O proudění vzduchu

Dříve než budeme pojednávat o proudění kolem letadel podívejme se na to jak se dokáže představit masa vzduchu, jestliže na ni působí okolní tlaky a teploty, které příroda nabízí kdy se jí zalíbí. Z následujícího obrázku je patrné, jak je člověk stále outsiderem vůči matičce Zemi, kterou by si někteří z nás chtěli podmanit co nejvíce. Naštěstí se jim to nedaří a hned tak nepodaří.

Fotografie je z neznámého zdroje, ale působí hrůzostrašně.

Intenzivní rotace obrovských množství vzduchu, zřejmě zleva doprava, vytváří válcovitý trychtýř v němž je podtlak nasávající směrem vzhůru všechno co není připevněno k povrchu. Je to scéna jakoby z jiné planety, kde existuje nějaká hutná atmosféra. Všimněte si také poměrně ostrých rozhraní mezi nasycujícím se vzdušným tělesem a okolím.

Na druhé straně mohou jiné tlakové a teplotní poměry v ovzduší společně s místní vlhkostí vzduchu vytvořit na pohled uklidňující tvary oblak kolem přírodních překážek. V těch oblacích však nejsou poklidné podmínky, jen se tak tváří. Tlakové rozdíly, i na ostře ohraničených okrajích, vytvářejí značné dynamické účinky, které jsou schopny rozsypat dotěrný letoun do nebeské popelnice.

Nádherná oblaka jsou opět z neznámého zdroje, rád bych mu poděkoval.

Je to jeden z provokujících případů přírody pobízející k vyzkoušení nebo je lepší se na to jen z povzdálí dívat?

A takhle nějak podobně, jak prve naznačeno, to funguje kolem letících strojů. My máme nádherný pocit z trojrozměrného pohybu, aniž bychom tušili v jaké říši se nalézáme a jak bychom se měli chovat. Akademie letectví se pokusí, s jistou bázní a respektem k tomu co jsme vám prve ukázali, přiblížit některá pravidla, jež je nutno respektovat v takové společnosti, jestliže jsme se samozvaně pozvali se svým strojem na pořádanou nebeskou party.

Jak to asi vypadá při proudění vzduchu, které probíhá neustále kolem nás, až již ho citelně vnímáme –průvan, vítr či nikoliv, když jsou rychlosti velmi nízké. Jedním z primárních předpokladů využívaných v aerodynamice je skutečnost, že vzduch vyplňuje veškerý mu poskytnutý prostor beze zbytku. To znamená, že se nikde nevyskytuje vzduchoprázdný prostor a pokud nedojde ke změnám tlaku či teploty, není důvod, aby se jakákoliv množství vzduchu samovolně pohybovala. A pokud k pohybu dojde existuje v něm neustálá kontinuita, to znamená, že proudění je spojité, bez přerušování a znovu obnovování. S tímto fenoménem se setkáme při výkladu závislosti rychlosti proudění na tlaku, což popisuje Bernouliho rovnice.

O tom, že proudění je všude kolem nás, to znamená i kolem našich létajících strojů trojrozměrné neboť vyplňuje celý prostor, se můžeme přesvědčit na příklad při sněžení. Pohyby vzduchu jsou skvěle vykresleny dráhami vloček, které zviditelňují obtékání kolem všech překážek postavených jim do cesty, fouká-li sebemenší vítr.

Při sněžení doprovázeném silnějším větrem, kdy se vzduch pohybuje skoro vodorovně dochází k vytváření nánosů na všech předmětech na jejich návětrných plochách. Podíváte-li se například na jakékoliv sloupy zjistíte snadno, že na plochách proti větru je nános sněhu nejsilnější. A že jeho vrstva se ztenčuje směrem po proudu(po větru) a před místem největší tloušťky(průměru) sloupu mizí úplně. Zde totiž vzrostla původní rychlost proudění(větru) natolik, že se vločky sněhu neudrží ani na drsném povrchu sloupu. Na zadní straně sloupu se vločky udrží jen náhodně nebo vůbec ne.

