Home » Aerodynamika a mechanika » Tíha a odpor

Tíha a odpor

Složky odporuTíha a odpor – to jsou dvě síly a zároveň dvě velké nesnáze, které ztěžují všem létajícím strojům pohyb v atmosféře Země.

Co je tíha víme z vlastní zkušenosti, protože nás provází stále a zřejmě to lepší nebude. Tato síla působí na všechna tělesa nacházející se na této planetě a v jejím blízkém okolí. Působí směrem do středu Země a brání všemu hmotnému vzdálit se od ní bez dovolení. Jakémukoliv pohybu směrem od Země brání tíha, která je tím větší čím je těleso hmotnější. Je to známý vztah ve formě součinu hmotnosti a zemského zrychlení, jehož výslednou fyzikální jednotkou je Newton. Pokud někdo ještě užívá jako jednotku síly 1 kg pak si dovolím připomenout, že ten obsahuje 9,81 Newtonů.

Odpor je rovněž náš starý známý a nepříjemný souputník při jakémkoliv pohybu po Zemi. Brání našim pohybům silami, které působí proti směru našeho snažení dostat se z jednoho místa na druhé. Snaží se nás brzdit a oddalovat dosažení cíle. Velikost odporu je odvislá od rozměrů pohybujícího se tělesa, jeho hmotnosti, tvaru, drsnosti jeho povrchu, rychlosti jakou se těleso pohybuje, vlastnostmi a stavem okolního prostředí a pod. Na jeho překonání musíme vynaložit vždy nějakou energii navíc.

Ač bychom velmi rádi napodobili například let ptáků nebo hmyzu, tak bychom se v nouzi spokojili třeba jenom s tím, že bychom křídly mávat nemuseli. Ale chtěli bychom doletět z nějaké výšky co nejdál. K mávání nejsou totiž naše tělesné schránky přizpůsobeny a ani dosavadní technická řešení zatím nevedou k výrazným úspěchům. Výjimky snad tvoří ojedinělé UAV určené pro vojenské účely.
Jestliže chceme bez motoru doletět co nejdále, tomu říkáme klouzavý let o němž jsme pojednali v našem časopise již několikrát, musíme zajistit, aby poměr součinitelů odporu a vztlaku byl co nejmenší. A to v co možná nejširším rozsahu úhlů náběhu.

Klouzavost - aerodynamická jemnost

Když pojednáváme o klouzavém letu mohli bychom ho nějak přiblížit vhodným připodobněním těm, co o něm ještě tolikrát neslyšeli. Celkem přajatelným srovnáním může být pohyb tělesa na nakloněné rovině, což je jeden ze základních nástrojů využívaný během vývoje lidstva. Rád bych připomněl, že občasné nehynoucí představy o tom, že letadla létají proto, že jim to umožňuje jakýsi vzduchový polštář pod křídlem mohou být použity jen k pobavení společnosti sedící kolem stolu v hangáru.

Takže pohleďme na následující obrázek, kde je o podobenství pohybu po nakloněné rovině a klouzavého letu letounu neprofesionálně graficky pojednáno. Odpustíme si trápení čtenářů fyzikálními jevy a s tím souvisejícími matematickými závislostmi.

Nakloněná rovina a klouzavý let

Z horní části obrázku je patrné, že:

  • chceme-li dosáhnout samovolného pohybu tělesa po nakloněné rovině směrem dolů potřebujeme k tomu tím větší úhel jejího náklonu, čím větší je tření mezi tělesem a jejím povrchem. Pokud bychom těleso naopak zvedali nahoru, čehož lidé užívají od nepaměti až dodnes, pak by potřebná síla byla obdobně tím menší, čím menší by bylo tření mezi deskou a tělesem. Předpokládáme-li stále stejnou tíhu vlečeného tělesa, pak je velikost třecí síly působící proti pohybu úměrná jeho tíze a koeficientu tření mezi povrchem nakloněné rovin a tělesem.
  • a jak to asi je u letounu pohybujícího se klouzavým letem? Sklon dráhy jeho letu k Zemi je tím větší ( a jeho výkony tím horší, pokud se nejedná o záměr), čím je odpor větší nebo vztlak menší nebo obojí najednou. Ve srovnání s pohybem na nakloněné rovině můžeme při tom porovnávat původní třecí odpor s celkovým odporem letounu při jeho pohybu vzduchem a tíhu klouzajícího tělesa se vztlakem letounu opatřeným opačným znaménkem(působí nahoru). Komu se to zdá trochu krkolomné, ať se tím již dále nezabývá.

Ostatně o této alegorii obou pohybů jistě mnmozí prohlásí něco ve smyslu: „No to je toho. To přece již dávno víme. Čím je letoun lehčí, tím je na tom lépe.“

To však nemusí být ve všech případech úplná pravda. Ne všem je totiž také jasné, že čím je menší celkový odpor letounu, tím jsou jeho výkony lepší vždy a letové vlastnosti obvykle také.
Nemusíme proto zvyšovat jenom vztlak a snižovat hmotnost létajícího stroje za každou cenu, abychom dosáhli lepších výkonů. Je velmi účelné, ač ne vždy snadné, snižovat celkový odpor letounu jak to jen jde.

