4. Wpływ wirów za samolotem na struktury na ziemi
W rozdz. 2 rozważyłem dość dokładnie kwestię
palenia i burzenia hipotetycznych struktur przez strugi PLF101 lecącego
koło 'pancernej' brzozy. Okazało się, że strugi nie są groźne ani
termicznie, ani mechanicznie.
Zwróćmy się jeszcze do fizyki z czwartym pytaniem, czy
'downwash' lub wiry koncówkowe (wingtip vortices) bardzo nisko lecącego
samolotu mogą spowodować przewrócenie lub zniszczenie komórki, domku
drewnianego, czy czegoś podobnego?
Podam najprostsze obliczenie, ale uprzedzam,
ze nie uwzglednia ono tego, ze wir tupolewa jest nie pojedynczym wirem
koncowkowym tylko jest suma wirow zrzucanych na duzej dlugosci skrzydla.
nie uwzglednia ono tez efektu gruntowego. tu jednak zalezy nam na
szybkiej i przyblizonej odpowiedzi, nie wymagajacej szczegolowych
rachunkow, takich jakie moze opisze pozniej. bedzie to odgorne
oszacowanie charakterystycznych predkosci powietrza wzbudzanych w
rozsadnej odleglosci 10 m od liniowego wiru koncowego, ktory w tym
uproszczonym modelu zastepuje wszystkie indywidualne wiry skosnego
skrzydla tupolewa. zaczne od wyprowadzenia prawa Kutty-Zukowskiego (jest
to poprawny dowod heurystyczny, czyli taki troche na skroty). na koniec
przetlumacze to oszacowanie na nadcisnienie dynamiczne i wtedy ocenimy
na ile moze byc destrukcyjne.
Wezmy kawalek skrzydla nie skosnego o dlugosci
Δy (uprzedzalem, ze bedzie to uposzczony opis skrzydla, maksymalizujacy
wzbudzone pole predkosci, stad proste skrzydlo). niech V = v + δv
bedzie predkoscia powietrza przy gornej powierzchni skrzydla, zas V = v
(predkosc samolotu) predkoscia powietrza na dolnej powierzchni skrzydla.
Cyrkulacja Γ, czyli calka liniowa z predkosci
powietrza wzdluz zamknietej drogi calkowania wiodacej dokola profilu
skrzydla, to mniej wiecej szerokosc skrzydla, s , razy roznica predkosci
na gorze i na dole,
Γ = s δv
Siła nośna ΔF to pole powierzchni skrzydla
s*Δy, razy roznica cisnien, ktora wezmiemy ze slynnego rownania
Bernoulliego, p/ρ + (1/2) V2 = const. , mowiacego ze im szybszy przeplyw, tym mniejsze cisnienie.
Δp= (1/2) ρ Δ(V2),
gdzie ρ jest gestoscia powietrza, a Δ(V2) = (v + δv)2 - v2 jest roznica kwadratu predkosci na gorze i na dole profilu. mamy wiec, po pominieciu malego (δv)2
ΔF = ρ s Δy v δv = Γ v ρ Δy, czyli innymi slowy
ΔF/Δy = Γ v ρ.
To właśnie zapowiadane twierdzenie o sile
nośnej i cyrkulacji opływu wokół skrzydła, leżące u podstaw lotnictwa.
Zostalo odkryte niezależnie przez Kutte i Żukowskiego w pierwszej
dekadzie 20-go wieku. Mówi, że siła nośna na jednostkę długości skrzydła
(ΔF/Δy) to cyrkulacja Γ pola prędkości wokół profilu razy gęstość
powietrza, razy prędkość samolotu.
Mamy Γ = v ρ ΔF/Δy. jesli wstawimy tu za Δy
rozpietosc y skrzydel tupolewa, a za siłę nośną ΔF cały jego ciężar
równy W razy 1.3 (takie bylo rejestrowane przeciążenie w okolicach
brzozy, 1.3g), to dostaniemy oszacowanie cyrkulacji wiru równoważnego
pod wzgleędem siły nośnej jego skrzydlom w interesujacym nas momencie:
Γ = 1.3 W/(v ρ y).
