דף הבית   |  אודות האגודה צור קשר    The Israeli Light Sport Aircraft Association
 
 
  »  התעופה הספורטיבית  
  »  הכל לטיסה  
  »  הנהלה וועדות  
  »  טיסה לחו"ל  
  »  ידע תעופתי כללי  
  »  קונים ומוכרים  
  »  Welcome  
 

   

 
 
 
 
 
 
 

אווירודינמיקה
אווירודינמיקה (תורת הזרימה), היא ענף במכאניקת הזורמים החוקר את הכוחות הפועלים על גופים שסביבם
יש שדה זרימה.
)תחום זה נחקר לראשונה על ידי ג'ורג' קיילי במאה ה-19, וענף זה הוא שאפשר את פיתוח התעופה(.
 
באווירודינמיקה מתייחסים לגזים כאל חומר רציף ולא בתור אוסף של מולקולות. השלכה של תפיסה זאת היא
האפשרות לייחס לגזים תכונות כמו צפיפות, לחץ, טמפרטורה וכו'.
אחד מהיעדים המרכזיים של האווירודינמיקה הוא לחזות את הכוחות האווירודינמיים הפועלים על מטוס.
ארבעת הכוחות הבסיסיים הפועלים על מטוס ממונע הם: עילוי, משקל, סחב/דחף וגרר.
 
 
המשקל - Wight - הוא הכוח הנוצר כתוצאה מכוח המשיכה של כדור הארץ.
 הסחב/דחף – Thrust - הוא הכוח שנוצר על ידי המנוע.
 עילוי – Lift – הכוח המחזיק את המטוס באוויר.
גרר – Drag – כוח התנגדות האוויר לתנועת המטוס בתוכו.
העילוי מוגדר כחיובי כאשר הוא פונה כלפי מעלה ואילו הגרר מוגדר כחיובי כאשר הוא פועל לאחור.
מטוס בשיווי משקל – כאשר ארבעת הכוחות הנ"ל מאזנים האחד את השני, שקול הכוחות הינו אפס.
מטוס בשיווי משקל ישמור את מצבו – מהירות, גובה וכיוון.
 
 
תכונות האוויר –
 האוויר הינו פלואיד המורכב מאוסף מולקולות הנמצאות בתנועה מתמדת ולפיכך חלים עליו חוקי הפיזיקה
הקלאסית/ ניוטונית.
 
אייזק ניוטון ( 4 בינואר 1643 - 31 במרץ 1727) - פיזיקאי ומתמטיקאי אנגלי. נחשב לאחד המדענים הגדולים בכל הזמנים. גילה ופיתח את שלושת חוקי התנועה,
 
שהם אבן יסוד במכניקה הקלאסית וכן גם  תגליות ופיתוחים רבים אחרים במתמטיקה ופיזיקה קלאסית.
 
הרכב האוויר -
אטמוספירה – שם כולל לכינוי שכבת גזים המקיפה גוף שמימי בעל מסה משמעותית.
אטמוספירת כדור הארץ - מעטה גז, סביב לכדור הארץ.
75% מגזי האטמוספירה נמצאים בגובה של עד 36.000 רגל מעל פני הים  ו – 50% מתחת גובה של 18.000 רגל.
הרכב האוויר שבאטמוספירה עד לגובה של כ – 150 ק"מ : 78% חנקן. 21% חמצן. 1% גזים אחרים.
האוויר מכיל גם אדי מים בין 0.5% ל – 3% ואף יכול להגיע ל – 5% באזורים חמים ולחים).
ככל שכמות אדי המים באוויר גדלה, כך קטנה צפיפותו.
 
לחץ, צפיפות, טמפ' -
לחץ - Pressure - גודל פיזיקלי המבטא את מידת הכוח המופעל על שטח מסוים. ככל שהכוח גדול יותר או שהשטח
עליו פועל קטן יותר, הלחץ גדל
לחץ = שטח/כוח.
 
 
לחץ האוויר – הכוח אותו מפעיל עמוד אוויר (מחמת משקלו) על יחידת שטח.
צפיפות החומר  מסת החומר ליחידת נפח.
 הצפיפות נמדדת ביחידות של מסה לנפח, למשל בגרם לסמ"ק (g/cm3) או ב למטר מעוקב (kg/m3).
את הצפיפות נהוג לסמל באמצעות האות היוונית רו (ρ).
את הצפיפות אפשר לחשב באמצעות הנוסחה:
צפיפות האוויר - כמות האוויר ביחידת נפח.
צפיפות האוויר הנה פונקציה של הלחץ, הטמפ' והלחות שבאוויר. לחץ גבוה מעלה הצפיפות ואילו טמפ' ולחות
גבוהים מקטינים צפיפות האוויר.
צפיפות נמוכה מפחיתה את כוח העילוי ואת כוח המנוע.
טמפרטורה - גודל המבטא את "רמת התנועה" של חלקיקי החומר ומהווה מדד לאנרגיה הקינטית של החלקיקים.
טמפרטורת האוויר – הנה הביטוי לכמות האנרגיה האצורה במולקולות האוויר.
 
ככל שנעלה גבוה יותר, יקטן עמוד האוויר שמעלינו, לחצו יפחת וצפיפות האוויר תקטן.
 
 
ככל שהטמפ' עולה, צפיפות האוויר פוחתת
 

מעלות צלזיוס  °C  ρ בק"ג למטר מעוקב (בלחץ 1 אטמוספירה(
–10 1.342
–5 1.316
0 1.293
5 1.269
10 1.247
15 1.225
20 1.204
25 1.184
30 1.164
 
מדידת הלחץ - לחץ האוויר נמדד באמצעות עמוד נוזל (בד"כ כספית) המצוי בכלי. לחץ האוויר על הנוזל שבכלי יקבע
את גובה הנוזל בעמוד.
 
 
יחידות מקובלות למדידת לחץ :
מילימטר/אינטש כספית – גובה עמוד הכספית במערכת אשר בשרטוט מס' 3 לעיל.
מיליבר -  Mb- בר היא יחידת מידה של לחץ השווה למיליון דין לסנטימטר רבוע, כלומר למאה אלף פסקל .
מקור המילה הוא מיוונית báros, שמשמעותה משקל.
לחץ אוויר אטמוספירי ניתן לרוב במיליבר (אלפיות "בר"). לחץ האוויר בגובה פני הים הוא 1013.25 מיליבר
(או 1.01325 bar).
הקטופאסקל – HpA  - שם חליפי למיליבר ושווה ערך לו.
 
