Ingen kan förklara varför flygplan stannar i luften

Einstein fortsatte sedan med att ge en förklaring som antog en komprimerbar, friktionsfri vätska – det vill säga en ideal vätska. Utan att nämna Bernoulli vid namn gav han en redogörelse som överensstämmer med Bernoullis princip genom att säga att vätsketrycket är större där dess hastighet är långsammare och vice versa. För att dra nytta av dessa tryckskillnader föreslog Einstein en bägare med en utbuktning ovanpå så att formen skulle öka luftflödeshastigheten ovanför utbuktningen och därmed minska trycket också där.

Einstein trodde troligen att hans ideal- vätskeanalys skulle gälla lika bra för verkliga vätskeflöden. År 1917, på grundval av sin teori, designade Einstein en flygplatta som senare blev känd som en kattrygg-vinge på grund av dess likhet med en knäckande ryggkatt. Han tog designen till flygplanstillverkaren LVG (Luftverkehrsgesellschaft) i Berlin, som byggde en ny flygmaskin runt den. En testpilot rapporterade att båten vacklade i luften som ”en gravid anka.” Mycket senare, 1954, kallade Einstein själv sin utflykt till flygteknik för en ”ungdomlig dårskap.” Individen som gav oss radikalt nya teorier som trängde igenom både de minsta och de största komponenterna i universum lyckades ändå ge ett positivt bidrag till förståelsen för lyft eller att komma med en praktisk flygplansdesign.

Mot a Complete Theory of Lift

Samtida vetenskapliga tillvägagångssätt för flygplansdesign är provinsen för beräkningsfluidadynamik (CFD) -simuleringar och de så kallade Navier-Stokes-ekvationerna, som tar full hänsyn till den faktiska viskositeten i riktig luft . Lösningarna för dessa ekvationer och resultatet av CFD-simuleringarna ger förutsägelser om tryckfördelning, luftflödesmönster och kvantitativa resultat som ligger till grund för dagens mycket avancerade flygplandesign. Ändå ger de inte i sig en fysisk, kvalitativ förklaring till lyft.

De senaste åren har dock den ledande aerodynamikern Doug McLean försökt gå utöver ren matematisk formalism och komma till rätta med den fysiska orsaken- och effektförhållanden som står för lyft i alla dess verkliga manifestationer. McLean, som tillbringade större delen av sin yrkeskarriär som ingenjör på Boeing Commercial Airplanes, där han specialiserade sig på CFD-kodutveckling, publicerade sina nya idéer i 2012-texten Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Med tanke på att boken går till mer än 500 sidor med ganska tät teknisk analys, är det förvånande att se att den innehåller ett avsnitt (7.3.3) med titeln ”En grundläggande förklaring till lyft på en flygplatta, tillgänglig för en icke-teknisk publik.” Att producera dessa 16 sidor var inte lätt för McLean, en mästare av ämnet, det var faktiskt ”förmodligen den svåraste delen av boken att skriva”, säger författaren. ”Det såg fler revideringar än vad jag kan räkna. Jag var aldrig helt nöjd med det.”

McLeans komplexa förklaring av lyft börjar med det grundläggande antagandet av all vanlig aerodynamik: luften runt en vinge fungerar som ”en kontinuerligt material som deformeras för att följa flygplanets konturer. ” Den deformationen existerar i form av ett djupt flöde av vätskeflöde både över och under vingen. ”Flygbladet påverkar trycket över ett stort område i det som kallas ett tryckfält,” skriver McLean. ”När lyft produceras bildas alltid ett diffust moln med lågt tryck ovanför flygbladet, och ett diffust högtrycksmoln bildas vanligtvis under . Där dessa moln vidrör flygbladet utgör de den tryckdifferens som utövar lyft på flygbladet. ”

Vingen skjuter luften nedåt, vilket resulterar i en nedåtgående svängning av luftflödet. Luften ovanför vingen påskyndas i enlighet med Bernoullis princip. Dessutom finns det ett område med högt tryck under vingen och ett område med lågt tryck ovanför. Detta innebär att det finns fyra nödvändiga komponenter i McLeans förklaring av lyft: en nedåtgående vridning av luftflödet, en ökning av luftflödets hastighet, ett område med lågt tryck och ett område med högt tryck.

Men det är samspelet mellan dessa fyra element som är den mest nya och distinkta aspekten av McLeans berättelse. ”De stöder varandra i en ömsesidig orsak-och-effekt-relation, och ingen skulle existera utan de andra”, skriver han. ”Tryckskillnaderna utövar lyftkraften på flygplanet medan flödet vänds nedåt och förändringarna i flödeshastighet upprätthåller tryckdifferenserna.”Det är denna inbördes relation som utgör ett femte element i McLeans förklaring: ömsesidigheten mellan de andra fyra. Det är som om dessa fyra komponenter kollektivt förvärvar sig själva och upprätthåller sig själva genom samtidiga handlingar av ömsesidig skapande och orsakssamband.

Det verkar finnas en antydan till magi i denna synergi. Processen som McLean beskriver verkar likna fyra aktiva agenter som drar i varandras stövlar för att hålla sig i luften kollektivt. Eller, som han erkänner, är det ett fall av ”cirkulär orsak och verkan.” Hur är det möjligt för varje element i interaktionen att upprätthålla och förstärka alla andra? Och vad orsakar denna ömsesidiga, ömsesidiga, dynamiska interaktion? McLeans svar: Newtons andra rörelselag.

