Sideforhold (aerodynamikk)

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk
Piper PA-28 Cherokee har vinger med et lavt sideforhold (AR=5,6).
Bombardier Dash 8 Q400 har vinger med et høyt sideforhold (AR=12,8).
Concorde har deltavinger med et veldig lavt sideforhold (AR=1,55).
Glideflyet Schleicher ASH 31 har tynne vinger med et veldig høyt sideforhold (AR=33,5).

Sideforhold er i aerodynamikk definert som forholdet mellom en vinges lengde og bredde (middelkorde). Sideforholdet er altså forholdet mellom vingespennet og middelkorden. Et høyt sideforhold svarer til lange, smale vinger, mens et lavt sideforhold tilsier korte, brede vinger.[1] Et høyt sideforhold på en vinge gir bedre løft enn et lavt sideforhold med samme vingeareal. En tommelfingerregel er at mindre korde kombinert med økt vingespenn gir det beste løftet med minst mulig motstand.

For de fleste vinger er lengden av vingekorden ikke en konstant, men den varierer langs vingen, slik at sideforholdet AR defineres som kvadratet av vingespennet b dividert med arealet S av vingen sett ovenifra,[2][3] som er lik forholdet mellom lengde og bredde for en vinge med konstant vingekorde. Med symboler kan det skrives som

Sideforhold på flyvinger[rediger | rediger kilde]

Sideforholdet har en direkte innvirkning på et flys rollytelse og den induserte motstanden. Et høyt sideforhold på vingen reduserer indusert motstand forårsaket av vingetippvirvler. For en vinge er den induserte motstandskoeffisienten proporsjonal med kvadratet av løftkoeffisienten og omvendt proporsjonal med sideforholdet,[4] det vil si

der:

– indusert motstandskoeffisient
– løftkoeffisient
– forholdet mellom omkretsen og diameteren til en sirkel, pi
Oswalds effektivitetsfaktor, effektivitetsverdi for vingespennet som medfører større indusert motstand enn den for en elliptisk løftfordeling (vanligvis mellom 0,85 og 0,95)
– sideforhold

Den induserte motstandskoeffisienten gir at for en gitt vingebelastning minker den induserte motstanden dersom man øker sideforholdet ved å la vingespennet bli større og korden bli mindre. Imidlertid finnes det en rekke ulike faktorer som begrenser hvilket sideforhold en vinge kan ha:

  • Styrke: Smale vinger med en liten korde får et lavt annet arealmoment og høyt første arealmoment som resulterer i store elastiske deformasjoner.
  • Null motstand
  • Styreegenskaper: Lange, smale vinger gir et fly med et stort treghetsmoment ved bevegelse om både vertikalaksen og lengdeaksen, og dette resulterer i et fly som er tyngre å styre og manøvrere.
  • Geometriske begrensninger

Ekstremt smale vinger fører til problemer med vingenes mekaniske stabilitet og flyets generelle manøvrerbarhet. Winglets eller oppoverbøyde vingetupper har en effekt som øker sideforholdet og motvirker virveldannelse, og resulterer derfor i en reduksjon av den induserte motstanden. Sideforholdet på en vinge er spesielt viktig i det subsoniske hastighetsområdet og for fly som opererer med høy løftkoeffisient. Ved supersoniske hastigheter gjelder ikke dette lenger, fordi et høyt sideforhold her ikke er like viktig og det er nærmest ingen tilknytning mellom de aerodynamiske egenskapene til en vinge og Mach-tallet. Et eksempel på dette er deltavingen. Vinger med lave sideforhold blir vanligvis brukt på jagerfly, ikke bare for å oppnå bedre rollrate, men spesielt for å få en lengre korde og tynnere vingeprofil, noe som er av helt avgjørende betydning ved supersoniske hastigheter.

Siden større vingespenn gir mindre indusert motstand, har vinger med høye sideforhold sitt optimale punkt ved lavere hastigheter og vingenes samlede motstand ved den hastigheten er generelt lavere. Dette er grunnen til at glidefly har vinger med veldig høye sideforhold. For høyere hastigheter, og da særlig supersoniske, er et lavt sideforhold bedre, ettersom de andre formene for motstand øker med vingespenn. For motorfly, hvor profilmotstanden normalt er ganske stor, benyttes ikke særlig høye sideforhold, ettersom den induserte motstanden er ubetydelig sammenlignet med profilmotstanden ved flyets marsjhastighet.[5] For seilfly, hvor profilmotstanden er liten, og hvor man ofte flyr ved lav hastighet for eksempel under termikkflyvning, benytter man et sideforhold som er så høyt som mulig.[5]

Variabelt sideforhold[rediger | rediger kilde]

Ved utfelling av flaps (vingeklaffer) i bakkant av flyvingene reduseres sideforholdet, fordi disse klaffene i utslått stilling bidrar til å øke vingekorden uten å gjøre noen endring i vingespennet. Denne reduksjonen i sideforholdet fører til økt indusert motstand som har en negativ innvirkning på flyets ytelse under takeoff, men som kan være fordelaktig ved innflyvning og landing.

