Jak skrzydło generuje siłę nośną.

Inżynierowie zapisują siłę nośną skrzydła za pomocą jednego krótkiego równania:

L = ½ × ρ × V² × S × C_L

• ρ (grecka litera rho) to gęstość powietrza. Na poziomie morza w standardowej atmosferze wynosi 1,225 kg/m³. Zmniejsza się wraz z wysokością.
• V to prędkość powietrzna, czyli prędkość statku powietrznego względem powietrza, podawana w m/s. Samolot lecący z prędkością 50 m/s względem ziemi pod wiatr o prędkości 10 m/s ma prędkość powietrzną 60 m/s.
• S to pole powierzchni skrzydła w m². Samolot-zabawka ma 16 m².
• C_L to współczynnik siły nośnej, czyli liczba bez jednostki. Uwzględnia kształt skrzydła i jego kąt względem przepływu powietrza.

Wyrażenie ½ρV² nazywa się ciśnieniem dynamicznym q i jest podawane w paskalach. Przy prędkości 50 m/s na poziomie morza q = 0,5 × 1,225 × 50² ≈ 1 531 Pa. Wtedy siła nośna to po prostu q × S × C_L. Dla C_L = 0,4: L ≈ 1 531 × 16 × 0,4 ≈ 9 800 N, czyli tyle, ile wynosi ciężar samolotu-zabawki. Zatem przy prędkości 50 m/s może on lecieć poziomo przy C_L = 0.4.

Co robi każdy składnik.

• Prędkość jest podniesiona do kwadratu. Podwój prędkość, a siła nośna będzie 4 razy większa. Potrójna prędkość daje 9 razy większą siłę nośną. Dlatego samolot potrzebuje długiego rozbiegu na pasie startowym.
• Gęstość ma bezpośrednie znaczenie. Połowa gęstości daje połowę siły nośnej przy tej samej prędkości i kącie. Wysoko w powietrzu skrzydło musi poruszać się szybciej albo mieć większy C_L, aby utrzymać ten sam ciężar.
• Pole powierzchni ma bezpośrednie znaczenie. Większe skrzydło daje większą siłę nośną przy tej samej prędkości. Klapy zwiększają zarówno efektywne pole powierzchni, jak i C_L podczas lądowania.

Kąt natarcia. Kąt natarcia α określa, jak stromo skrzydło spotyka się z napływającym powietrzem: mierzy się go od linii cięciwy (wyobrażonej prostej od przedniej do tylnej krawędzi) do kierunku, z którego napływa powietrze. Nie jest to kąt samolotu względem horyzontu. W zakresie liniowym współczynnik siły nośnej rośnie równomiernie wraz z α. W używanym tutaj modelu zabawkowym C_L = 0,08 × (α + 5°), więc skrzydło nadal wytwarza niewielką siłę nośną przy α = 0° i nie wytwarza jej przy α = −5°. Powyżej około 15° skrzydło przeciąga się, a C_L przestaje rosnąć (lekcja 4).

Ponieważ siła nośna musi być równa ciężarowi, wolniejszy samolot potrzebuje większego C_L, a więc także większego α. Dla modelu samolotu (9 810 N, 16 m²) w locie poziomym: 80 m/s wymaga α ≈ −3°, 50 m/s wymaga 0°, 40 m/s wymaga 2,8°, 30 m/s wymaga 8,9°, a 25 m/s wymaga 15° — dokładnie przy przeciągnięciu.

Dlaczego skrzydło w ogóle wytwarza siłę nośną? Istnieją dwa opisy tego zjawiska — to ta sama fizyka oglądana z dwóch stron.

1. Skrzydło kieruje powietrze w dół (Newton). Aby wypchnąć samolot w górę, skrzydło musi pchnąć powietrze w dół. Siła nośna to szybkość przekazywania powietrzu pędu w dół przez skrzydło. Zgrubne oszacowanie dla modelu samolotu przy 50 m/s: jego skrzydło (o rozpiętości około 11 m) oddziałuje na strumień powietrza mniej więcej tej szerokości — około 5 800 kg powietrza co sekundę. Aby wytworzyć 9 810 N, średnia prędkość strugi kierowanej w dół wynosi około 9 810 / 5 800 ≈ 1,7 m/s. To niewiele, ale dotyczy dużej ilości powietrza. (To oszacowanie rzędu wielkości na podstawie pędu, a nie dokładna wartość).

2. Ciśnienie jest niższe nad skrzydłem i wyższe pod nim (Bernoulli). Powietrze przepływające nad zakrzywioną górną powierzchnią przyspiesza, a jego ciśnienie spada. Różnica ciśnień między obiema stronami, zsumowana na całej powierzchni skrzydła, stanowi siłę nośną.

To nie są konkurencyjne wyjaśnienia. Różnica ciśnień jest tym, jak skrzydło oddziałuje na powietrze, a kierowanie powietrza w dół jest skutkiem tego oddziaływania. Laboratorium przepływu szczegółowo pokazuje linie prądu i ciśnienie na skrzydle, więc ten kurs nie powtarza tych informacji.