22 listopada 2013

Nie dla orłów* - "Nośność".

Do napisania tego artykułu sprowokowała mnie dyskusja na grupie dyskusyjnej pl.rec.paralotnie dotycząca dosyć magicznego pojęcia "Nośności" skrzydła. Ja nie bardzo rozumiem co ten termin oznacza a większość pilotów wydaje się wiedzieć - choć mało kto potrafi to jakoś zdefiniować lub podać jednostkę fizyczna (taką z układu SI), być może udało by się wyrazić to, niewątpliwie egzystujące w środowisku pojęcie, za pomocą jakiejś innej, bardziej inżynierskiej abstrakcji?

Termin "nośność" w innych dziedzinach techniki (w/g wikipedii):
Nośność jest to pojęcie odnoszące się do możliwości przejęcia przez materiał, złącze lub konstrukcję obciążeń zewnętrznych - wytrzymałość materiałów, używane także dla określenia parametrów dopuszczalnego obciążenia (nośność wiaduktu lub mostu).

Określenie używane jest również w kontekście:
nośność statku - podstawowy parametr określający wielkość statku,
nośność podłoża gruntowego - rozumiane jako możliwość przejęcia obciążeń przekazywanych przez fundamenty na podłoże gruntowe


Idąc tym tropem, "nośność" powinna oznaczać maksymalną dopuszczalną masę podwieszona pod skrzydłem lub maksymalne obciążenie powierzchni ... ale nie oznacza (przynajmniej w moim rozumieniu 'powszechnego rozumienia' tego terminu). O ile dobrze interpretuję wypowiedzi pilotów posługujących się tym terminem, paralotnia posiadająca dużą "Nośność" powinna charakteryzować się łatwością wznoszenia (czy to na termice czy z silnikiem) się oraz łatwością odrywania się od ziemi (tutaj prośba o komentarz do Wiedzących, czy aby o to chodzi?).
W przypadku lotu silnikowego "łatwość" ową można określić jako odwrotność mocy napędu potrzebnej do oderwania się i wznoszenia (większa moc jest potrzebna - to mniejsza "nośność", wystarcza mniejsza moc - większa "nośność"). Czy też, aby bardziej precyzyjnie określić punkt badania "Nośności", z odwrotnością mocy potrzebnej do utrzymania paralotni w locie poziomym tak aby ani nie wznosiła się ani nie opadała. Należy tylko, zauważyć, że Moc Niezbędna do lotu różni się od Mocy Silnika produkującego ową moc, a powszechnie używaną wielkością fizyczna do określania tej różnicy jest Sprawność. Dlaczego Moc a nie Ciąg? Przede wszystkim dlatego, że tak jest wygodniej :-), Moc jest wielkością, która charakteryzują się praktycznie używane napędy (Ciąg byłby odpowiedni gdyby używać silnika rakietowego :-)). Ponadto Ciąg śmigła zmienia się z prędkością lotu. Drugim powodem, jest fakt, że minimalny Ciąg potrzebny do lotu jest przy Prędkości Optymalnej a minimalna Moc potrzebna do lotu przy Prędkości Ekonomicznej (mniejszej od Optymalnej) ... ale to może kiedyś ...


Moc jaką napęd przekazuje paralotni, w przypadku lotu poziomego, to siła Ciągu (pozioma) pomnożona przez prędkość paralotni (też poziomą). Ponieważ rozpatrujemy lot poziomy (jednostajny i prostoliniowy) to oznacza, że Siła Ciągu dokładnie równoważy Opory Aerodynamiczne a Siła Nośna dokładnie równoważy Ciężar. Problemem jest jednak to, że tak zdefinowana Moc jest zależna od dwóch zmiennych: Ciągu (równego oporom) i Prędkości. Spróbujmy wyrazić tą Moc za pomocą parametrów paralotni, możliwych do zmierzenia w locie ślizgowym.


Jeżeli paralotnia lecąć z pewną prędkościa potrzebuje do lotu poziomego w każdej sekundzie (lub innej jednostce czasu) pewna ilość Energii (Moc = Energia / Czas) to lecąć lotem ślizgowym z tą samą prędkością też rozprasza taką Energię (energię potencjalną ciężkości) w jednostce czasu - źródłem Energi jest wtedy Ciężar (przyciąganie ziemskie). Inaczej mówiąc Moc rozpraszana w locie ślizgowym to Ciężar (pionowy) pomnożony przez Opadanie** (pionowe). Czyli duża "Nośność" to małe Opadanie!

Całe to rozumowanie sprowadza się do mało odkrywczego ale chyba intuicyjnie łatwego do zaakceptowania, stwierdzenia, że aby paralotnia szybko i łatwo się wznosiła z napedem to musi mało opadać w locie ślizgowym (tak na marginesie: to wytłumaczenie jest też całkowicie zgodne z powszechnie przyjętą mechaniką lotu w innych dziedzinach lotnictwa). Jest chyba też oczywiste, że aby szybko wznosić się w kominie małe Opadanie też jest przydatne. Jedynym problemem pomiarowym jest zapewnienie tych samych warunków aerodynamicznych skrzydła w locie poziomym i w locie ślizgowym (czyli zapewnienie tego samego kąta natarcia - co przekłada się na taką samą prędkość) i obciążenia.