נתוני אטמוספירה סטנדרטית (אטמוספירת תקן) :
טמפ' בגובה פני הים – +15 מעלות צלזיוס בקו רוחב N/S 45.
לחץ בגובה פני הים – 1013.25 מיליבר/הקטופאסקל או 29.92 אינטש כספית.
מפל טמפ' של 2 מעלות צלזיוס לכל 1000 רגל, עד גובה הטרופופאוזה.
הטרופופאזה בגובה ממוצע 36.500 רגל והטמפ' שלה 57- מעלות צלזיוס.
מפל לחץ של 1 מיליבר לכל 30 רגל עד 18.000 רגל.
מפל לחץ של 0.033 אינטש לכל 30 רגל עד 18.000 רגל.
מפל לחץ של 1 מיליבר לכל 60 רגל, מעל גובה 18.000 רגל.
מפל לחץ של 0.033 אינטש לכל 60 רגל, מעל גובה 18.000 רגל.
 
 
 
התנהגות האוויר בתנועה – 
להלן "מהירות אוויר" = מהירות אוויר אמיתית השונה ממהירות אוויר מכשירית/נמדדת.
 על אוויר זורם חלים אותם חוקים פיזיקליים החלים על גופים בתנועה (חוק ההתמדה, חוק הפעולה והתגובה וכו),
אלא שיישומם לגבי האוויר קשה יותר מחמת תכונות נוספות שלו.
 
חוק הרציפות -
רציפות במתמטיקה משמעה, פונקציה שניתן לצייר אותה בלא להרים את העט מהדף.
פונקציה המתארת זרימה הינה פונקציה רציפה.
על פי חוק שימור החומר, מסה ובכלל זה מסת אוויר אינה אובדת ואינה נוצרת מחמת תנועה/זרימה. לפיכך מסת אוויר
הנכנסת וזורמת דרך נפח מסוים תקיים זרימה רציפה, ועל כן המסה הנכנסת היא גם המסה שתצא מנפח זה.
מסת אוויר המוזרמת לנפח ההולך וקטן, תאלץ להגביר מהירות הזרימה.
 
 
לחץ סטטי ולחץ דינמי -
לחץ סטטי – אוויר במנוחה יוצר לחץ שווה בכל הכיוונים. זהו הלחץ האטמוספרי.
לחץ דינמי – אוויר בזרימה יוצר לחץ שונה בכיוונים שונים.
מדידת לחץ בניצב לזרימה תפיק את הלחץ הסטטי.
מדידת לחץ נגד כיוון הזרימה תפיק לחץ גבוה מהלחץ הסטטי והוא הלחץ הדינמי.
על פי חוק שימור האנרגיה , סכום הלחצים יהיה קבוע ועל כן :
 ככל שתגבר מהירות הזרימה, יגדל הלחץ הדינמי ויקטן הלחץ הסטטי .
 
חוק ברנולי - ככל שמהירות זרימתו של זורם (נוזל או גז) על גבי משטח גבוהה יותר, הזורם יפעיל פחות לחץ על
המשטח. העיקרון נובע למעשה מחוק שימור האנרגיה, מאחר וסכום האנרגיה הקינטית (שהיא פונקציה של
מהירות הזרימה) והאנרגיה הפוטנציאלית (הלחץ שמפעיל הזורם על הכנף או דפנות הצינור) הינו קבוע.
.
P - הלחץ בנקודה,
ρ - צפיפות הזורם בנקודה,
g - תאוצת הכובד, ערכו בכדור הארץ הוא כ- 9.81 מטר לשנייה בריבוע,
v - מהירות הזורם בנקודה,
h - גובה הזורם בנקודה (ביחס למישור ייחוס שנקבע מראש).
 
ובקיצור - הלחץ הכללי/טוטאלי שווה לסכום הלחץ הסטטי והדינמי. לחלופין,הלחץ הסטטי משתנה ביחס ההפוך לדינמי.
 :
Pt = Ps + Pd
 
דניאל ברנולי (9 בפברואר 1700 - 17 במרץ 1782) היה מתמטיקאי הולנדי שהעביר את רוב ימיו בבאזל שבשווייץ, שם עבד עם המתמטיקאי לאונרד אוילר.
 
עקרון ברנולי הקרוי על שמו הוא כלל חשוב ביותר באווירודינמיקה.
 
הערה : חוק ברנולי תקף כל עוד אין דחיסת אוויר. כאשר מופיעה דחיסות וזו מופיעה מעל 200 קשר, החוק הופך מורכב יותר.
 
צינור ונטורי – מדגים את חוק הרציפות ואת חוק ברנולי כאחד.
 
העיקרון ניתן על שמו של הפיזיקאי האיטלקי ג'יובני באטיסטא ונטורי.
 
אוויר הזורם דרך צינור בעל חתך משתנה (ראה שרטוט שלעיל), משנה את מהירות הזרימה ובהתאם את הלחץ
הסטטי והדינמי (אשר סכומם נשאר קבוע).
לחץ דינמי על גוף בתנועה – על גוף הנמצא בתנועה ומהירות מסוימת בתוך גוש אוויר, פועל לחץ דינמי השווה
ללחץ המופעל על גוף נייח, המצוי בתוך זרם אוויר בעל אותה מהירות.  הלחץ הדינמי הפועל על גוף בתנועה בתוך
גוש אוויר, עומד ביחס ישר למהירות התנועה של הגוף ולצפיפות האוויר.
וליתר דיוק - לחץ דינמי שווה למהירות בריבוע של הגוף, כפול מחצית צפיפות האוויר:
 V² ½Þ  = Pd
 
 
מבנה המטוס - הכרות ראשונית בלבד עם חלקי המטוס.
 
 
עילוי - Lift
 
מטוס על הקרקע, מדוע אינו נופל ? כי אין לו לאן ליפול !
ובניסוח אחר – כאשר מטוס על הקרקע משקלו מאוזן ע"י תגובת הנגד של הקרקע.
 