Obě, pro nás většinou zde probírané pro létání protivné síly, můžeme ovlivnit, když budeme respektovat pravidla a okolnosti související jednak s navrhovánímm, konstruováním a provozováním letounů a zároveň využívat fyzikálních zákonů platných na naší planetě, jejichž obcházení se nevyplácí. Úplně však vliv obou těchto sil odstranit nemůžeme.
Pokud se týče tíhy je vhodné mít na paměti, že jakékoliv zbytečné zvětšování rozměrů, špatná volby tvarů nebo neoddůvodnění zpevnění některých částí či přidání čehokoliv co není nezbytně k létání nutné, má za následek její zvýšení.

Z každého létajícího stroje, pokud z něj chceme dostat maximum výkonů, je nutné odstranit všechno co zde není nezbytně zapotřebí k jejich provozu. Všechno ostatní musí pryč.

Což znamená například, že je nutno šetřit lepidly, součástmi kompozitních materiálů (matricemi i pojivy), jejich tloušťkami, přehnaným barevným zkrášlováním vnějšku i interiéru, všelikými doplňky, a v neposlední řadě i s hmotnější posádkou či jejich zavazadly a pod. To všechno a mnoho dalšího zvyšuje tíhu letounu a vyžaduje buď výkonnější pohonné jednotky nebo smíření se nejen s horšími výkony, ale mnohdy i letovými vlastnostmi. Proto se přece létající stroje nestavějí. A jen výjimečně se za takových podmínek občas provozují.

A jak to je tedy s odporem a jeho vlivem na co nejefektivnější pohyb letadel ve vzduchu?!?!
Zopakujme z čeho odpor letounu sestává.

Rozhodující pro výkony a vlastnosti letounu je je ho nosná plocha, i když si mnozí myslí, že je to jen pohonná jednotka. Nepojednáváme zde o raketách.

Velikost a tvar nosné plochy je zdrojem odporu, který můžeme klasifikovat jako odpor konečných tvarů křídla. Ale můžeme tomu také prostě říkat odpor indukovaný, jak je dosud užíváno, vyvolaný odkloněním směrnice vztlaku křídla dozadu vlivem vírů nacházejících se kolem něho. Jeho hodnota je tím větší, čím je štíhlost křídla menší a čím je jeho půdorysný tvar méně povedený, než by měl být.

Druhým, respektive prvotním zdrojem odporu jsou vlastnosti a výkony použitých profilů v nosné ploše a jejich vzájemné uspořádání. Tomu můžeme říkat odpor profilový. Ten je velmi závislý na geometrických charakteristikách profilu ( tloušťka, prohnutí, jejich polohy na tětivě, poloměr náběžné hrany, úhel odtokové hrany atd) a velmi často i na hodnotách Reynoldsova čísla, které popisuje stav proudění kolem něho. Profil posuzujeme v tomto případě jako křídlo nekonečného rozpětí, kde dochází poze k dvourozměrnému proudění -nahoru, dolů, dopředu dozadu.
U skutečného křídla je jeho obtékání trojrozměrné provázené řadou vírů.

Tím jsme snad odbyli odpor nosné plochy.

Letoun má však ještě jiné části bez nichž by se stěží obešel. Je to trup, ocasní plochy,podvozek, všeliké nástavby a výčnělky (kryty náhonů, chladící otvory, fletnery, různá čidla,..), pohonná jednotka,…

K tomu je nutno přiřadit ještě nevhodnou drsnost povrchu letounu, všeliké škvíry a nechtěné štěrbiny mezi jednotlivými částmi letounu, prohlubně a vyvýšeniny atd.

Tento soubor příčin vzniku dalších odporů je souhrnně nazýván odporem škodlivým.
A aby toho nebylo ještě dost, tak je třeba zohlednit vzájemné nepříznivé ovlivnění jednotlivých částí letounu vlivem jejich uspořádání vůči sobě-dolnoplošník, hornoplošník, středoplošník, parasol, umístění ocasních ploch atd. Výsledkem je pak koeficient větší než jedna, kterým se algebraický součet předchozích tří odporů násobí. Jeho hodnota kolísá obvykle mezi 1,07 až 1,15. Ve skutečnosti to není zase až takhle jednoduché.