Zatem można by zdefinować "Nośność" przy zadanym obciążeniu (a może żeby nie myłiła się z innymi technicznymi nośnościami promować określenie "Unośność" lub "Wynośność") jako odwrotność Przędkości Opadania. Proponuje stosować jako jednostkę liczbę sekund potrzebnych na opadnięcie o 100 m wysokości, wtedy:

Opadanie 0.90 m/s odpowiada "Nośności" 111 [s /100 m]
Opadanie 0.95 m/s odpowiada "Nośności" 105 [s /100 m]
Opadanie 1.00 m/s odpowiada "Nośności" 100 [s /100 m]
Opadanie 1.10 m/s odpowiada "Nośności" 91 [s /100 m]
Opadanie 1.20 m/s odpowiada "Nośności" 83 [s /100 m]
Opadanie 1.30 m/s odpowiada "Nośności" 77 [s /100 m]
Opadanie 1.40 m/s odpowiada "Nośności" 71 [s /100 m]
Opadanie 1.50 m/s odpowiada "Nośności" 67 [s /100 m]

Prawda, że łatwe?

Przypomina to trochę sytuację z parametrem określającym zużycie paliwa:
  • w Polsce używana jest ilość litrów paliwa zużywana na 100 km
  • w krajach anglosaskich ilość mil, którą można przejechać spalając 1 galon paliwa.
Dlatego ja pozostanę przy Opadaniu ale nie mam nic przeciwko podawaniu nośności w [s/100m]

* - Ptaki drapieżne, w tym orły nie, posiadają prawdopodobnie zbyt rozwiniętego myślenia abstrakcyjnego, tym niemniej są przez ludzi (a szczególnie przez pilotów) podziwiane za umiejętności niezwykłego latania (bez machania skrzydłami) i funkcjonują w kulturze jako symbole wolności i odwagi.
** - Opadanie, to inaczej Prędkość Opadania [m/s]


6 komentarzy:

  1. Wszystko spoko, idąc tokiem twojego rozumowania, po co wyznaczać jakiekolwiek wzory, przecież wystarczy spojrzeć w tabelki producenta. Mamy opadanie dla min trymowej w m/s i już. Zajrzyjmy na stronę dudka. Nucleon opadanie dla trim37km/h=1,2m. Opadanie dla Hadrona dla trim38=1,2m/s. Czyli co ? "Wynośność-Unośność" mają taką samą ? Przy opadaniu może tak, ale w locie poziomym Nucleon potrzebuje o 15% wyższe obroty. Ile to mocy ? Nikt tego nie wie, bo nie ma jak tego zmierzyć domowymi sposobami Ale "ciąg-uciąg" łatwo zmierzyć, wystarczy napęd zapiąć do deskorolki, do tej dowiązać ucho wagi do bagażu i sprawdzić masę jaką wskaże przy tych samych obrotach. Wnikliwi mogą to samo powtórzyć na platformie ciężarówki poruszającej się z prędkością 38km/h. Czysta moc napędu nas nie interesuje. Do tego należy dodać by zagmatwać jeszcze bardziej sprawę, że to samo skrzydło potrzebuje różne obroty silnika lecąc pod wiatr i z wiatrem (choć ten jak twierdzi uriuk nie istnieje, bo skrzydło o nim nie wie). Czy to jest dla ciebie argumentem by jednak nazywać tę siłę ciągiem a nie mocą , a napędowcy mogli sobie stworzyć neologizm p.t. " nośne skrzydło" ?

    OdpowiedzUsuń
  2. Siłę nazywamy siłą (w Niutonach) a Moc (Siła x Prędkość) mocą (w Watach) ;-). Ciąg - siłę łatwo się mierzy na ziemi, ale Ciąg zmienia się (maleje) z prędkościa lotu i w locie już go tak łatwo nie zmierzysz (Moc rozporządzalna też maleje ale trochę wolniej - bo moc to Siła x Prędkość ;-)). Ponadto Moc niezbędna do lotu rośnie wraz ze zwrostem prędkości począwszy od prędkości ekonomicznej a Ciąg niezbędny do lotu najpierw maleje (aż do predkości optymalnej) a potem rośnie

    To rozumowanie już ktoś wcześniej przeprowadził i wykres mocy niezbędnej do lotu w funkcji prędkości jest używanym narzędziem w dużym lotnictwie (to zasadniczo to samo co biegunowa prędkości tylko "do góry nogami").