מטוס באוויר, איך לא ייפול לקרקע ?
דרוש כוח שיפעל כנגד משקלו של המטוס ויחזיק אותו מעל פני הקרקע, באוויר !!!
לכוח הדרוש נקרא עילוי –  Lift.
 
 
איך יוצרים עילוי ?
למרבה הפלא, לאחר יותר מ – 100 שנים של תעופה ממונעת, עדיין אין תיאוריה אחת המוסכמת על הכול
והמסבירה יצירת עילוי !
להלן יוצגו מספר תיאוריות אשר סביר להניח שכולן נכונות, אלא שכל אחת מהן תוקפת את השאלה מזווית
ראיה אחרת ומתעלמת במקרה הטוב מתיאוריות אחרות.
לדידנו כולן נכונות ובמצרף, מסבירות את יצירת הכוח המחזיק כלי טיס בעת מעופם באוויר.
 
 
 
 
 
משטח אווירודינמי – משטח המייצר עילוי : כנפיים. מייצב גובה. מייצב כוון. מדחף. גוף המטוס.
 
מהירות הזרימה היחסית/רוח יחסית - זרם האוויר יכול להתקבל כאשר המטוס עומד על הקרקע ורוח נושבת מולו.
אם חזקה דייה המטוס יתרומם לאוויר וייפול (כי רגע שבאוויר שוב אין זרימה יחסית).
זרם האוויר יכול להתקבל מתנועת המטוס בתוך גוש האוויר. כלומר שתנאי לעילוי הינו תנועת המטוס בתוך גוש
האוויר ויצירת רוח יחסית מעצם תנועתו.
מהירות אוויר אמיתית – המהירות היחסית שבין גוף נע בתוך גוש אוויר, לבין גוש האוויר.
כל המהירויות שלהלן הן "מהירות אוויר אמיתית", אלא אם נאמר אחרת.
 
ההסבר הקלאסי – הפרש לחצים (המקובל לצרכי מבחן רת"א ושגוי לדעת NASA)
 
 
שרטוט 1 לעיל – נקח צינור ונזרים דרכו אוויר במהירות מסוימת. על פי חוק ברנולי –
הלחץ הכללי/טוטאלי שווה לסכום הלחץ הסטטי והדינמי:
Pt = Ps + Pd
משמע שאם נמדוד את הלחץ הסטטי והלחץ הדינמי בנקודת הכניסה לצינור, בכול נקודה לאורך הצינור וביציאה
מהצינור, נקבל תמיד את אותו הערך ללחץ הסטטי ואותו הערך ללחץ הדינמי.
 
שרטוט 2 לעיל – נכניס גוף למרכזו של הצינור, גוף אשר נקרא לו "פרופיל אווירודינמי".
 
שרטוט 3 לעיל – נשוב ונזרים אוויר דרך הצינור באותה המהירות המסוימת שהזרמנו בשרטוט 1 שלעיל.
 זרם האוויר אשר יחל דרכו בקווים ישרים, יפגוש את הפרופיל האווירודינמי ויאולץ להתפצל לשניים.
בפועל, הצבת הפרופיל האווירודינמי פיצלה את הצינור לשניים. חלקו התחתון הינו שווה ערך לצינור אשר
בשרטוט 1 שלעיל ואילו חלקו העליון הינו שווה ערך לצינור ונטורי.
 

\
 
 
התוצאה – בעוד הלחץ הסטטי מתחת לפרופיל האווירודינמי נשאר קבוע ויציב לאורך כל הזרימה,
הלחץ סטטי מעל הפרופיל האווירודינמי פחת והוא כעת קטן יותר מהלחץ הסטטי שמתחת לפרופיל. כנגד זאת,
מהירות זרימת האוויר מעל הפרופיל גבוהה מזו שמתחתיו.
 
 
ניתן להסביר את העילוי ככוח הנובע מהפרש הלחצים מעל ומתחת לפרופיל האווירודינמי. מדידת מהירות הזרימה
בנקודות שונות על פני הפרופיל (הן מעליו והן מתחתיו), מגלה שקיים הפרש מהירויות הגורר הפרש לחצים היוצר
את העילוי על הפרופיל האווירודינמי.
 
מהו התנאי ליצירת העילוי?
כדי שיפעל כוח עילוי על הכנף דרוש שהלחץ בצד התחתון שלה יהיה גבוה מהלחץ שבצד העליון שלה. ראה ראה
שרטוט שלהלן.  בשרטוט החיצים סומנו בכיוון לחיצה כלפי דופן הפרופיל, כשמדובר בלחץ גבוה מלחץ
הסביבה - דחיסה. החיצים סומנו בכיוון יניקה עבור אזורים בהם הלחץ נמוך מלחץ הסביבה.
 הערה: וקטור העילוי ניצב לזרימת האוויר היחסית לפרופיל (הכנף).
 
 
 
 
 
הפרופיל האווירודינמי כ"משאבה" -  (מקובל כשגוי לצרכי מבחן רת"א ושגוי לדעת NASA) –
באוויר (ולמעשה בכל זורם), כוח נוצר כאשר קו זרימה עובר בסביבה של פרופיל אווירודינמי ומוסט כלפי מטה.
הכוח שגרם להסטת קו הזרימה כלפי מטה נובע מהמפגש עם הכנף.
 כוח שווה ומנוגד לו (על פי חוקי ניוטון) מופעל על הפרופיל האווירודינמי כלפי מעלה ((upwash. הסטת האוויר
כלפי מטה במהלך יצירת עילוי על פרופיל אווירודינמי הינה תופעה מוכרת הנקראת הסטה מטה (Downwash).
הסטת קו הזרימה כלפי מטה אינה נובעת כתוצאה מ"התנגשות" של מולקולות האוויר כלפי מטה מהחלק התחתון
של הפרופיל האווירודנימי. ההסבר הוא שקוי הזרימה עוקבים אחרי שני צדדי הפרופיל האווירודינמי, וכתוצאה
מצורת הפרופיל הזרימה מוטה כלפי מטה. למעשה, האצת הזרימה על ידי הפרופיל מתוארת גם כ"סיבוב"
שהפרופיל מפעיל על הזרימה, וניתן לראות זאת גם במערבולות שנוצרות במורד הזרימה.
 
