Λίγη θεωρία για το Ανεμόπτερο


[ Το ξεκίνημα ] - [ Πτήση στην πεδιάδα ] - [ Πτήση στην πλαγιά ]
[ Κατηγορίες ανεμοπτέρων ] - [ Kατηγορία F3J ]

 

 
Παλιοί και νέοι αερομοντελιστές έλκονται από τα ανεμόπτερα γιατί εντυπωσιάζονται από τις απλές και ωραίες γραμμές τους, ενώ ταυτόχρονα μαγεύονται από την επιβλητική ολίσθησή τους. Αλλωστε αυτά είναι και οι γνησιότεροι εκπρόσωποι του αερομοντελισμού.

Τα ανεμόπτερα όμως είναι αεροπλάνα χωρίς κινητήρα. Που βρίσκουν την ενέργεια για να πετάξουν;

Το ανεμόπτερο που βρίσκεται ψηλά έχει στατική ενέργεια που είναι ανάλογη της μάζας του και του ύψους του. Φυσικά δεν μπορεί να μείνει ακίνητο. Η έλξη της γης θα το αναγκάσει να κινηθεί.

Επειδή είναι αεροπλάνο δεν θα πέσει κατακόρυφα, σαν πέτρα, αλλά θα πετάξει με τους νόμους που διέπουν την πτήση, δηλαδή θα ακολουθήσει τροχιά που θα είναι ο συνδυασμός δύο κινήσεων: προς τα εμπρός και προς τα κάτω. Αυτή η τροχιά λέγεται ολίσθηση.

Η αρχική στατική ενέργεια του ανεμόπτερου μετατρέπεται σταδιακά σε κινητική ενέργεια. Η μείωση της στατικής του ενέργειας εμφανίζεται στον παρατηρητή σαν απώλεια του ύψους του.

Με άλλα λόγια, τα ανεμόπτερα πετούν πάντα κατερχόμενα στην μάζα του αέρα που τα περιβάλλει.

Πως μπορεί το ανεμόπτερο να πάρει το αρχικό του ύψος;

bulletΜε εκτίναξη (με το χέρι ή με λαστιχένιο καταπέλτη)
bulletΜε ρυμούλκηση (με τρέξιμο, βίντζι, αερορυμούλκηση)
bulletΜε βοηθητικό κινητήρα (οπότε λέγεται και μοτοανεμόπτερο)
bulletΜε άφεση από ψηλό σημείο (στο οποίο το έχουμε ανεβάσει εμείς π.χ. κορυφή λόφου)

Παρατήρησε ότι σε κάθε μία από τις παραπάνω περιπτώσεις ανύψωσης καταναλίσκεται κάποια ενέργεια που αποταμιεύεται στο ανεμόπτερο με την μορφή στατικής ενέργειας.

Τι είναι ο λόγος ολίσθησης;

Στα αεροπλάνα και ιδιαίτερα στα ανεμόπτερα δεν αναφερόμαστε στην γωνία της ολίσθησής τους σε μοίρες αλλά στην σχέση των πλευρών αυτής της γωνίας που ονομάζεται λόγος ολίσθησης. Ο λόγος ολίσθησης μας δείχνει την σχέση της απόστασης (του ίχνους) που καλύπτει το ανεμόπτερο ως προς το ύψος που χάνει σ' αυτή την διαδρομή. Αν καλύπτοντας απόσταση 150 μέτρων συγχρόνως χάσει ύψος 10 μέτρα, έχει λόγο ολίσθησης 15:1 ή απλά 15.

Συγκριτικά ένα ανεμόπτερο με λόγο ολίσθησης 12 μπορεί να καλύψει απόσταση - από το ίδιο ύψος - μόνο 120 μέτρα.

 

Πως αλλιώς εκφράζεται ο λόγος ολίσθησης;

Ο λόγος ολίσθησης ισούται με τον λόγο της Αντωσης (L) ως προς την Οπισθέλκουσα (D), δηλαδή L/D. Αυτό αποδεικνύεται εύκολα με τα όμοια τρίγωνα.

Στο σχήμα αριστερά φαίνονται οι τρείς δυνάμεις που ασκούνται στο ανεμόπτερο (Αντωση=L, Οπισθέλκουσα=D, Βάρος=W).

Στο σχήμα δεξιά αναλύεται το βάρος W σε δύο συνιστώσες, την W1 που έλκει το ανεμόπτερο και που είναι ίση και αντίθετη με την οπισθέλκουσα D, και την W2 που είναι ίση και αντίθετη με την Αντωση L. Δηλαδή W1 = D και W2=L

Η γραμμή του ορίζοντα είναι κάθετη με την συνισταμένη W, και η τροχιά ολίσθησης είναι κάθετη με την συνιστώσα W2. Αρα σχηματίζονται όμοια τρίγωνα και οι πλευρές τους είναι ανάλογες.

