Miten nostovoima syntyy?
Idea tämän artikkelin kirjoittamiseen tuli erään sanomalehden kysy-palstalla esitetystä kysymyksestä. Lukijalle oli opetettu, että lentokone pystyy lentämään ilmassa siipensä muotoilun ansiosta. Kun siiven yläpinta on kaareva, ilma kulkee yläpinnalla pitemmän matkan kuin alapinnalla, minkä ansiosta ilma harvenee siiven yläpuolella alapuoleen verrattuna. Tästä seuraa paine-ero, joka nostaa siipeä ylöspäin. Monilla koneilla on kuitenkin lennetty ylösalaisin pitkiä aikoja. Miten se on mahdollista?
Usein tietokirjoissakin esitetty populaariteoria nostovoiman synnystä on niin paljon yksinkertaistettu, että sen voidaan sanoa olevan suorastaan väärä. Väitetään, että kuuluisa unkarilais-amerikkalainen tieteilijä Theodore von Kármán (1881-1963) olisi opettanut apulaiselleen, että puhuttaessa asiasta teknisesti oppimattomalle yleisölle, on parasta turvautua uskottavaan valheeseen vaikean totuuden sijaan.
Nostovoiman populaariteoria (Bernoullin laki)
Populaariteoriassa mainittu paine-ero siiven ylä- ja alapinnan välillä on sinänsä totta ja siipeen vaikuttava voima voidaan laskea paine-eron ja siipipinta-alan avulla oikein, siis jos painejakauma tiedetään. Paine-eron synty selitetään Bernoullin lailla. Ajatuksena on, että siiven yläpinnalla nopeammin kulkeva ilmavirta aiheuttaa alipaineen, joka imee siipeä ylöspäin. Ilmavirran nopeutuminen taas selitetään sillä, että ilman molekyylien täytyy kulkea siiven yläpinnalla pidempi matka kuin alapinnalla, jotta etureunassa erilleen joutuneet molekyylit kohtaisivat takareunalla. Teorian virhe on juuri tässä: ei ole mitään syytä siihen, että samojen molekyylien olisi oltava vierekkäin sekä etu- että takareunan kohdalla.
Bernoullin laki on toki hyvä ja moniin tilanteisiin oikea malli, mutta on liikaa yksinkertaistettu, että pelkästään siiven ylä- ja alapinnan pituuseron perusteella voitaisiin laskea siiven ylä- ja alapinnan virtausnopeudet oikein.
Miten nostovoima sitten syntyy?
Pitää paikkansa, että virtausnopeuden kiihtyessä paine pienenee siiven pinnalla. Tämä pätee myös toisinpäin: virtausnopeuden hidastuessa paine kasvaa. Siiven ylä- ja alapinnan virtausnopeuksiin vaikuttavat kuitenkin muutkin tekijät kuin vain siiven poikkileikkauksen muoto (eli siipiprofiili), ennen kaikkea siiven asento ilmavirtaukseen nähden eli ns. kohtauskulma, ja kitka. Siipiprofiilin muodolla on toki suuri vaikutus nostovoimaan ja vastukseen. Nostovoiman yhteydessä pitäisi tarkkaan ottaen puhua aina myös vastuksesta, mutta jätetään tämä seikka nyt vain tähän mainintaan.
Silloin kun nostovoimaa syntyy, siiven yläpinnalla virtausnopeus on todellisuudessa suurempi ja alapinnalla pienempi kuin mitä edellä mainitun populaariteorian soveltaminen antaisi tulokseksi. Asian voi hahmottaa kuvittelemalla siiven ympärille etureunasta takareunaan suuntautuvan virtauksen lisäksi pyörivän komponentin: siiven poikkileikkauksen ympäri pyörivän suuren pyörteen, joka kiihdyttää virtausta siiven yläpinnalla ja hidastaa virtausta alapinnalla.
Silloin, kun laskennassa käytetään todellisia virtausnopeuksia, paine-erot voidaan laskea oikein (tai ainakin melko tarkkaan) Bernoullin lain avulla, tosin sillä rajoituksella, että Bernoullin laki soveltuu vain suhteellisen pienille, selvästi äänen nopeutta pienemmille nopeuksille.
Pyörteen olemassaolo ei vastaa arkikokemusta, eikä sitä voi normaalioloissa nähdä, mutta sen avulla voi selittää todelliset virtausnopeuksien ja paineiden erot sekä todellisuudessa syntyvän nostovoiman suuruuden. Sen avulla myös poikkileikkaukseltaan epäedullisen muotoinen siipi, vaikka tasolevy, voi kehittää nostovoimaa.
Silloinkin kun siipi asetetaan virtaukseen ylösalaisin, mutta sen asento ilmavirtaukseen asetetaan sopivaksi, eli käytetään riittävän suurta kohtauskulmaa, se voi synnyttää nostovoimaa. Ylösalaisin ollessaan siiven ns. maksiminostovoimakerroin on kuitenkin huonompi (eli pienempi) kuin oikein päin. Myös lentokoneen asento selkälennossa on aivan toisenlainen kuin oikeinpäin. Normaalissa vaakalennossa koneen runko on melko tarkoin vaakasuorassa, mutta selkälennossa lentokoneen nokka on nostettava selkeästi horisontin yläpuolelle, jotta siiven kohtauskulma olisi riittävän suuri nostovoiman aikaansaamiseksi.
Toinen populaariteoria (Newtonin mekaniikka)
Kokonaan toinen mahdollinen ja ehkä kaikkein yksinkertaisin tapa hahmottaa nostovoiman synty on ajatella, että sopivassa kulmassa ilmavirtaan nähden oleva siipi taittaa virtausta alaspäin. Siipi kohdistaa ilmamassaan voiman, joka pakkaa ilmamassaa alaspäin ja tämän voiman vastavoimana siipeen kohdistuu nostovoima. Tämän voi kuvitella arkijärjellä ja vaikka kokeilla asettamalla kätensä ilmavirtaan. Teoria on kyllä Newtonin lakien mukainen mutta puutteellinen siksi, ettei se kerro taustalla olevista aerodynaamisista ilmiöistä oikeastaan mitään.
Lopuksi voidaan kuitenkin todeta, että on hyödytöntä kiistellä siitä, kumpi oli oikeassa. Kumpikin oli oikeassa, vaikka ei heistä kumpikaan tainnut ajatella lentokoneita teorioita miettiessään. Yhtä hyödytöntä on kiistellä siitä, mikä ilmiö ”käynnistää” nostovoiman syntymisen. Kaikki nostovoiman syntyyn liittyvät, tässä artikkelissa mainitut ilmiöt ovat keskinäisessä syy-seuraussuhteessa, eli yhtä ei syntyisi ilman toisia. Ajatuksena nostovoiman synty voidaan selittää ja laskea siiven pinnan virtausnopeuksien ja paineiden tai virtauksen alas taittumisen kautta, mutta näiden suureiden selville saaminen ei käy aivan suoraviivaisesti.
Populaariteoria
Se alussa mainittu uskottava valhe on siinä, että populaariteoria on liikaa yksinkertaistettu. George E. P. Boxin sanoja lainaten voidaan sanoa, että pohjimmiltaan kaikki mallit ovat vääriä, mutta jotkut ovat hyödyllisiä.