Fly som flyr nær eller over lydens hastighet bruker av og til dreibare vinger (eng. variable-sweep wings), og overlydsfly kjennetegnes ofte ved tilbakestrøkne vinger eller deltavinger og ved spesielle vingeprofiler. Grunnen til dette er forskjellen i strømningsegenskapene til fluider mellom det subsoniske og det transsoniske/supersoniske hastighetsområdet. I en subsonisk strømning utgjør den induserte motstanden en betydelig del av totalmotstanden, spesielt ved stor angrepsvinkel. Når strømningen blir transsonisk og senere supersonisk, oppstår det en lokal sjokkbølge på vingens overside som forårsaker bølgemotstand på flyet. Denne motstanden er proporsjonal med vingelengden – jo lengre vingen er, desto større sjokkbølge blir dannet når flyet nærmer seg det supersoniske hastighetsområdet. Dermed blir en lang vinge, som ellers er av stor nytte ved lave hastigheter, ødeleggende for flyets ytelse ved transsoniske hastigheter. En måte å løse dette problemet på er å benytte dreibare vinger, dersom det lar seg gjøre med tanke på flyets tiltenkte design og formål og den ekstra vekten og kompleksiteten en bevegelig vinge tilfører.

Wetted aspect ratio (WAR)[rediger | rediger kilde]

Wetted aspect ratio (WAR) er en god indikasjon på den aerodynamiske effektiviteten til et luftfartøy. Det er et bedre mål enn det vanlige sideforholdet og er definert som

der:

– wetted aspect ratio
– vingespenn
– den fuktede overflaten (hele overflatearealet til flyskroget som er eksponert for luftstrømmen (eng. wetted area)) av hele luftfartøyet, i motsetning til vingearealet som er brukt i definisjonen av sideforholdet

Et godt eksempel på dette er Boeing B-47 Stratojet og Avro Vulcan. Begge flyene har svært lik ytelse, selv om de er vidt forskjellige i oppbygning og design. B-47 har vinger med et høyt sideforhold, mens Avro Vulcan bruker en konfigurasjon med kombinerte vinger og skrog, det vil si flygende vinger eller en såkalt blended wing body, som har et lavt sideforhold. De har imidlertid en svært lik verdi for wetted aspect ratio.[6]

Sideforhold på fuglevinger[rediger | rediger kilde]

Spurvehauken har korte, brede vinger med et lavt sideforhold som gjør det mulig for den å skifte kurs raskt og manøvrere mellom trær og busker.
Se også: Fugleflukt

I naturen florerer det med fugler som har vinger med et høyt sideforhold. Mange sjøfugler og langtrekkende fugler har lange, smale vinger med et høyt sideforhold og spisse eller elliptiske vingetupper. Dette er spesielt tydelig på svevende fugler som for eksempel albatrosser, måker og ørner. Kråker av slekten Corvus og hauker av slekten Accipiter, slik som mongolkaie og spurvehauk, har derimot vinger med et lavt sideforhold (og lange stjerter) for økt hurtighet og manøvrerbarhet.

Se også[rediger | rediger kilde]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Kermode, A.C. (1972), Mechanics of Flight, kapittel 3, (s. 103, 8. utgave), Pitman Publishing Limited, London ISBN 0-273-31623-0
  2. ^ John D. Anderson jr., Introduction to Flight, ligning 5,26
  3. ^ Laurence J. Clancy, Aerodynamics, underseksjon 5,13(f)
  4. ^ John D. Anderson (1989). Introduction to Flight (engelsk) (3 utg.). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-001641-5. 
  5. ^ a b «Svæveflyvehåndbogen: Aerodynamik» (PDF) (dansk). Besøkt 22. mai 2015. [død lenke]
  6. ^ «The Lifting Fuselage Body» (engelsk). Meridian-int-res.com. Besøkt 10. oktober 2012. 

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • John D. Anderson (2015). Introduction to Flight (engelsk) (7 utg.). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-802767-3. 
  • John D. Anderson jr. (2007). Fundamentals of Aerodynamics (engelsk) (4 utg.). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-2950465. 
  • Laurence J. Clancy (1975). Aerodynamics (engelsk). London: Pitman Publishing Limited. ISBN 978-0-27-3011200. 
  • John P. Fielding (1999). Introduction to Aircraft Design (engelsk). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-65722-8. 
  • Daniel P. Raymer (1989). Aircraft Design: A Conceptual Approach (engelsk) (2 utg.). Washington, D.C.: American Institute of Aeronautics and Astronautics. ISBN 978-0-930-403515.