Αρα: Λόγος Ολίσθησης = W2/W1 = L/D = Cl/Cd

Τι είναι ο βαθμός καθόδου;

Αν διαιρέσουμε την απόσταση που κάλυψε με τον χρόνο που την κάλυψε παίρνουμε την ταχύτητα της οριζόντιας μετακίνησής του, δηλαδή την ταχύτητα ταξειδίου.

Αν αντίστοιχα διαιρέσουμε το ύψος που έχασε με τον χρόνο που έκανε να το χάσει, παίρνουμε την ταχύτητα της κατακόρυφης μετακίνησής του που ονομάζουμε βαθμό καθόδου.

Στον χώρο των αερομοντελιστών ο βαθμός καθόδου εκφράζεται σε μέτρα/δευτερόλεπτο (m/sec).

Τι ενδιαφέρει περισσότερο; Ο μεγάλος λόγος ολίσθησης ή ο μικρός βαθμός καθόδου;

Ανάλογα με την κατηγορία του ανεμόπτερου μπορεί να ενδιαφέρει είτε το ένα είτε το άλλο. Οταν τα τηλεκατευθυνόμενα ανεμόπτερα διαγωνίζονται για απόσταση, βασίζονται στον μέγιστο λόγο ολίσθησης, ενώ όταν διαγωνίζονται για διάρκεια, βασίζονται στον ελάχιστο βαθμό καθόδου. Στα μοντέλα ελεύθερης πτήσης μας ενδιαφέρει να πετύχουμε τον ελάχιστο βαθμό καθόδου, αδιαφορώντας για τον λόγο ολίσθησής τους.

Στο σχήμα βλέπουμε μία τυπική "πολική καμπύλη" αεροτομής. Στον κατακόρυφο άξονα (αριστερά) βρίσκεται ο συντελεστής άντωσης Cl, και στον οριζόντιο άξονα ο συντελεστής οπισθέλκουσας Cd.

  1. Στο σημείο 1, το ψηλότερο σημείο της καμπύλης, το φτερό πετάει με τον μεγαλύτερο συντελεστή άντωσης Cl max. Εχει μεγάλη γωνία προσβολής, μικρή ταχύτητα και χρειάζεται όλη την δυνατή ισχύ για να διατηρηθεί εν πτήσει (ισχύει και για τα ανεμόπτερα για λιγοστό χρόνο).

  2. Στο σημείο 2 το φτερό πετάει με τον μικρότερο βαθμό καθόδου Vs=min. Για να ισχύσει αυτό πρέπει ο λόγος Cl3/Cd2=max, δηλαδή το κλάσμα: ο κύβος του συντελεστή άντωσης ως προς το τετράγωνο του συντελεστή οπισθέλκουςας να είναι μέγιστο.

  3. Στο σημείο 3 το φτερό πετάει με τον καλύτερο λόγο ολίσθησης Cl/Cd = max. Το σημείο αυτό βρίσκεται και γραφικά, αν από το σημείο τομής των δύο αξόνων (σημείο 0) σύρουμε μία ευθεία εφαπτόμενη στην καμπύλη.

  4. Στο σημείο 4 το φτερό πετάει με την μεγαλύτερη οριζόντια ταχύτητα Vc = max. Για να ισχύσει αυτό πρέπει η οπισθκέλκουσα να είναι η ελάχιστη δηλαδή Cd = min. Πράγματι όπως φαίνεται το σημείο αυτό αντιστοιχεί στο αριστερότερο σημείο της καμπύλης.

  5. Στο σημείο 5 το φτερό πετάει με μηδενική άντωση Cl = 0. Αυτό συμβαίνει όταν το φτερό βρίσκεται στην γωνία προσβολής που δεν παράγει άντωση (συνήθως σε αρνητική γωνία προσβολής). Στην πράξη δεν μπορεί να κρατηθεί για πολύ σε αυτή την θέση, γιατί θα χάνει συνεχώς ύψος.

  6. Τέλος στο σημείο 6 το φτερό πετάει με τον μεγαλύτερο αρνητικό Cl, δηλαδή ανάστροφα.Το σημείο αυτό αντιστοιχεί στο χαμηλώτερο σημείο της καμπύλης.

Ποιός φυσικός παράγοντας μπορεί να επηρεάσει την πτήση του ανεμόπτερου;

Οταν φυσάει άνεμος το ανεμόπτερο θα ακολουθήσει μία τροχιά που θα είναι η συνισταμένη της πορείας του και της διεύθυνσης του ανέμου.

Οταν ένα ανεμόπτερο πετάει μέσα σε ένα ανοδικό, αν και ολισθαίνει με τον θεωρητικό βαθμό καθόδου του, θα ανέρχεται ταυτόχρονα με τον βαθμό ανόδου του ανοδικού. Ο τελικός βαθμός της κατακόρυφης μετακίνησης του ανεμόπτερου θα είναι το αλγεβρικό άθροισμα των δύο βαθμών.