 
 
עילוי של "לוח שטוח(מקובל כשגוי לצרכי מבחן רת"א ושגוי לדעת NASA)
לוח שטוח המוצב מול זרם אוויר כאשר מימד הצר שלו מקביל לקווי הזרימה לא מיצר עילוי כי קווי זרימת האוויר
סביבו זהים הן מעליו והן מתחתיו.
לעומת זאת, לוח שטוח המוצב בזווית לזרם האוויר (ראה שרטוט להלן), יוצר עילוי משום שגורם לזרימה שמעל
הלוח לשנות כיוון זרימה ולהאיץ.
 
 
 
לוח שטוח במנהרת אוויר. שים לב למערבולת/"גיבנת" המעצבת את המכלול ל"פרופיל אווירודינמי", הגורם לשינוי
כוון הזרימה ולהאצת הזרם שמעל לפרופיל, יחסית לזה שמתחתיו.
 
 
הסבר NASA (אינו קביל לצרכי מבחן רת"א)-
הפרש הלחצים כמו גם פרופיל הכנף, גורמים לשינוי כיוון הזרימה מעל הכנף והאצה במהירות הזרימה.
 
 
חוברת הדרכה של NASA
 
ציטטה מחוברת ההדרכה שלעיל
 
HOW IS LIFT GENERATED?  
There are many explanations for the generation of lift found in encyclopedias, in basic physics textbooks, and on Web sites. Unfortunately, many of the explanations are misleading and incorrect. Theories on the generation of lift have become a source of great controversy and a topic for heated arguments. To help you understand lift and its origins, a series of pages will describe the various theories and how some of the popular theories fail.
 
בעוד ההסברים הקודמים ישימים רק לכנף שיש לה זרימה שמעל ומתחת, הסבר NASA ישים גם לגגות בתים,
להם יש זרימה רק מלמעלה, היוצרת כוח עילוי שיש בו כדי לקרוע כיסוי הגג ממקומו. לפיכך נראה כסביר
ומסביר טוב מהאחרים.
 
שכבת הגבול - שכבה הצמודה למשטח שמעליו זורם פלואיד (נוזל או גז) ואשר בה מהירות הזרימה שונה ממהירות
הזרימה הכללית. ההבדל במהירויות בין השכבות הצמודות למשטח לשכבות שאינן צמודות נובע מהעובדה שכל
נוזל\גז הוא במידה מסוימת צמיג או "דביק ולחלופין מחמת החיכוך .לכן השכבה הצמודה ביותר למשטח בעצם
"דבוקה" אליו ולכן מהירותה ביחס למשטח היא אפס. השכבה שמעליה "מחליקה" על השכבה שמתחת ולכן
מהירותה תהיה קצת יותר גבוהה. כך ככל שנתרחק מהמשטח המהירות תלך ותגדל עד לאזור שבו אין הבדל
בין מהירות השכבה למהירות הזרימה הכללית. זוהי שכבת הגבול. עובי שכבת הגבול בכנף מטוס מצויה אינו
עולה על אינטשים בודדים.
בתחילה שכבת הגבול למינרית/קווית, ואח"כ הופכת לטורבולנטית/מערבולית.
מחוץ לשכבת הגבול הזרימה חוזרת למהירותה המקורית, כאשר ממש על פני המשטח מהירות הזורם היא
אפס - תנאי אי החלקה.
קיום שכבת גבול הוא תנאי ליצירת עילוי.
 
אפקט קואנדה (לא מוכר ברת"א ולא מוכר ע"י NASA כיוצר עילוי, אלא רק כמשפר בתנאים מיוחדים).
אפקט קואנדה הוא תופעה בה סילון של זורם נע, נוזל או גז, נשארים צמודים למשטח עקום שהעקמומיות שלו
איננה חדה מידי.
התופעה של היצמדות סילון זורם נע (אוויר, מים), למשטחים בעלי עקמומיות נקראת על שם הנרי מרי קואנדה,
מדען, בונה מטוסים וטייס ממוצא רומני, מחלוצי התעופה בעולם.
 התופעה מוסברת בכך שכאשר הזורם נע לאורך המשטח נוצר כוח חיכוך בין הזורם לבין המשטח. כוח זה מאט
את מהירות הזרימה ומצמיד את הזורם למשטח. הזורם הנע עוקב אחרי העקמומיות של המשטח אפילו מעבר
לנקודת הקצה כל עוד הזווית איננה חדה מידי.
בשנת 1934 הוציא קואנדה פטנט בצרפת על שימוש בתופעה להסטת סילון נוזל שנכנס לזורם אחר בסמיכות לקיר קמורמחקרים נוספים נעשו על ידי
ג`ון פוסט והובילו לתכנון ולבניה של רחפות השטות על גבי כרית אויר.
מאחר ותנאי לעילוי (למעט בעילוי של לוח שטוח), הינו הצמדות האוויר הזורם לפרופיל הכנף ויצירת שכבת גבול,
אזי אפקט קואנדה מגלה ומאשר שקיימת תכונה כזו בין צמיג (אוויר ומים) לבין מוצק – כנף המטוס. גוף המטוס.
גוף סירה השטה במים.
עם זאת, אפקט קואנדה אינו הגורם וההסבר היחיד להצמדת האוויר הזורם לכנף וגוף המטוס. האוויר הזורם מעל
הפרופיל נדחק כלפי מעלה ע"י הקטע העולה של הפרופיל ולכן צמוד אליו. לאחר מעבר השיא, שואף האוויר
להמשיך ישר, אלא שאז נוצר וואקום בינו לבין הפרופיל, המאלץ אותו להמשיך ולהישאר צמוד אליו. מכאן שגם
אלמלא היה קיים "אפקט קואנדה", זרימת האוויר סביב פרופיל הכנף הייתה נצמדת אליו (עד גבול זווית ההזדקרות.
מונח שיסבר בהמשך).
יש חוקרים הטוענים שנדרש להשתמש באפקט קואנדה כדי להסביר את היווצרות כוח העילוי מפרופיל אווירודינמי.
הם טוענים שהיצמדות הזרימה אל "עקמומיות הפרופיל" אווירודינמי בחלק שמעל לפרופיל נובעת ברמה
המיקרוסקופית על ידי אפקט קואנדה ושבלעדיו היה נוצר מצב קבוע של הזדקרות. לעומתם, רוב החוקרים
מסתפקים בהסברים שלעיל, בלי לראות צורך בשימוש באפקט קואנדה.
 
