Lentokone ylösalaisin

[Guest motojuzzi]

No koitapa ensi kesänä (nyt talvella voi tulla liian kylmä) autoillessa suorittaa seuraava koe vänkärin penkiltä käsin. Kuskin käsket ajamaan riittävää nopeutta ja oma käsi ikkunasta ulos. Kämmen levyksi, kuten sotilaallisesti tervehtiessä ikään. Tämän siipiprofiilin kohtauskulmaa on helppo säädellä. Sitten vaan "siipi" positiiviselle kohtauskulmalle ja tekemään havaintoja onko paine suurempi siiven alapinnalla, joka kääntää virtausta alaspäin vai siiven yläpinnalla, jossa on alipaineen luomaa imua... 8)

Piti vielä palata tähän, kun rupesin asiaa uudestaan ajattelemaan.

 

Niinkuin tuossa aiemmin todettiin, alipainehan ei ime mitään (toisin kuin virheellisesti annoin ymmärtää), vaan suurempi paine työntyy pienempää kohti. Tämän takia myös paine-erojen aiheuttama nostovoima tuntuu käden alapuolella. Johtopäätös: Käden nostava voima voi hyvinkin johtua suureksi osaksi myös paine-eroista.

 

Miettikääs myös lentokoneiden siipien kärkipyörteitä. Nehän johtuvat paine-erojen tasoittumisesta siipien kärkien kautta. Kärkipyörteistä ja niiden voimasta oli tuossa jokin aika sitten juttua enemmänkin, joten kyllä paine-erotkin ovat voimakkaita nosteen aiheuttajia. En sitten vieläkään kyllä tiedä mikä voima loppujen lopuksi sen suurimman nosteen saa aikaan.

[Guest Petri]

Paljon tuosta nosteen synnystä tuntuu olevan keskustelua ihan fyysikkojenkin keskuudessa. Mulle aivan sama kunhan ilmassa pysyvät. Mutta molemmat, Bernoullin ja Newtonin teoriat ovat ainakin joissain määrin oikein. Britit tuntuvat tykkäävän enemmän Newtonista kuin Bernoullista, ja Jenkit taas ovat toista mieltä. Kuka sitten on oikeassa? Jaa-a.

[Guest karjjuh]

Tähän ketjuun sopiikin laittaa seuraava pähkinä:

 

Kuorma-auton kuljettajan nähtiin pysähtyvän ennen vaaka-asemaa ja iskevän nuijalla lujaa rahtitilan kylkeen. Kun häneltä tiedusteltiin syytä tähän outoon käytökseen, hän vastasi: "Autossani on ylikuormaa, mutta onneksi lastina on lintuja. Kun kopautan nuijalla auton kylkeen, linnut lähtevät lentoon eikä niiden paino enää tunnu orsilla ja voin sitten ajaa rauhassa punnitukseen."

 

Kuva lainattu sivulta http://www.geocities.com/galemcraig/

 

Toimiiko tuo idea? Onko sillä vaikutusta, onko rahtitila umpinainen koppi vai onko siinä esim. avonaiset kalterein/verkoin varustetut ikkunat? Entä jos kyseessä olisikin avolava-auto, mutta linnut lentäisivät vain lavan päällä?

 

 

[Tero Lähdesmäki 0]

Tähän ketjuun sopiikin laittaa seuraava pähkinä:

 

Kuorma-auton kuljettajan nähtiin pysähtyvän ennen vaaka-asemaa ja iskevän nuijalla lujaa rahtitilan kylkeen. Kun häneltä tiedusteltiin syytä tähän outoon käytökseen, hän vastasi: "Autossani on ylikuormaa, mutta onneksi lastina on lintuja. Kun kopautan nuijalla auton kylkeen, linnut lähtevät lentoon eikä niiden paino enää tunnu orsilla ja voin sitten ajaa rauhassa punnitukseen."

Toimiiko tuo idea?

