Aerodynamik

Vad finns det för samband mellan turbulens och takpannor?

Sebastian Dellrup

Turbulens kostar årligen flygbolagen stora mängder pengar i bränslekostnader på grund av omlagda rutter för att undvika turbulens. Anledningarna till turbulens är många – till och med flygplanen själva skapar turbulens! 

Samtliga flygplan som genererar lyftkraft skapar oundvikligen turbulens. För att förstå varför krävs en förståelse för hur lyftkraft uppstår. Fenomenet kan motiveras med Bernoullis Princip, som säger att trycket i en gas minskar med hastigheten. Därav är sträckan på vingens ovansida längre än sträckan på vingens undersida för att skapa ett högre tryck på undersidan i förhållande till ovansidan. Genom att luften på vingens ovansida måste färdas snabbare för att avverka en längre sträcka på kortare tid jämfört med luften på vingens undersida, blir trycket på ovansidan lägre i förhållande till undersidan. 

Naturen eftersträvar jämvikt och kommer försöka utjämna tryckskillnaderna som uppstår mellan vingens sidor. Luftmassor går därför runt vingtippen, från övertrycket på vingens undersida till undertrycket på dess ovansida, för att upprätthålla jämvikten. Rörelsen som skapas runt vingtippen är bågformad och ger upphov till cylinderformade virvlar, också kallade vingspetsvirvlar, som rör sig bakom flygplanet. 

För att reducera vingspetsvirvlarna är flygplansvingarna utrustade med virveldämpare, också kallade för winglets, som är en vertikal förlängning av vingen. Förenklat kan dessa förklaras som mindre vingar som genererar lyftkraft vinkelrätt relativt vinden, precis som en vanlig vinge. Att notera är att lyft inte genereras in över vingen, utan istället i flygplanets färdriktning då vingspetsvirvlarna för luft till dess undersida med en cirkulerande rörelse. Den lilla åstadkomna lyftkraften finns i det område där omblandning av luft sker, mellan vingens sidor, vilket innebär att vingspetsvirvlarnas kraft motverkas. Genom att minska vingspetsvirvlarnas styrka minskar bl.a. flygmaskinens bränsleförbrukning. 

Vingspetsvirvlarna ger upphov till s.k. vak-turbulens, som definieras som störningar i atmosfären orsakade av flygmaskiner. Beroende på virvlarnas styrka blir turbulensen olika stark. Faktorer såsom flygmaskinens massa, flyghastighet, anfallsvinkel (vinkeln mellan rörelseriktningen och vingen), m.fl. påverkar hur kraftiga vingspetsvirvlarna blir och följaktligen också hur stark turbulensen blir. Den värsta turbulensen uppstår av tunga flygplan med låg flyghastighet och en stor anfallsvinkel, såsom exempelvis vid start och landning. Att dessa premisser orsakar den mest kraftiga turbulensen beror på att under dessa förhållanden är tryckskillnaden mellan vingens sidor som störst. Vid låga hastigheter genereras i regel lite lyft. För att kompensera ökar piloterna flygplanets anfallsvinkel, vilket ger upphov till en större tryckskillnad och mer lyft. Då flygplan med större massa behöver en större lyftkraft än flygplan med en mindre massa, kommer flygplan med en större massa att orsaka starkare turbulens då en större tryckskillnad innebär att mer luft kommer att sättas i rörelse för att utjämna tryckskillnaden. Detta skapar kraftigare virvlar med högre rotationshastighet och således kraftigare turbulens. 

Vingspetsvirvlarnas virvlar sjunker med en hastighet på ca 120-150 meter per minut och dess intensitet avtar med tiden, för att helt försvinna efter ca 1-3 minuter. Att flyga genom luft med denna typ av rörelser kan ha förödande konsekvenser då vingspetsvirvlarna kan orsaka att ett bakomvarande flygplan hamnar i en roll, vilket innebär att flygplanet roterar runt sin längdaxel. Detta är framförallt farligt på låg höjd och är den primära anledningen till varför det finns ett stort avstånd mellan landande och startande flygplan på flygplatser. Genom att ha ett bestämt avstånd mellan flygplanen som varierar beroende på flygplanens massor, låter man vingspetsvirvlarna sjunka för att inte riskera att bakomvarande flygplan flyger genom den skapade vak-turbulensen. 

Vak-turbulensen skapar inte bara problem för andra flygplan, utan även för husägare runt flygplatser. De vingspetsvirvlar som skapas vid inflygningen sjunker ner mot hushållen under sin flygväg och riskerar att brytas mot husens tak. Husen är därför försedda med speciella takpannor som spikas såväl som kläms på plats för att stå emot de starka krafterna orsakade av virvlarna.