התנאים לייצירת עילוי:
1. גוף (הנקרא - פרופיל),בתוך זרם אוויר.
2. פרופיל המאלץ זרם האוויר שמעליו לדרך ארוכה מזו שמתחתיו.
3. שפת הזרימה של הפרופיל חייבת להיות חדה.
4. קיום שכבת גבול.
5. מפגש הזרם שמעל הפרופיל והזרם שמתחתיו בשפת הזרימה.
6. זווית התקפה של הפרופיל בתוך זרם האוויר, נמוכה ממהירות הנתקות הזרם מעליה.
 
פרופיל אווירודינמי
הגדרות :
 
 
 
מבנה הפרופיל האווירודינמי
שפת התקפה – הנקודה הקדמית ביותר של הפרופיל.
שפת זרימה – הנקודה האחורית ביותר של הפרופיל.
עקימון עליון – קו הפרופיל העליון.
עקימון תחתון – קו הפרופיל התחתון.
מיתר – הקו הישר המחבר את שפת ההתקפה עם שפת הזרימה.
רוח יחסית – כוון זרימת האוויר לפני הפרופיל האווירודינמי.
זווית התקפה – הזוית שבין קווי זרימת האוויר/הרוח היחסית ובין המיתר.
מנת עובי – היחס בין אורך המיתר ובין עובי הפרופיל (בנקודה העבה ביותר).
מהשרטוטים שלהלן ניתן לראות שפרופיל יכול שיהיה בעל מנת עובי נמוכה ויכול שיהיה בעל מנת עובי גבוהה.
שיא העקימון – מצוי בד"כ מעל  30% של המיתר.
 
 
 
יתר על כן, פרופיל אווירודינמי יכול שיהיה בעל צורות שונות ומשונות ואפילו סימטרי.
שפת ההתקפה עשויה להיות חדה או כהה ואילו שפת הזרימה, חדה תמיד.
 
דעה נפוצה היא שפרופיל בעל מנת עובי גדולה מתאים יותר למטוסים בעלי מהירות נמוכה, אך השוואת כנף
אז"מ סיירה עם כנף אז"מ טקסן מלמדת שדק יותר (סיירה) עשוי להיות גם יעיל יותר.
יתרונות מנת עובי גדולה – חוזק כנף ומקום אחסון לדלק.
 
Mean Aerodynamic Chord  - MAC   - מאחר ורוחב כנף עשוי להשתנות, המיתר הממוצע הוא הבסיס לחישובי
מרכז העילוי (ומיקום מרכז הכובד - יוסבר בפרק יציבות)
 
Aspect ratio  - מנת ממדים - היחס בין אורך הכנף לאורך המיתר הממוצע.
ככול שהיחס גבוהה יותר, הכנף ארוכה וצרה יותר.
דאונים הינם בעלי Aspect ratio  גדול במיוחד.
היחס בין אורך שפת ההתקפה לשפת הזרימה של הכנף   -  TAPER RATIO
בכנף מלבנית (האופינית ושלטת במטוסי GA ואז"מ), היחס הוא 1. כלומר שהן שוות.
מכאן גם שמנת ממדים עבור כנף מלבנית הינה, היחס בין אורך הכנף לרוחבה.
 
מרכז הלחץ –Center of Pressure  – שקול כוחות העילוי. נקודה מדומה במרחב אשר בה מתרכזים לכאורה
כול כוחות העילוי.
העילוי נוצר על כל הכנף וניתן להציגו כאינסוף וקטורים בעלי גודל שונה, היוצאים מהעקימון העליון.
לצרכי החישוב והתכנון מתייחסים למרכז הלחץ כמקום ממנו יוצא וקטור אחד המייצג את כוח העילוי של הפרופיל
האווירודינמי כולו וניצב לכוון הרוח היחסית.
מאחר שבזוויות התקפה שונות משתנה העילוי, גם מרכז הלחץ משנה מקומו בהתאם.
 הגדלת זווית ההתקפה תניע את מרכז הלחץ קדימה.
 
 
 
פרופיל ממוצע – לארוך כנף המטוס יכול הפרופיל האווירודינמי להשתנות.
בכנף הולכת וצרה ישתנה גודלו.
 יכול גם שמנת העובי תשתנה לאורך הכנף ויכול גם שזווית ההתקפה תשתנה לאורך הכנף ועל כן מגדירים פרופיל
ממוצע אשר בדומה ל – CP הוא מייצג את שקול הכוחות.
 
זווית ההכוונה –
בשלב תכנון המטוס על המתכנן לקבוע את הזווית שבין מיתר הפרופיל הממוצע לבין ציר האורך של המטוס.
קיום זווית בין ציר האורך של המטוס והמיתר הממוצע הינה לספק עילוי בעת ריצת ההמראה וכאשר ציר המטוס
מקביל לקרקע לצרכי נוחות הראייה של הטייס.
 
 
 
הכנף
בפני מתכנן כנף עומד מגוון אפשרויות עצום. בחירתו תיגזר מתחום המהירות, הביצועים והמשימות להן נועד המטוס.
 
בחירת הפרופיל אווירודינמי – על פי תרשימי הפרופילים האווירודינמיים שלעיל ניתן להבין שפרופילים שונים
ייתנו מנת עילוי ומנת גרר שונה עבור מהירות זהה. לחילופין, מנת העילוי ומנת הגרר שייתן פרופיל מסוים תשתנה
על פי שינוי המהירות. כל פרופיל הינו בעל יתרון בתחום מהירות אחת ובעל חסרון בתחום מהירות אחרת. לפיכך
מתכנן הכנף יבחר פרופיל המותאם טוב יותר לתחום המהירויות בו אמור המטוס לפעול.
 
מנת ממדים – היחס בין אורך הכנף והמיתר הממוצע.
 