 

Tätähän testattiin mm. Mythbusterssissa. Vastaus oli, että ei toimi. Linnut siinä missä muutkin "lentolaitteet" joutuvat lentääkseen muodostamaan vastaavan vastavoiman alaspäin. Tai itse asiassa painoaan suuremman voiman alaspäin, jos mielivät lentää ylöspäin. Leijuntaan tarvitaan omaa painoa vastaava voima.

 

Sitäpaitsi lintujen lennättäminen tuollaisessa kontissa niin, että kaikki lentäisivät yhtäaikaa, osoittautui sulaksi mahdottomuudeksi.

 

 

[Guest karjjuh]

... Vastaus oli, että ei toimi. Linnut siinä missä muutkin "lentolaitteet" joutuvat lentääkseen muodostamaan vastaavan vastavoiman alaspäin. ...

 

OK. Entä jos auto olisikin avolava?

 

 

[Guest arttula]

OK. Entä jos auto olisikin avolava?

 

 

 

Jos se olisi kalterihäkki, jossa lintujen siiveniskujen muodostama voima pääsisi vapaasti auton ulkopuolelle, tuo voisi toimiakin.

[Mikko J Virtanen 0]

Vähän OT mutta entäs pieni satama-allas, jossa on iso laiva. Kohdistuuko altaan pohjaan suurempi rasitus silloin kun se iso laiva on siellä verrattuna siihen, että ei ole?

Mahdollisesti, mikäli satama-allas on pieni ja laiva makaa kyljellään pohjassa.

 

Eikös se paatti syrjäytä vettä oman painonsa verran.. Tilanne ei siitä taida muuttua.

[Panu Antere 0]

Eikös se paatti syrjäytä vettä oman painonsa verran.. Tilanne ei siitä taida muuttua.

 

No niinhän se tietysti on.

[Guest karjjuh]

Vähän OT mutta entäs pieni satama-allas, jossa on iso laiva. Kohdistuuko altaan pohjaan suurempi rasitus silloin kun se iso laiva on siellä verrattuna siihen, että ei ole?

 

No ei oikeastaa off topic, sillä vesi tai ilma, periaatteessa ne ovat tässä mielessä samanlaisia fluideja eli väliaineita. Tuo laiva satama-altaassa ei vaikuta altaan pohjan kuormitukseen, sillä laiva kelluu vedessä, ts. se syrjäyttää painonsa verran vettä. Satama-altaassa on siten sama massa oli siinä laiva tai ei. Mutta tämä tietysti sillä edellytyksellä, että satama-allas on yhteydessä mereen, jolloin syrjäytynyt vesimassa pääsee virtaamaan mereen eikä veden pinta satama-altaassa nouse. Tilanne olisi erilainen, mikäli oletetaan, että allas olisikin esim. telakka-allas, joka on suljettu systeemi sulkuportit kiinni. Oletetaan että altaassa on vettä ja siihen nostetaan alus nostureilla vaikkapa telakkahallista. Nyt systeemin massa lisääntyy aluksen painon verran, vedenpinta altaassa nousee ja pohjan rasitus kasvaa (pinta nousee -> hydrostaattinen paine kasvaa; pinnan nousu taas riippuu aluksen uppoumasta eli sen syrjäyttämästä vesimassasta; systeemin massa on kasvanut altaassa olevan veden massan  lisäksi aluksen massalla). Mutta jos telakka-altaan sulkuportit olisi auki ja alus nostetaan siihen nosturilla, pääsee aluksen syrjäyttämä vesi virtaamaan merelle eikä vedenpinta altaassa nouse (teoriassa nousee, mutta niin vähän että sitä ei pystytä mittaamaan). Nyt systeemi on nimittäin koko maapallon meret käsittävä, eli merenpinta ei yhden aluksen painosta käytännössä nouse yhtään, vaikka nytkin koko systeemin paino on noussut aluksen painon verran. Lisääntynyt paino vaan jakautuu niin paljon suuremmalle alalle, ettei sillä ole enää käytännön merkitystä.

