העילוי על הכנפיים

אין כמעט אדם הרואה מטוס מתרומם לאוויר, שאינו שואל את עצמו, "איך הדבר הגדול הזה ששוקל מאות טונות לפעמים מתרומם מהקרקע?"
התשובה לשאלה מאוד פשוטה, ובתדריך זה אנסה להסביר את התופעה.
ככלל, כל כלי טיס המתרומם לאוויר, מתרומם בגלל אותם עקרונות שעליהם נדבר בתדריך זה.
המאה ה-17 היתה מאה שבה הומצאו כמה המצאות פנטסטיות. לאחת ההמצאות, ששינו את התפיסה הבסיסית בעולם התעופה שהיה בחיתוליו בתקופה זו, אחראי דניאל ברנולי, שכיהן כפרופסור לאנטומיה, בוטניקה ואח"כ לפילוסופיה ולפיסיקה, באוניברסיטה של באזל בשוויץ.  דניאל ברנולי נחשב לאבי הפיסיקה המתמטית מאז ומתמיד.
בזכות אחת ההמצאות הפנטסטיות שלו, הנקראת על שמו "חוק ברנולי" אנחנו, ציבור הטייסים, ובכלל כל המשתמשים בתעופה לסוגיה, יכולים להגיע ממקום למקום במהירות ויעילות.
באותה מאה, חי לו באיטליה מדען בשם ונטורי. האדון ונטורי המציא צורת צינור חדשנית, שהפתחים של הצינור רחבים, והופכים להיות צרים במרכזו.

 

צינור ונטורי

  כאשר המדען השוויצי ברנולי ראה את שרטוטי הצינור של המדען האיטלקי ונטורי, עלה במוחו רעיון, שיישומו, היווה מהפכה בעולם התעופה.
ברנולי בנה "צינור ונטורי" על מנת לעשות ניסיונות מסוימים, וזאת על מנת לראות אם התוצאות המתקבלות עולות בקנה מידה אחד עם מחשבותיו.
הניסוי של ברנולי

A	B

 

 
כפי שאתם רואים באנימציה, בחלקו התחתון של הצינור, קדח ברנולי חורים, ותקע בכל חור מבחנה פתוחה משני צידיה. את המתקן שבנה, הכניס לגיגית מלאה במים.
 הניסוי היה פשוט. ברנולי הזרים מים במהירות קבועה מצידו האחד של הצינור לצידו השני, וראה זה פלא, המים שבגיגית התחילו להתרומם.
הערה: האנימציה שלפניכם מציגה זרימת אוויר ולא מים. כידוע תכונות זרימת  הנוזל דומות כמעט לחלוטין לתכונות זרימת האוויר .
שימו לב לאנימציה, ותראו שהתרוממות המים הקטנה ביותר שהתקבלה, נמצאת במקום שפתחי הצינור רחבים יותר, והתרוממות המים הגבוהה ביותר שהתקבלה, נמצאת במקום שפתח הצינור הוא הצר ביותר.
 במילים אחרות, המים שהיו בגיגית נשאבו כלפי מעלה, וזאת כתוצאה מזרימת המים בתוך הצינור.
 כאשר אנו שותים נוזל כלשהו בעזרת קשית, על מנת שהנוזל יגיע לתוך פינו, אנו מבצעים פעולת שאיבה. פעולת השאיבה יוצרת בתוך הקשית תת לחץ (לחץ נמוך), והנוזל מתחיל להתרומם כלפי מעלה. ככל שנשאב חזק יותר , כך נקבל כמות גדולה יותר של נוזל לפינו.
כאשר ברנולי הזרים לתוך הצינור מים במהירות גבוהה  יותר, השאיבה היתה גדולה יותר, והמים מהגיגית עלו בהתאמה, כאשר נקודת ההתייחסות העיקרית שלנו היא במקום בו נמצא הפתח הצר יותר של הצינור, או במילים אחרות, המקום בו העקימון הגדול יותר של הצינור, נוצרה המהירות הגבוהה יותר, ותת הלחץ הגדול ביותר.