Od toho tu však jsou profesionální společnosti vlastnící buď „větrné tunely“ nebo výpočetní programy, jejichž prostřednictvím, za nemalé peníze, celkovou bilanci sil a momentů působících na letoun jsou schopni více či méně dobře simulovat. A pak nastupují skutečné testy v ovzduší.
Takže vrátíme-li se k odporu letounu je nutné posuzovat jak jednotlivé jeho složky plynoucí z profilu, nosné plochy konečného tvaru a velikosti a ostatních dílů letounu, tak i jeho vzájemné proporce. Lze tak dojít k zajímavým poznatkům, když například porovnáme velikosti a průběh všech jeho složek. To je patrné z dalších dvou obrázků.

Podívejte se jak se mění vzájemné podíly všech tří složek odporu v závisloti na rychlosti letu. A jak je důležité posoudit spotřebu paliva vůči rychlosti letu, když známe průběh celkového odporu letounu, abychom doletěli co nejdál.

Odpor x rychlost ; Bridgesův daigram Složky odporu

Při pomalejších letech převažuje odpor tvaru křídla. Jeho vliv se se zvětšující rychlostí zmenšuje, až je při vysokých rychlostech ze všech nejmenší. Z toho může plynout poznatek, že štíhlost křídla má u velmi rychle létajících strojů nepříliš velký vliv.

Podíl škodlivého odporu letounu je v těchto podmínkách pomalých letů srovnatelný s odporem samotného profilu. Pak se jeho podíl dramaticky zvětšuje, až má u rychlostí nad asi 200 km/h již vliv zásadní, srovnatelný s oběma dalšími a posléze vliv rozhodující, kolem rychlosti 320 km/h, který dále sílí.

Odpor samotného profilu, t.j. křídla nekonečné štíhlosti, který je paušálně vždy v popředí zájmu projektantů letadel společně s jeho dalšími aerodynamickými charakteristikami, má zesilující vliv v přímé závislosti na rychlosti letu. Má však stále méně rozhodující podíl na celkovém odporu letounu.

Co z toho lze dovodit jako obecnější poznatek při posuzování výkonů letounu?

Vedle aerodynamických charakteristik profilu v rozsahu letových rychlostí, které rovněž napovídají o letových vlastnostech letounu, je neméně důležitý tvar a velikost nosné plochy.

A když chceme létat co nejrychleji tak nabývá neuvěřitelného vlivu i odpor škodlivý. To dost často mnohým nadšencům letectví, k jejich škodě, uniká.

Je tedy vedle neustálého hledání zázračného profilu, v zatím neexistujícím „profilovém Eldorádu“, vhodné zvolit takový profil, jehož aerodynamické charakteristiky umožní co nejlepší výkony a letové vlastnosti současně s možnostmi stavby dostatečně pevného křídla. Pak zvolit co nejúspornější tvary a velikosti letounu. A nakonec, ale možná skoro především, dosáhnout co nejmenšího škodlivého odporu, ač se to mnohým doposud jeví jako nepodstatné.

Přibližme ještě trochu pojem aerodynamicky hladkého povrchu pomocí následujícího obrázku.

Aerodynamicky hladký povrch

Z průvodního textu v něm je patrné jakou „hrubost“ povrchu, vyjádřenou zde poměrem výšky výčnělků ku hloubce křídla, si můžeme ještě dovolit, jestliže chceme dosáhnout co nejhladších jeho povrchů. U skutečných menších letadel to jsou desetiny milimetru a to asi jen dvě. Použití brusných papírů o zrnitostech kolem 800 je velmi vhodné při konečné úpravě povrchů. A to nejen při dohotovení křídla, ale vždy když je zjištěna nepřiměřená drsnost po určité době provozu nebo létáním ve znečištěné atmosféře, například usazením nečistot, zejména v jejich předních částech.

Pak jsem si dovolil stvořit dvě ideje experimentálních dvoumístných strojů, které jsou v následujících dvou obrázcích. Nosná plocha jednoho má menší štíhlost než toho druhého.

Idea - experimentální letounu 500 kg Idea 2 - experimentální stroj

Z dalších dvou diagramů můžete dostat informace o tom jakou náročnost v příkonech motorů vyvolá změna škodlivého odporu u každého z letounů. Na příkladu rychlosti letu kolem 200km/h je to již patrné nezanedbatelně. Pokud bude mít experimentální letoun o větší štíhlosti křídla součinitel škodlivého odporu 0,025 a ten s trochu menší štíhlostí jen asi 0,02, pak bude ten první pro dosažení stejné, prve uvedené, rychlosti vyžadovat cca 59KW příkonu, což je asi o 23% více ve srovnání s tím druhým. Spotřeba paliva se také úměrně zvýší, dolet se zkrátí a provoz prodraží.

Vliv  součinitele odporu 1 Vliv  součinitele odporu 2

Tento článek si kladl především za cíl upozornit na to, že nejenom tíha létajících strojů je jim velkou překážkou při jejich pohybech vzduchem, ale že je to zároveň i celkový odpor letounu a v něm zvlášť odpor škodlivý, který jim v tom brání srovnatelnou měrou.

10.8.2011 © Jaroslav Lněnička


Leave a comment

Archiv