 

Välimuotona tästä voidaan ottaa seuraava ajatusleikki. Jospa pieni telakka-allas olisikin osa suurempaa allaskokonaisuutta, joka kuitenkin olisi eristetty merestä. Jälleen suljetun telakka-altaan osalta tilanne olisi sama kuin edellä, eli pohjan kuorma kasvaisi tasan aluksen painolla. Mutta jos luukut avataan, niin vedenpinta pääsee tasaantumaan muun allasosuuden kanssa. Nytkin pinta nousee, mutta ei niin paljoa. Jos telakka-altaan pinta-ala olisi 1/10 koko allassysteemin pinta-alasta, nousisi veden pinta vain 1/10 osan siitä, mitä se nousisi suljetussa telakka-altaassa. Samoin pohjan kuormitus nousisi vain 1/10 suljetusta tilanteesta (hydrostaattinen paine olisi pienemmän pinnan nousun vuoksi pienempi).

 

Ilmassa tilanne ei kuitenkaan ole aivan 1/1 veden kanssa. Ilmassa kelluu vain ilmapallot ja ilmalaivat (ilmaa kevyemmät), joihin vaikuttaa nostevoima - vähän niin kuin sukellusveneet vedessä. No, jos aivan tarkkoja ollaan, niin kyllähän ilmaa raskaammatkin laitteet syrjättävät tilavuutensa verran ilmaa, mutta siitä aiheutuva nostevoima on niin häviävän pieni, ettei sitä oteta huomioon millään tavalla. Lentokoneet pysyvät siis ilmassa nostovoiman ansiosta, jota siivet kehittävät, eivät nosteen ansiosta, joka siis liittyy kellumiseen.

 

Lisäksi ilma on paljon paljon kevyempää kuin vesi, mutta ilmalla on silti viskositeettia kuten on vedelläkin. Vedessä massan ja viskositeetin suhde vain on ihan eri luokkaa kuin ilmassa ja siten Reynoldsin luvut ovat täysin eri suuruusluokkaa (Reynoldsin lukuhan kuvaa massavoimien ja viskoosien kitkavoimien välistä suhdetta).

 

Ilmassa lentävä lentokone saa nostovoimansa siis ilman reaktioista siiven, rungon ja peräsimien kanssa. Voimat ilmakehän ja lentokoneen välillä välittyvät painevoimien avulla. Painevoimien ansiosta ilmavirtaus siiven takana kääntyy alaspäin ja siivenkärkien alueelle syntyy kärkipyörre. Ilman viskositeetin ansiosta nämä painevoimat tasoittuvat aikanaan, sillä paine-erojen vuoksi liikeelle lähteneet ilmamolekyylit vetävät lähellään olevia toisia ilmamolekyylejä liikkeelle (viskositetti) ja näin liike hajaantuu samalla kuitenkin vaimentuen, sillä ilmamolekkyylien liike-energia muuttuu lopulta lämmöksi kitkan vuoksi. Teoriassa tuo ilmamolekyylien liike alaspäin (ns. downwash) kuitenkin jatkuu aina maan pintaan asti, joskin korkealla lentävän koneen aiheuttama "paineaalto" on maahan saapuessaan käytännössä hajaantunut ja vaimentunut täysin tunnistamattomaksi. Matalalta yli lentävän koneen alla tuon ilman liikkeen voi sen sijaan tuntea selvästi, vaikka siinäkin tapauksessa painekuorma maahan jakautuu varsin laajalle alueelle (viskositeetin vuoksi tavallaan koko ilmakehä kantaa osan koneen painosta).

 

Näin ollen siis umpikontissa olevat linnut eivät lentäessäänkään muuta vaa'an mittarilukemaa, mutta mitä avonaisempi kontti tai häkki on, sitä suuremman osan lintujen painosta kantaakin ympäröivä ilmakehä. Teoriassa siis häkissä lentävä lintu aiheuttaa pienen pienen reaktiovoiman alustaansa, mutta sitä ei liene edes pystytytä mittaamaan, sillä suurimman osan linnun painosta kantaa ympäröivä ilmakehä, johon siipiin vaikuttavat painevoimat pääsevät vapaasti leviämään.

 

Olipahan vaan mielenkiintoinen ajatusleikki.