As die lug in hier­die laag turbulent begin word, kan dit aanleiding gee tot vlerkonstabili­teit. Om te verhoed dat hierdie laag turbulent raak, word verskeie teg­nieke gebruik. Een daarvan is om die motore so te ontwerp dat die luginlaat 'n reëlmatige vloei van lug om die vliegtuig bevorder. Dit word motore met grenslaagin­lating genoem. 'n Ander metode is bekend as grenslaagafsuiging. Hier word 'n gedeelte van die vlerkoppervlak so ontwerp dat die turbulente lug in die grenslaag deur gleuwe in die vlerk afgesuig word. Om turbulente stro­me rondom die romp te verhinder, word lug soms deur 'n kompressor uit die vliegtuig deur klein gaatjies op die rompoppervlak gepomp. Die ideale toestand is om laminêre vloei (ʼn gelyk matige vloei) in 'n grenslaag te hê in teenstelling met turbulente vloei. In so 'n geval is die wrywing minimaal en gevolglik is die brandstofverbruik ook laer.

Klanksnelheid 

Die spoed van klank is af­hanklik van die digtheid van die lug en gevolglik ook van die hoogte bo­ kant die grond. By die kus is dit naastenby 1 225 km/h op die grond; 1155 km/h op 'n hoogte van 5 km en 1 080 km/h op 'n hoogte van 10 km. In lugvaart word die term "mach" gebruik. Die mach-getal is die snelheid van die vlieg­tuig gedeel deur die snelheid van klank op daardie hoogte. As die vliegtuig se snelheid mach 0,5 is, dan is sy snelheid gelyk aan die helfte van klanksnelheid.

Subsoniese snelhede is snelhede van mach 0 tot 0,08; transsoniese snelhede is van mach 0,8 tot 1,4; supersoniese snelheid is van mach 1,4 tot 5 en bokant mach 5 word daar na hipersoniese snelheid verwys.

Wanneer 'n vliegtuig klanksnelheid bereik, vloei die lug nie meer op die normale wyse om die vlieg­tuig nie. Skokgolwe ontstaan rondom die vliegtuig en die lugweer­stand neem skerp toe. As die vliegtuig se snelheid van mach 1 tot mach 2 verhoog word (dus verdubbel), sal die lugweerstand meer as vier maal verhoog. Die skokgolwe kan op die grond gehoor word as 'n soniese knal en by supersoniese vlugte ontstaan konstante skok­golwe wat ruite kan laat breek.

Windtonnels

'n Windtonnel is 'n in­stallasie waarin lug tot groot snel­hede versnel kan word ten einde die aërodinamiese eienskappe van 'n voorwerp of model te bestudeer. Die toetsvoorwerp is toegerus met instrumentasie wat van geskikte sensors beskik om aërodinamiese kragte, drukverspreiding, en/of ander aërodinamiese-verwante eienskappe te meet

Deur 'n skaalmodel van 'n vliegtuig te bou, kan belangrike eienskappe daarvan in 'n windtonnel bestudeer word. 'n Ontwerper kan 'n nuwe model, of veranderings aan 'n be­staande model in 'n windtonnel uit­toets. Dit is 'n ekonomiese metode waarmee ernstige, potensieel rampspoedige, ontwerpfoute ver­my kan word.

Sien ook

• Lugvaartterme

Bronnelys

• Wêreldspektrum, Vol. 1, 71-75, ISBN 0908409 41 9

Eksterne skakels

• Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Aërodinamika.