Newtons andra lag säger att accelerationen av en kropp eller ett vätskepaket är proportionell mot kraften som utövas på den. ”Newtons andra lag säger oss att när en tryckdifferens påför en nettokraft på ett vätskepaket måste den orsaka en förändring av hastigheten eller riktning (eller båda) av paketets rörelse, ”förklarar McLean. Men ömsesidigt beror tryckskillnaden på och existerar på grund av paketets acceleration.

Får vi inte något för ingenting här? McLean säger nej: Om vingen var i vila skulle ingen del av detta kluster av ömsesidigt förstärkande aktivitet existera. Men det faktum att vingen rör sig genom luften, med varje paket som påverkar alla de andra, bringar dessa medberoende element till existens och upprätthåller dem under hela flygningen.

Slår på ömsesidigheten hos hissen

Strax efter publiceringen av Understanding Aerodynamics insåg McLean att han inte helt hade redogjort för alla element i aerodynamisk lyft, eftersom han inte på ett övertygande sätt förklarade vad som orsakar att trycket på vingen ändras från omgivningen. Så i november 2018 publicerade McLean en tvådelad artikel i The Physics Teacher där han föreslog ”en omfattande fysisk förklaring” av aerodynamisk lyft.

Även om artikeln i stor utsträckning återger McLeans tidigare argument, är det försöker också lägga till en bättre förklaring av vad som orsakar att tryckfältet är ojämnt och antar den fysiska form som det gör. I synnerhet introducerar hans nya argument en ömsesidig interaktion på flödesfältnivån så att det icke-enhetliga tryckfältet är ett resultat av en applicerad kraft, den nedåtgående kraften som utövas på luften av flygplanet.

Huruvida McLeans avsnitt 7.3.3 och hans uppföljningsartikel lyckas med att tillhandahålla en fullständig och korrekt redogörelse för lyft är öppen för tolkning Det finns anledningar till att det är svårt att skapa en tydlig, enkel och tillfredsställande redogörelse för aerodynamisk lyft. För det första är vätskeflöden mer komplexa och svårare att förstå än rörelserna från fasta föremål, särskilt vätska flöden som separerar vid vingens framkant och utsätts för olika fysiska krafter längs toppen och botten. Några av tvisterna angående lyft handlar inte om själva fakta utan snarare om hur dessa fakta ska tolkas, vilket kan innebära frågor som är omöjliga att avgöra genom experiment.

Ändå finns det just nu några utestående frågor som kräver förklaring. Lyft är, som ni kommer ihåg, resultatet av tryckskillnaderna mellan den övre och nedre delen av en flygplatta. Vi har redan en godtagbar förklaring till vad som händer i botten av en bägare: den mötande luften trycker på vingen både vertikalt (producerar lyft) och horisontellt (producerar drag). Det uppåtgående trycket existerar i form av högre tryck under vingen, och detta högre tryck är ett resultat av enkel newtonsk handling och reaktion.

Det är dock helt annorlunda på toppen av vingen. Det finns ett område med lägre tryck som också är en del av den aerodynamiska lyftkraften. Men om varken Bernoullis princip eller Newtons tredje lag förklarar den, vad gör det? Vi vet från strömlinjeformat att luften ovanför vingen fäster nära den nedåtgående krökningen av bägaren. Men varför måste luftpaketen som rör sig över vingens övre yta följa dess nedåtgående krökning? Varför kan de inte skilja sig från det och flyga rakt tillbaka?

Mark Drela, professor i vätskedynamik vid Massachusetts Institute of Technology och författare till Flight Vehicle Aerodynamics, erbjuder ett svar: ”Om paketen tillfälligt flög av tangent till flygplattans övre yta, det skulle bokstavligen skapas ett vakuum under dem, ”förklarar han.” Detta vakuum skulle sedan suga ner paketen tills de oftast fyller i vakuumet, dvs tills de rör sig tangent till flygplanet igen . Detta är den fysiska mekanismen som tvingar skiften att röra sig längs flygplansformen. Ett litet partiellt vakuum återstår för att hålla paketen i en krökt bana. ”

Att dra bort eller dra ner luftpaketen från sina angränsande paket ovan är det som skapar området med lägre tryck ovanpå vingen.Men en annan effekt åtföljer också denna åtgärd: den högre luftflödeshastigheten ovanpå vingen. ”Det minskade trycket över en lyftvinge” drar också horisontellt ”på luftpaket när de närmar sig uppströms, så de har högre hastighet när de kommer över vingen”, säger Drela. ”Så den ökade hastigheten ovanför lyftvingen kan ses som en bieffekt av det reducerade trycket där. ”

Men som alltid, när det gäller att förklara lyft på en icke-teknisk nivå, kommer en annan expert att få ett annat svar. Cambridge aerodynamiker Babinsky säger, ”Jag hatar att vara oense med min uppskattade kollega Mark Drela, men om skapandet av ett vakuum var förklaringen, är det svårt att förklara varför ibland flödet ändå skiljer sig från ytan. Men han har rätt i allt annat. Problemet är att det inte finns någon snabb och enkel förklaring. ”

Drela medger själv att hans förklaring på vissa sätt är otillfredsställande.” Ett uppenbart problem är att det inte finns någon förklaring som kommer att accepteras allmänt ,” han säger. Så var lämnar det oss? I själva verket precis där vi började: med John D. Anderson, som sade: ”Det finns inget enkelt svar på detta.”