בניסוי של ברנולי הושגו התוצאות הנוספות הבאות:

1.       במקום בו הפתח הצר יותר, הלחץ הסטטי שנוצר בדפנות הצינור, היה קטן יותר.
2.       במקום בו הפתח הצר יותר, מהירות המים הייתה הגדולה ביותר, ועל כן עליית המים מהגיגית הייתה גדולה יותר. 
3.       זרימת המים שהתחילה את "המרוץ" בנקודה A  סיימה את "המרוץ" ביחד, בנקודה B  (עפ"י חוק הרציפות)

בניית כנף עפ"י תוצאות הניסוי

לימים, כאשר ראו ממציאים שונים אחרים כי שיטתו של  ברנולי מעניינת, ולאחר שהבינו כי תכונותיו של הגז הנקרא בפי כל אוויר, דומה מאוד לתכונותיו של הנוזל, התחילו לערוך ניסויים עפ"י חוק ברנולי, בהזרמת אוויר לתוך צינור ונטורי. משם ועד לבניית כנף תעופתית, הדרך הייתה קצרה מאוד יחסית.
מתכנני הכנף החדשה החליטו לבנות כנף, עם עקימון אחד גדול – העקימון העליון, ועקימון אחד קטן יותר – העקימון התחתון.

הציור שלפניכם מציג  פרופיל כנף תעופתית.

 כאשר  זרימת האוויר הפוטנציאלית ( פוטנציאלית = זרימת האוויר היחסית המגיע אל מול הכנף, עד שהיא פוגעת בשפת ההתקפה של הכנף, ומתפצלת)  פוגעת בשפת ההתקפה של הכנף, ומתפצלת, חלק מזרם האוויר עושה דרכו מעל הכנף, וחלק מזרם האוויר עושה דרכו מתחת לכנף.

שימו לב, שהזרימה העושה דרכה מעל העקימון העליון עושה דרך ארוכה יותר מהזרימה העושה דרך קצרה יותר (מתחת לעקימון התחתון).

כפי שהומחש עפ"י הניסוי של ברנולי,  "פרודות האוויר" שהתחילו את דרכן בנקודה A  , מבחינתנו, שפת ההתקפה, מסיימות את המרוץ מעל ומתחת לכנף, ומגיעות יחדיו אל נקודה B  , מבחינתנו,  שפת הזרימה -  באותה עת בדיוק נמרץ. 

ועל כן:
 היות וזרם האוויר מעל חלקו העליון של הכנף מהיר יותר מזרם האוויר שבחלקו התחתון, נוצר הפרש לחצים בין חלקו העליון של הכנף לחלקו התחתון.
הפרש הלחצים שנוצר, קרי, לחץ גבוה בחלקו התחתון של הכנף, לעומת לחץ נמוך בחלקו העליון של הכנף יוצר עילוי, והכנף מתרוממת לאוויר.

להזכירכם, עפ"י הניסוי של ברנולי, הלחץ הנמוך נוצר בפתח הצר של הצינור. החלק הצר משמעו, החלק הגבוה בעקימון.

ולהמחשת סעיף 3
בהנחה שניקח שתי "פרודות אוויר" בודדות וניתן להן לרוץ מנקודה A לנקודה B.
שתי הפרודות יגיעו ביחד לנקודה B  – מבלי שאף "פרודת אוויר" תשיג את רעותה.

דוגמא א: פרופיל כנף בעל זווית התקפה של 20 מעלות

 

דוגמא ב: פרופיל כנף בעל זווית התקפה של 30 מעלות

 

הנה כי כן, אנו רואים עפ"י הדוגמאות המובאות, כי ככל שנגדיל את זווית ההתקפה, כך יגדל העילוי בהתאמה, כמובן, שעד לזווית התקפה מסוימת.
לזווית ההתקפה המסוימת הזו קוראים - הזווית הקריטית, או בלשון אחרת, זווית ההזדקרות. זווית ההזדקרות שונה מכנף לכנף, וזאת על פי מנת הממדים שלה.

