Hoe vliegt een vliegtuig?

Papa, hoe vliegt een vliegtuig? Je vader of moeder zou zeggen: “zoon, een vliegtuig heeft vleugels net als een vogel, daardoor kan hij vliegen”. En je zult tevreden zijn met dit antwoord. Nu we ouder zijn willen we wel eens het echte antwoord weten. In dit artikel zal in vogelvlucht een uitleg worden gegeven over hoe het mogelijk is dat vliegtuigen kunnen vliegen.

Basics

Er zijn twee dingen nodig die het mogelijk maken om een vliegtuig in de lucht te krijgen en te houden. Het begint met de motor, deze levert een stuwkracht om zo het vliegtuig een voorwaartse beweging te geven. Het tweede onderdeel is de vleugel, deze zal een opwaartse kracht generen. Er zijn verschillende theorieën over hoe het komt dat een vleugel een opwaartse kracht kan genereren. De twee meest geaccepteerde ideeën worden vaak ook in combinatie gebruikt om het principe uit te leggen.

Liftkracht theorie 1

Lift, de opwaartse kracht, is een product van verschillende natuurwetten. De twee natuurwetten waarmee we de eerste theorie kunnen beschrijven zijn; de continuïteitswet en de wet van Bernoulli. De continuïteitswet luidt als volgt: v1*A1 = v2*A2 waarin “v” de snelheid is en “A” het doorstroom oppervlak. Uit de formule kan worden opgemaakt dat wanneer er een stromend gas (lucht) door een vernauwing, van bijvoorbeeld een buis, moet stromen deze een toename in snelheid zal krijgen (venturi effect). Als we een vleugelprofiel in een 2-dimensionale situatie bekijken zien we dat deze de luchtstroom, die we kunnen opdelen in kleinere stroombanen, omhoog laat afbuigen. Door deze afbuiging zullen de stroombanen dichter bij elkaar komen te liggen waardoor we hetzelfde effect krijgen als de vernauwing in een buis. Hiernaast staat een plaatje om dit concept te verduidelijken.

We zien dus nu dat boven het vleugelprofiel de snelheid hoger is dan aan de onderkant. Met de wet van Bernoulli die stelt dat: P1+ ½ *ρ*v1²= P2+ ½ *ρ*v2² waarin “P” de druk is “ρ” de dichtheid en “v” de snelheid, kunnen we zien dat omdat de snelheid van de luchtstroom boven de vleugel toeneemt dat de druk hierbij juist afneemt. Omdat er met de snelheid onder de vleugel niet veel gebeurd zal hier de druk gelijk blijven of zelfs toenemen. Als we deze twee factoren naast elkaar zetten zien we dat boven de vleugel een onderdruk heerst (vanwege de omlaag gaande druk) en onder de vleugel een overdruk.

We weten uit de natuurkunde dat de natuur zich houdt aan het principe van de kleinste werking, wat wil zeggen dat de natuur altijd de makkelijkste weg kiest. In dit geval is de makkelijkste weg, die het minst energie kost voor de hoge druk, om naar de lage druk toe te stromen en zo weer een evenwicht te scheppen. Doordat de hoge druk naar de lage druk wil stromen, zullen de vleugels omhoog worden geduwd. Zo vliegt een vliegtuig.

Theorie 2

De tweede theorie wordt vaak in combinatie met de eerste gebruikt. Deze kan heel gemakkelijk worden uitgelegd door middel van de derde bewegingswet van Newton, Actie = - Reactie. Dat betekent dat wanneer er bijvoorbeeld een kracht wordt uitgeoefend op een voorwerp, er tegelijkertijd een even grote kracht en de tegengestelde richting zal ontstaan. Als we dan kijken naar een vleugel zal deze met een hoge snelheid tegen de lucht drukken. Doordat de lucht tegen de vleugel aan stroomt, zal er een opwaartse kracht ontstaan, wat dus eveneens het vliegtuig een liftkracht geeft.

We hebben nu in grote lijnen gezien hoe de opwaartse kracht, die lift wordt genoemd, ontstaat. We weten dus nu ook wat we onze kinderen moeten vertellen als ze vragen: “Papa hoe vliegt een vliegtuig?”, Vader/moeder: “zoon, een vliegtuig heeft vleugels net als een vogel, daardoor kan hij vliegen”.