  • Στην καλύτερη περίπτωση, αν το ανοδικό ανέρχεται γρηγορώτερα από ότι κατέρχεται το ανεμόπτερο, αυτό θα κερδίζει ύψος.
  • Αν το ανοδικό ανέρχεται με τον ίδιο βαθμό με τον οποίο κατέρχεται το ανεμόπτερο, αυτό θα διατηρεί το ίδιο ύψος
  • Αν το ανοδικό δεν είναι πολύ δυνατό, το ανεμόπτερο θα χάνει ύψος αλλά με μικρότερο βαθμό απ΄ότι ο θεωρητικός βαθμός καθόδου του.
Φυσικά αν το ανεμόπτερο βρεθεί μέσα σε καθοδικό, θα κατέρχεται πολύ γρήγορα, με βαθμό που θα ισούται με το άθροισμα των δύο βαθμών καθόδου.

Παρατήρησε τέλος, ότι τα θερμικά (ανοδικά) περισοιχίζονται απο καθοδικά ρεύματα, και ότι στην κορυφή του θερμικού έχει σχηματιστεί ένα σύννεφο.

Η επίδραση του βάρους

Οσο ελαφρύτερο είναι το ανεμόπτερο τόσο μικρότερες θα είναι και οι απαιτήσεις ενέργειας μέσα στον χρόνο για να πετάξει. Αυτό σημαίνει ότι το ελαφρύτερο ανεμόπτερο έχει μικρότερο βαθμό καθόδου και μπορεί να πετάξει περισσότερη ώρα.

Αν σε ένα ανεμόπτερο προσθέσουμε βάρος (έρμα), αυτό θα αποκτήσει μεγαλύτερη στατική ενέργεια, αλλά οι απαιτήσεις για πτήση είναι πολύ μεγαλύτερες και αναγκαστικά θα πετάει με μεγαλύτερη ταχύτητα δηλαδή θα αποκτήσει και μεγαλύτερη κινητική ενέργεια.

Ο λόγος ολίσθησης είναι ανεξάρτητος - δεν επηρεάζεται - από το βάρος του ανεμόπτερου. (Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να αλλάξει με ένα νέο τριμάρισμα).

Αν ο λόγος ολίσθησης παραμείνει ο ίδιος, εκτός από την ταχύτητα ταξιδίου (την οριζόντια συνιστώσα), θα αυξηθεί και η κατακόρυφη ταχύτητά του, δηλαδή ο βαθμός καθόδου του (η κατακόρυφη συνιστώσα).

Αρα η πτήση του βαρύτερου ανεμόπτερου έχει μικρότερη διάρκεια απ' ότι η πτήση του ίδιου χωρίς το έρμα. Γιατί λοιπόν βαραίνουμε ηθελημένα το ανεμόπτερο όταν φυσάει;

Εάν η ταχύτητα ταξιδίου του ανεμόπτερου είναι μικρότερη από την ταχύτητα του ανέμου, το ανεμόπτερο δεν θα μπορέσει ποτέ πετώντας κόντρα στον αέρα να διεισδύσει και να επανέλθει στο σημείο που είμαστε. Αν όμως βαρύνουμε το ανεμόπτερο και αποκτήσει μεγαλύτερη ταχύτητα ταξιδίου, αυτό θα μπορέσει να πετάξει κόντρα στον άνεμο με μεγαλύτερη ταχύτητα καλύπτοντας ταυτόχρονα και έδαφος.

Αν ταυτόχρονα τριμάρουμε το ανεμόπτερο με μικρότερη διαμήκη δίεδρο, για να αποκτήσει (ή να πλησιάσει) τον καλύτερο λόγο ολίσθησης, δεν θα χάσει τόσο γρήγορα το ύψος του γιατί ας μη ξεχνάμε ότι η άντωση είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας, και οι μοντέρνες αεροτομές αποδίδουν καλύτερα όταν πετούν σε μία συγκεκριμένη περιοχή γωνιών πρόσπωσης και πάνω από ένα συγκεκριμένο αριθμό Reynolds.

Διευκρίνηση

Οτι αναφέραμε για τα ανεμόπτερα ισχύουν προφανώς για όλα τα αεροπλάνα. Απλά, το ανεμόπτερο, με την ιδιατερότητά του, προσφέρεται για να γίνει η εξήγηση πιό κατανοητή.

 

[ Το ξεκίνημα ] - [ Πτήση στην πεδιάδα ] - [ Πτήση στην πλαγιά ]
[ Κατηγορίες ανεμοπτέρων ] - [ Kατηγορία F3J ]

 


 

Πρώτη σελίδα/Home Περιεχόμενα