בחירת מנת ממדים גדולה כנגד מנת ממדים קטנה.
בחירת מנת עובי גדולה כנגד מנת עובי קטנה.
בחירת כנף מלבנית. כנף אליפטית. כנף טרפזית. כנף משולשת.
בחירת כנף ישרה. כנף משוכה לאחור. כנף משוכה קדימה.
בחירת כנף קבועה. כנף בעלת זווית משתנה.
צירופים ושילובים של האפשרויות שנמנו לעיל ועוד רבות אחרות.
 
 
כמה עילוי מייצרת הכנף ?
על פי מה שלמדנו עד כה, לייצור עילוי דרושים שלושה : אוויר, כנף בעלת פרופיל אווירודינמי ותנועה.
אוויר – ענייננו הוא בכמות האוויר הנעה סביב הכנף ועל כן בצפיפותו (שהינה פונקציה של הלחץ, הטמפ' והלחות).
תנועה –מהירות הרוח היחסית שבין הכנף לאוויר.
שטח הכנף - סך כל העילוי של הכנף תלוי בשטחה.
מקדם העילוי – CL - כנף מייצרת עילוי בהתאמה למבנה ולצורה שלה ואתו ניתן למדוד במעבדה/מנהרת רוח.
מכאן שניתן לתת לכנף ערך יעילות אותו נקרא "מקדם העילוי" התלוי בפרופיל הנבחר, בצורת הכנף ובזווית ההתקפה.
מקדם העילוי הינו קבוע עבור כל כנף מסוימת ואינו משתנה כפועל יוצא מהשתנות הגורמים האחרים 
 
צרוף  ארבעת הגורמים אשר נמנו לעיל ייתן את נוסחת העילוי –
·         L - כוח העילוי (בניוטונים).
·         ρ - צפיפות האוויר, הקטנה ככל שעולים בגובה (בק"ג למטר מעוקב).
·         V - המהירות היחסית בין הכנף לבין האוויר (במטרים לשנייה).
·         S - שטח הכנף (במטרים רבועים).
·         CL - מקדם העילוי (חסר ממדים).
שים לב ! הביטוי  שבנוסחת העילוי: 
הינו הלחץ הדינמי (ראה "צינור ונטורי" לעיל).
נקודות להדגשה –
צפיפות האוויר – כאשר צפיפות האוויר גדלה, גדל גם העילוי. כאשר היא קטנה, קטן גם העילוי.
צפיפות אוויר גבוהה מושגת בגובה נמוך. בטמפ' נמוכה. בלחות נמוכה.
צפיפות אוויר נמוכה מתקבלת בגובה גבוה. בטמפ' גבוהה. בלחות גבוהה.
מכאן חשיבות המושג "גובה צפיפות" (אותו למדת או תלמד במטאורולוגיה).
 
מהירות – העילוי גדל בריבוע המהירות.
 
מקדם העילוי - מקדם עילוי הוא מספר חסר ממדים המבטא את היחס שבין שטח הכנף, מהירות הטיסה,
צפיפות האוויר והעילוי. מקדם העילוי מושפע בעיקר מהפרופיל האווירודינמי וזווית ההתקפה של הכנף
והוא מושג באמצעות ניסוי.
 
זווית ההתקפה - (angle of attack-AOA), הזווית שבין משטח אווירודינמי מסוים - כנפיים, מייצב/הגה גובה,
לבין כיוון הרוח היחסית.
זווית התקפה נמדדת בין מיתר הכנף לבין כיוון הרוח היחסית.
 
מקדם העילוי תלוי בזווית ההתקפה. ככול שהזווית גדלה, גדל גם מקדם העילוי, עד אשר זרם האוויר יינתק
מהעקימון העליון והכנף תזדקר
 
דוגמה לשינוי מקדם העילוי כתלות בזווית ההתקפה עבור פרופיל כנף אופייני
 
 
הזדקרות – Stall - מושג באווירודינמיקה המתאר מצב של ניתוק זרימת האוויר מפרופיל הכנף, כלומר משטח
הכנפיים במטוס, במהלך טיסה, עקב זווית התקפה גדולה מדי. מצב זה גורם לירידה חדה בעילוי הפועל על הכנף.
 
 
זווית ההזדקרות – זווית ההתקפה בה ניתקת הזרימה מהכנף והמטוס מאבד את העילוי.
לכל פרופיל ישנה זווית אחת קבועה שבה הוא מזדקר. זווית זו אינה תלויה במהירות, במשקל, במקדם העומס,
בזווית ההטיה, במיקום מרכז העילוי ובמצב אף המטוס. גודל זווית ההזדקרות תלוי במשתנים השונים של פרופיל הכנף.
(במטוסים קלים בד"כ סביב °16).
 
 
מהירות ההזדקרות - קיים קשר הדוק בין זווית ההתקפה למהירות הטיסה. הפחתת מהירות הטיסה תדרוש זווית
התקפה גדולה יותר על מנת לשמור על אותה כמות עילוי. המהירות בה טס המטוס כאשר הוא בזווית ההתקפה
המרבית היא מהירות ההזדקרות. מהירות זו תלויה במשקל המטוס וכן בצפיפות האוויר.
מטוס שמיכלי הדלק שלו מלאים יזדקר במהירות גבוהה יותר מאשר מיכלי דלק ריקים.
צפיפות אוויר נמוכה כגון מז"א חם ולח ו/או טיסה בגובה רב, מעלים את מהירות ההזדקרות. (אך לא את המהירות המסומנת/מכשירית).
 
נוסחת העילוי
 
 
 
אבל L=W
ולכן
 
 
שים לב ! זווית ההזדקרות הינה קבועה. מהירות ההזדקרות – משתנה !
 
שני סוגי הזדקרות: 
1) ניתוק זרימה כולל ניתוק שכבת הגבול - מצב בו זרימת האוויר מתנתקת לגמרי מהמשטח עליו היא זורמת.
במצב זה גם שכבת הגבול מתנתקת לגמרי. זרימת אוויר חלקה מתחלפת במערבולות. הגרר (עליו נדון בפרק הבא)
עולה. אין עילוי והמטוס נופל.
2)  מצב שבו שכבת הגבול דבוקה עדיין למשטח  האווירודינמי והשאלה היא איך האוויר מתנהג בתוך שכבת הגבול.
במקרה זה, דווקא זרימה מערבולית בתוך שכבת הגבול מאפשרת הצמדות טובה יותר של השכבה למשטח .
מעבר לכך, זרימה מערבולית בתוך שכבת הגבול מקטינה את הגרר הכללי של המשטח.
 