Wiedząc, że ten sam wir odpowiedzialny za F
zagina sie i jest zrzucany na koncu skrzydla jako dwa wiry koncowkowe,
od razu rozumiemy, ze downwash zwiazany z sila nosna i downwash od wiru
koncowkowego sa podobnej wielkosci. do oceny tych zaburzen predkosci pod
samolotem wystarczy wiec jedno oszacowanie.
pole predkosci powodowane przez prostoliniowy
nieskonczony wir to v(r) = Γ /(2 π r), w odleglosci od wiru rownej r.
chcemy teraz dostac oszacowanie na vrot, tj. ile km/h wieje
wiatr w kierunku od samolotu, w wirze koncowkowym w punkcie oddalonym o r
= 10 m od konca skrzydla. (biore 10 m, czyli 0.3 rozpietosci skrzydla, a
nie jakas mniejsza wartosc, aby uniknac zupelnie sztucznego zawyzonego
wyniku w przypadku zblizenia sie do osobliwosci wiru liniowego. w
istocie bowiem ten wir to nie jest wir liniowy tylko warstwa wirowa
(vortex sheet) zlozona z wielu konkurujacych ze soba wirow, co w
rzeczywistosci wspaniale eliminuje osobliwe zachowanie predkosci w
poblizu linii naszego wiru).przyczynia sie do tego dodatkowo skos
skrzydla (delto-ksztaltnosc).
vrot(r) = Γ /(4 π r)
(roznica wspolczynnikow 2 wczesniej i 4 teraz bierze
sie stad, ze wir koncowkowy nie jest nieskonczony tylko
pol-nieskonczony, stad pol predkosci pod linia skrzydla).
vrot = 1.3 W/(4 π r v ρ y)
poniewaz 1.3 W ~ 102 ton sily ~ 1000 kN, wiec
vrot = 1000 kN/(4 * 3.14 * 75 m/s * 1.28 kg/m3 * 10 m) = 82 m/s
pamietajmy, ze to bylo zawyzone oszacowanie
predkosci w wirze od prostoliniowego skrzydla, ktore zrzuca tylko dwa
wielkie wiry. w rzeczywistosci, sidewash/downwash od wiru koncowkowego
pewnie nie przekroczy vrot ~ 50 m/s, a wiec dzialajac na jakis przedmiot nie wywola na nim cisnienia dynamicznego wiekszego, niz
p = (1/2) ρ vrot2 = 0.5*1.28*502 N/m2 = 1600 N/m2 = 0.016 atm
* * *
czy jest to duze nadcisnienie? nie.
w praktyce wyburzania przy uzyciu eksplozji, a
wiec fal uderzeniowych, nie dajacych szansy na wyrownanie cisnienia w
trakcie narastania cisnienia po jednej stronie sciany, drzwi lub okna,
takie cisnienie byloby nie destruktywne, ale tez nie duzo mniejsze od
potencjalnie destruktywnego. uwaza sie, ze do zniszczenia szyby szklanej
potrzeba nadcisnienia 0.02...0.07 atm, do zburzenia lekkiej scianki
dzialowej 0.07 atm, do zburzenia porzadnej, nieobciazonej sciany
ceglanej 0.10-0.15 atm. niestety nie znalazlem oceny wytrzymaloci malej
budki. moge ocenic, ze jest tez rzedu ~0.1 atm nadcisnienia, bo drewno
nie kruszy sie tak jak sciana z cegiel i w istocie znaczni lepiej
przenosi naprezenia zwiazane np. z trzesieniami ziemi. mieszkalem kiedys
w domku z redwoodu, poddanego czestym wstrzasom - nic mu sie nigdy nie
stalo.
jednak w naszym przypadku nadcisnienie nie
przyszlo z fala uderzeniowa, a naroslo dosc wolno wraz z przesuwajacym
sie bardzo przeciez poddzwiekowo samolotem. slabo zbita komorka
przepuszcza powietrze i pozwala na czesciowe wyrownanie cisnien. wniosek
stad, ze oszacowane nadcisnienie dynamiczne powodowane przez wirujace
za samolotem powietrze (~0.02 atm) nie moze w zaden sposob zburzyc domku czy latryny. jest mozliwe, ze potlucze w takiej budowli szyby (jesli przeplyw indukowany przez skrzydlo bedzie odpowiednio do nich ulozony).
nie jest to w zadnej sprzecznosci z groznym
wplywem wake turbulence (niedobra lotnicza nazwa na wingtip vorticity)
na stabilnosc wolnego lotu na podejsciu do ladowania malego samolotu,
podazajacego w odstepie mniejszym niz 2 minuty za ciezkim samolotem.
Skąd taki wysyp ekśpertów
@Autor
>>>nie moze w zaden sposob zburzyc domku czy latryny
Jakby stanął pan w takim momencie za tą latryną to wie pan gdzie ruchem wirowym wydmuchało by jej zawartość?
(bo jak już coś liczyć to rzetelnie aby się kiedyś nagle nie obudzić cały w g....)
@nagle ociemniały
i to pod przelatującym Tu154M?
@nagle ociemniały
Buhahahahahahahahahahahahahahahahahaha, ależ lama!!!!!!!!!!
@Jeremiasz Paliwoda
Po prostu lecą pod wirami tankowca. Nie inaczej jest z szybowcami na holu. Te lecą nad wirami.