    Co do danych publikowanych przez producentow to, musieli by opublikować zbiór biegunowych dla różnych obciążęń powierzchni i z konkretnym modelem napędu, aby to miało sens ... ale przecież pomiar Opadania w warunkach atermicznych po wyłączeniu napędu jest prosty?

    Co do latania z wiatrem i pod wiatr to jedyny przypadek kiedy to może występować to lot na tak niskiej wysokości, że pilot (i śmigło) leci w powietrzu poruszajacym się z inna prędkościa niż skrzydło.

    OdpowiedzUsuń
  3. Nie wiem po co te domysły, przeliczenia ? Po prostu wepnij się w czyiś napęd, podepnij do tego jakiegoś samostatka i sprawdź to zjawisko organoleptycznie :)

    Szkoooda, że mieszkam 250km od Ciebie, użyczył bym ci swój.
    Niestety, nie mam możliwości logowania obrotów silnika, ale fakt wciskania napędu w ziemię przy odwróceniu się do lotu z wiatrem jest, niezaprzeczalny.

    p.s. Również się zgodzę że nie ma nic prostszego niż pomiar opadania przy zgaszonym silniku. Ale producent już to dla średniego obciążenia danego zakresu zrobił. No i powstały tabelki, te którymi możemy się w ciepełku domowym posłużyć.
    Natomiast burzę mózgów dodatkowo wzmaga to, że 20 metrowy bije na głowę zapotrzebowaniem na obroty ten 27 metrowy, choć te powinny przy niemal tej samej prędkości opadanie wg producenta mieć takie samo. Na domiar tego ten 20 metrowy jest w maksimum swojego zakresu wagowego określonego przez producenta, gdzie dla 27 metrowego jest 10kg zapasu.
    Zatem czy to zjawisko jest mierzalne ? Nie wiem.
    Natomiast jeśli kłuje cię w oczy określenie "nośności" zmieńmy je na na współczynnik zajebistości skrzydła :)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Ja wolę w opisie latania posługiwać się pojęciami, które dają się zdefinować na gruncie znanej nauki ;-)

      Usuń
  4. Do czego dążę. Ano do tego, że to zjawisko trudno "zmierzyć" wyznaczając sobie jednoznaczny wskaźnik jaki Ty sugerujesz w swoim wpisie. Zależnie od profilu skrzydła potrafią się z nim dziać różne rzeczy wtedy gdy leci na wprost i wtedy kiedy się wznosi, lub kiedy opada. To właśnie z tego powodu swobodne ostre enC podpięte do napędu, lecąc przed siebie okazuje się być tępe i niemrawe, cholernie i nienaturalnie twarde na sterówkach,a swój pazur pokazuje dopiero wtedy, gdy odpuścimy gaz i damy mu opadać. Zapewne prędzej byśmy doszli do sensownego wniosku wyliczając jakieś złożone współczynniki oporu danego profilu dla poszczególnych kątów natarcia. Wyliczanie zapotrzebowania na obroty w locie poziomym na podstawie opadania w locie swobodnym wydaje się drogą zbyt mocno idącą na skróty. Co z resztą na podstawie Nucleona i Hadrona z tej samej stajni sądzę udowodniłem.
    Zajebistość skrzydła możemy też próbować określić czymś innym (skoro nawiązałeś do spalania). Ilością paliwa potrzebnego do przelecenia 100km (dla danej masy startowej i określonej prędkości średniej). Moje skrzydło "spala" od 7,2 do 8 l/100km przy prędkościach od 40 do 60km/h przy masie startowej ~120kg.. I lepszego jak dotąd nie miałem. Oczywiście pojawia się cały szereg zmiennych w postaci śmigieł, regulacji gaźnika, rodzaju silników... ale o to w tym wszystkim właśnie chodzi, że jest tego tak duuużo, że "nośność skrzydła" zdaje się być tak abstrakcyjnym określeniem, iż szkoda na nie więcej strzępić sobie palców i nauczyć się z nim żyć ;)


    zdrowia !

    OdpowiedzUsuń
  5. Przede wszystkim, dziękuje za komentarze!

    Moim celem jest wyjaśnianie zjawisk w locie na gruncie inżyniersko-fizycznym a nie bazując na "lotniczych opowieściach". Tak, aby np. optmalizacja zużycia paliwa (czy innych parametrów lotu) mogła przebiegać z użyciem kalkulatora z nie na postawie "czucia powietrza" i "trudnego do określenia wyczucia".

    Żeby coś udowodnić to potrzeba coś więcej nić przeczytanie w danych producenta, że 2 skrzydła mają takie samo opadanie :-)

    Poza tym, "zajebistość" zarezerwował bym dla "subiektywnej oceny wielu parametrów pilotarzowych", a "Moc niezbędna do lotu poziomego" (= Ciężąr * Opadanie) lub "Ciąg niezbędny do lotu poziomego (= Cieżar / Doskonałość)" to dobrze zdefinowane wartości fizyczne.

    Pozdrawiam
    Ziółek

    OdpowiedzUsuń