תהליך ההזדקרות –
 
 
 
ככול שזווית ההתקפה גדלה, מרכז הלחץ נע קדימה ואילו הכוח השקול נוטה יותר ויותר לאחור. בהזדקרות הזרימה נשברת ומרכז
הלחץ נע שוב לאחור.
 
 
 
 
 
תמונת פרופיל אווירודינמי בתוך מנהרת רוח במצב של זווית התקפה גבוהה, הינתקות האוויר ויצירת מערבולות.
 
 
 
במהירות שיוט זווית ההתקפה הינה כ - °4. מרכז הלחץ ב – 35% לערך של המיתר. הכוח האווירודינמי מייצר
ברובו עילוי ומעט גרר. הגדלת זווית ההתקפה גורמת למרכז הלחץ לנוע קדימה וההזדקרות מתרחשת בד"כ
כאשר מרכז הלחץ מצוי ב – 25% לערך של המיתר.
ב - °16 זווית התקפה לערך מתרחשת ההזדקרות. רכיב העילוי קטן. הגרר גדל מאד ואילו מרכז הלחץ נע לאחור.
 
היחלצות מהזדקרות –
ביצוע פעולה להקטנת זווית ההתקפה –  דחיפת מוט היגוי קדימה והורדת האף.
 
מבנה כנף והזדקרות
ניתוק הזרימה מהכנף אינו בהכרח אחיד ובו-זמנית לאורך הכנף.
המבנה הגאומטרי של הכנף וזווית הפיתול שלה, מכתיבים תהליכי הזדקרות שונים על פי סוג הכנף.
להלן תמונת תהליכי הזקרות על כנפיים בעלות מבנים שונים:
ברוב רובם של אז"מ, מבנה הכנף הינו מלבני (B - בשרטוט).
יתרונה של כנף זו הינו שההזדקרות מתחילה משורש הכנף בעוד אזור המאזנות נקי עדיין מהזדקרות ומאפשר
לטייס שליטה בגלגול.
בכדי להתריע על התפשטות ההזדקרות לאזור המאזנות, מתקינים "מחבלי זרימה" בשליש המרחק משורש הכנף 
בשפת ההתקפה של הכנף (ראה כנף אז"מ סיירה). תפקיד ה"מחבלים" הינו ליצור מערבולות הגורמות רעידות
כנף ומשדרות לטייס שההזדקרות קרבה לאזור המאזנות ועליו לשחרר סטיק קדימה ולהקטין את זווית ההתקפה.
יתרון נוסף הינו הקטנת יעילות מייצב הגובה (מחמת הזרימה המערבולית המגיעה משורש הכנף) וכתוצאה
נפילת האף והקטנת זווית ההתקפה שלה.
(יוסבר בפרוט נוסף בפרק הגאי המטוס).
 
הזדקרות מטוס - מצב בו כנפי המטוס אינן מייצרות די עילוי כדי לאזן משקל המטוס. המטוס יפיל אף
(אם מרכז הכובד לפני מרכז העילוי - יוסבר בפרק מבנה המטוס) ויעבור להנמכה.
במצב טיסה אופקית, עילוי הכנף הוא המאזן את משקל המטוס.
במצבי טיסה אף מעלה או אף מטה, הרכיב האנכי של העלוי הוא המאזן את המשקל. כמו כן, במצב אף מעלה,
כוח המנוע מצטרף לרכיב העילוי ומסייע באיזון המשקל.
במצב אף 90 מעלות מעל או מתחת לאופק, רכיב העילוי האנכי הינו אפס ועל כן, אפילו אם הכנף הינה בזווית
הזדקרות וניתוק זרימה, המטוס לא יזדקר.
יכולתו להתמיד בטיסה כלפי מעלה תלוייה כולה בכוח המנוע.
 
הזדקרות - סרט הדרכה



 
עומס כנף –
 עומס כנף הוא היחס בין משקלו של מטוס לבין שטח הכנף שלו. היחס משפיע על קצב הטיפוס של המטוס,
יכולת נשיאת המטען וכושר התמרון.
עומסי כנף אופייניים במטוסים נעים מכ- 100 ק"ג למ"ר עבור מטוסים רגילים, עד לטווח של 585 ק"ג למ"ר
עבור מטוסים מהירים כמטוסי קרב מודרניים. הגבול הקריטי על מנת שציפור תוכל לעוף הוא כ-25 ק"ג למ"ר.
 
ספרת עומס/מקדם עומס כנף – מייצגת את עוצמת הכוח הפועל על המטוס.
N = ספרת העומס (לחילופין – G )
 L = עילוי
 W = משקל המטוס
בטיסה ישרה ואופקית L = W ולכן N = 1
בהמשך נלמד על מצבים בהם N שונה מ – 1.
 
הקשר בין מהירות ההזדקרות ומשקל המטוס –
נוסחת ספרת עומס כנף שלעיל מלמדת - ככול שגדל משקל המטוס נדרש עילוי רב יותר.
את תוספת העילוי ניתן להשיג ע"י הגברת המהירות ללא שינוי בזווית ההתקפה.
לחילופין ניתן להשיג תוספת עילוי ע"י הגדלת זווית ההתקפה ללא שינוי במהירות.
ניתן גם לשלב בין השניים – להגביר מהירות ולהגדיל זווית התקפה ובכך להשיג את שווי המשקל הנדרש.
 
אמצעים ועזרים לשיפור העילוי –
מגרף העילוי אנו למדים שניתן להפחית מהירות ולפצות על אובדן העילוי ע"י הגדלת זווית ההתקפה.
אלא שגם להגדלת זווית ההתקפה יש גבול שלאחריו תינתק זרימת האוויר מהכנף וזו תזדקר.
בעת גישה לנחיתה יש לנו עניין רב להפחית את מהירות המטוס ככול האפשר מאחר ונחיתה במהירות גבוהה
משמעותה צורך במסלול ארוך להשגת בלימה ועצירה.
לפיכך מציידים המטוס והכנף באמצעים ועזרים המשפרים את עילוי הכנף ובכך מאפשרים הרחקת זווית
ההזדקרות וגישה לנחיתה במהירויות נמוכות יותר.
 