הזווית הקריטית, או זווית ההזדקרות, היא זווית ההתקפה של כנף מסוימת, בה ניתקת זרימת האוויר מעל חלקה העליון של הכנף. ברגע של ניתוק זרימת האוויר בחלקה העליון של הכנף, אין יותר שתי זרימות אוויר, ולכן אין יותר הפרש לחצים בין החלק העליון של הכנף לחלקה התחתון -  הכנף מזדקרת, ונופלת.

המחשת עניין ההזדקרות

כאשר שתי זרימות האוויר, מעל ומתחת לכנף מתלכדות, הן ניתקות משפת הזרימה של הכנף, ויוצרות מערבולת. מערבולת זו נקראת "המערבולת ההתחלתית".

 מערבולת זו היא בעצם הגרר ו/או ההתנגדות השוררת על המטוס. כיוון תנועתה של המערבולת – נגד כיוון השעון.
 למה נגד כיוון השעון? פשוט מאוד. אוויר בלחץ גבוה שואף להגיע לאוויר בלחץ נמוך, לכן, האוויר שנמצא בלחץ גבוה מתחת לכנף, העוזב את שפת הזרימה, ישאף ל"טפס" לאזור האוויר בלחץ הנמוך היוצא מחלקו העליון של הכנף, ועולה למעלה.

ככל שנגדיל את זווית ההתקפה של הכנף, כך תגדל המערבולת, עד שבזווית ההתקפה הקריטית, המערבולת כל כך גדולה, עד שהיא יוצרת מחסום, בה נתקלת זרימת האוויר הזורמת מעל הכנף, ושם היא נעצרת. ברגע זה, אין יותר הפרש לחצים כאמור, ואז הכנף נופלת.

כל חניך טיסה מתרגל ולומד כבר בשעות הטיסה הראשונות, לצאת ממצב מביך זה, וללא כל בעיה מיוחדת. 

אילוסטרציה של כנף בהזדקרות

 

 יציבותו של מטוס

בתכנון מטוסים, שמים דגש על יציבות המטוס בשלושת המישורים - עלרוד, סבסוב וגלגול.

על הכנף הקדמית ישנו עילוי חיובי לעומת עילוי שלילי הקיים על מייצב הגובה. העילוי השלילי הקיים  על מייצב הגובה -  הוא תוצאה של זווית הכוונה שלילית, (כלפי מטה) וזאת בגין הרצון לאזן  בין  המומנט שנוצר בגלל הפרשי המיקום בין ה- C.G  ל- C.P, דבר התורם ליציבותו האורכית של המטוס.

 המסקנה הנובעת מהאמור לעיל היא, שהעילוי על הכנף הראשית גדול ממשקל המטוס. לו ה- C.G  וה-  C.P  היו יוצאים מאותה נקודה, לא היה צורך בזווית הכוונה שלילית במייצב הגובה, וסך כוחות  העילוי על  הכנף הראשית היה שווה למשקל המטוס.

דגש מיוחד ניתן ליציבות האורכית, וזאת בגלל העובדה שלו לא היה המטוס בנוי כך שיהיה מיוצב היטב על ציר העלרוד, המטוס היה מסוכן לטיסה בגלל נטיית מטוס שכזה לפתח צלילות חדות מחד, וטיפוסים עד כדי הזדקרות מאידך. מטוס שאיננו מיוצב היטב על ציר העלרוד, קשה להטסה ואף מסוכן.

היציבות האורכית במטוס נמדדת על פי שלושה פרמטרים:

1. מיקום הכנף בהתייחס ל- c.g

2. מיקום מייצב הגובה בהתייחס ל- c.g

3. השטח הכללי של הזנב.