Tento instruktivní příklad může pomoci k vysvětlení následující skutečnosti plynoucí z obtékání těles, tedy i letadel. Na předních stěnách těles dochází na malé ploše k úplnému zbrzdění částeček proudu(nejtlustší vrstva sněhu). Pak, při obtékání válcové plochy je proud urychlován až do místa jejího průměru při současném poklesu tlaku v proudu(usazování sněhu slábne). V místě kde se sníh přestal usazovat byla rychlost proudění kolem sloupu nejvyšší a také mnohem vyšší než rychlost větru( dvakrát i vícekrát). Z rozdílů takto vzniklých tlakových změn, vztažených ke stavu proudu před sloupem, vznikají aerodynamické síly. Je to především odpor a při vhodném tvarování těles i vztlak vznikající z těchto tlakových rozdílů. Takhle podobně, ne ale zas tak jednoduše, to funguje při proudění vzduchu kolem létajících strojů, zejména kolem nosných a ocasních ploch. Odpor při tom vzniká vždy a vztlak jen tehdy, když použijeme vhodný tvar řezu plochy a tím je jejich profil. Na dalším obrázku je známé schéma proudění kolem několika těles k nápovědě o tom, jak velký může být odpor mění-li se tvar tělesa.

A jak to vypadá, když proud obtéká rovnou desku nebo se tato deska pohybuje napříč ovzduším, je uvedeno na dalším obrázku. Všimněte si, že vírová stopa-úplav je za deskou obrovská. Na přední stěnu desky působí dynamický účinek proudu a za deskou vzniká zase nižší tlak než před ní. Oba tyto účinky se sčítají a výsledkem je značný odpor, který působí ve směru proudu. Je to jeden z největších odporů, který lze jednoduchým tělesem vytvořit. Větší odpor by vznikl kdyby deska byla prohnuta proti proudu a vytvořila jakousi misku, což je například případ lopatek některých vodních turbin.

Jiný příklad proudění je možné pozorovat když v podvečer vzniká mlha. Za bezvětří a bezmračné oblohy, když se masy vzduchu prakticky nepohybují to působí velmi tajuplně. Jedná se však pouze o ochlazování nejspodnějších vrstev vzduchu, těch co přiléhají k povrchu Země. Ty klesají dolů a stahují s sebou postupně vyšší vrstvy, které se také ochlazují. Při tom kopírují tvar zemského povrchu, nalévají se do zemských prohlubní a nakonec vytvoří jakousi prachovou přikrývku. Příroda tak vytváří širokým štětcem bezhlučné divadlo s majestátními pohyby objemů vzduchu. Je to jeden z úžasných příkladů nevířivého laminárního proudění, který můžeme občas vidět.

Jiný názorný příklad poskytuje papírový sáček čaje ponořený do sklenice s horkou vodou. Po ponoření začne ze sáčku vytékat pomalý proud hnědé barvy, který se zpočátku vůbec nemísí s okolní horkou vodou. Pak se oba objemy vodní lázně začínají pomalu míchat aniž by vznikaly znatelné víry. Po nějakém čase se veškerá tekutina zbarví dohněda. Byl to opět příklad laminárního mísení tekutin. Když bychom v průběhu mísení promíchávali celý obsah lžíčkou dospěli bychom pomocí takto vzniklých vířivých pohybů rychleji k cíli. To by byl pak příklad turbulentního proudění.

Je dost obtížné zvolit hodně zpopularizovanou a při tom ještě správnou metodu pro popis proudění vzduchu kolem těles a z toho vzniklých následků.

Vyjděme nejprve z toho, že se spokojíme s rychlostmi proudění nebo letu do cca 350 km/h, kdy ještě můžeme pokládat ovzduší za nestlačitelné. Dále vezměme za fakt, že při proudění vzniká odpor vždy a vztlak jen někdy, když mu vyjdeme vstříc alespoň vhodným tvarem tělesa. A ještě použijeme k vysvětlování mnoha pojmů a jevů principu relativnosti proudění. Ten je schematicky zpodobněn na předchozím obrázku.

Obě možnosti, ať se pohybuje deska v nehybném ovzduší nebo je deska nehybná a vzduch proudí kolem ní, jsou si ve výsledných účincích rovnocenné. Tohoto faktu se využívá, jak mnozí vědí, v aerodynamických tumelech.