מדפים - Flaps -  משטחים הנעים בחלקה האחורי של הכנף  - "מדפי שפת זרימה" או בחלקה הקדמי –
"מדפי שפת התקפה", משנים את הפרופיל האווירודינמי ע"י הערכת המיתר והגדלת העקימון ומתאימים
אותה למהירות נמוכה. כתוצאה גדל העילוי (ועמו גם הגרר).
תוספת הגידול בעילוי מגיעה לעתים ל- 30%. 
השימוש במדפים כשהם פרושים במלואם נעשה בעיקר לצורך נחיתה כדי להעניק למטוס מהירות הזדקרות
נמוכה יותר כך שמהירות הגישה לנחיתה תוכל להיות איטית יותר ועל  ידי כך לקצר המסלול הנדרש בנחיתה.
גם בהמראה נעשה שימוש במדפים, בד"כ רק שליש כי בתחום זה השיפור בעילוי עולה בהרבה על הגידול בגרר.
בעת הורדת מדפים, מרכז הלחץ נע אחורה ואף המטוס נוטה לעלות.
בעת הרמת מדפים, מרכז הלחץ נע קדימה ואף המטוס נוטה לרדת.
הורדת מדפים משפרת העילוי ומקטינה זווית ההתקפה הדרושה עבור אותה מהירות (ולכן נוריד אף מעט עם
הורדת מדפים).
הרמת מדפים מקטינה העילוי, גורמת שקיעת המטוס (ומחייבת הרמת אף).
הורדת מדפים מגדילה הגרר ומחייבת תוספת כוח מנוע (לצורך שמירת גובה).
הרמת מדפים מקטינה הגרר ומאלצת הפחתת כוח מנוע (לצורך שמירת גובה).
היחס בין עילוי לגרר משתנה ולכן :
יחס הגלישה קטן.
שעור ההנמכה גדל
זווית הטיפוס פוחתת.
שעור הטיפוס קטן
זמן שהייה מרבי פוחת.

 
 
 
 
·         מדפי קרוגר (Krüger flaps) - מדפים התלויים על שפת ההתקפה (הפרופיל הקדמי) של הכנף.
·         מדפים פשוטים (Plain flaps) - מדפים הנעים על ציר פשוט.
·         מדפים מתפצלים (Split flaps) - המשטח העליון והתחתון נפרדים. המשטח התחתון מתפקד כמו מדף
פשוט והמשטח העליון נשאר קבוע או שהוא נע מעט.
·         מדפי צייד (Fowler flaps) - המדפים מחליקים לאחור לפני שהם נוטים למטה ובכך מגדילים את שטח הכנף,
טוב עבור מהירויות נמוכות.
·         מדפים מחורצים (Slotted flaps) - חריץ (או רווח) בין המדף לכנף המאפשר לזרם האוויר להיצמד למדף
ולעכב את ההזדקרות.
·         מדפי נשיפה (Blown flaps) - מערכת הנושפת אוויר מהמנוע על גבי השטח העליון של המדף בזווית כזאת
שמשפרת את מאפין העילוי
 
 
מדפי שפת התקפה הם משטחים נעים בחלקו הקדמי של פרופיל הכנף והם מתפקדים בדיוק כמו המדפים
הרגילים הנמצאים בחלקה האחורי של הכנף (מדפי שפת זרימה), ואף בעלי אותה מטרה, הגדלת שטח הכנף,
על מנת להשיג עילוי רב יותר במהירויות נמוכות יותר. ההבדל בין שני סוגי המדפים הוא במיקומם על הכנף.
ההבדל בין מדפי שפת התקפה למדפי קרוגר הוא בצורה שבה הם נפרסים, אך תפקודם האווירודינאמי זהה.
סוגי מדפי שפת התקפה:
·         אוטומטיים- המדפים מקופלים בתוך שפת ההתקפה (הפרופיל הקדמי) של הכנף עד שהפחתת כוחות
אווירודינמיים מאפשרים להם להיפתח בעזרת קפיצים בשעת הצורך. סוג זה אופייני למטוסים קלים.
·         קבועים- המדפים פתוחים באופן קבוע. משתמשים בסוג זה בעיקר במטוסים הנדרשים לטוס במיוחד
במהירות נמוכה.
·         מונעים- פתיחת המדפים נשלטת על ידי הטייס באמצעות כוח מכאני, הידראולי או חשמלי. סוג זה נפוץ
במטוסי נוסעים.

 
 
 
אמצעים להצמדת שכבת הגבול –
הצמדת שכבת הגבול לכנף/משטח אווירודינמי מאפשרת הגדלת זווית ההתקפה המרבית.
אמצעים מקובלים הם לוחיות קטנות -  Vortex Generators - המחוברות לכנף המטוס ויוצרות מערבולות
 בזוויות התקפה גבוהות.
חריצים בשפת ההתקפה של המטוס.
קנרד – כנף קדמית קטנה שלפני הכנף הראשית ואשר בזוויות התקפה גבוהות שולחת מערבולות לתוך
שכבת הגבול.


 
 
Bookmark and Share
Back
האגודה לתעופה ספורטיבית  |   הגלבוע 11, ראשל"צ 75471    |   פקס:  03-6127993   |   טלפון: 03-6128946
לחץ כאן לעריכת טקסט לחץ כאן לעריכת טקסט לחץ כאן לעריכת טקסט לחץ כאן לעריכת טקסט לחץ כאן לעריכת טקסט לחץ כאן לעריכת טקסט לחץ כאן לעריכת טקסט

לחץ כאן לעריכת טקסט

לחץ כאן לעריכת טקסט

* טייסים ומבקרים נכבדים, ברצוננו להבהיר כי כל האמור ומוצע באתר זה (בכל העמודים), הינו לידיעה כללית בלבד, אין אנו אחראים לשימוש פרטי או מסחרי שיעשה בנאמר\מוזכר\הורדה \קישור באתר זה
 
אתר זה נבנה ומקודם בגוגל על ידי חברת מדיה גרופ