Aerodynamik

Vad har flyg och motorsport gemensamt?

publicerad 7 månader sedan av
Samuel Frobell

Hur kan flygplan flyga? Varför ser vår planets främsta förares bilar ut som ett pilliknande rymdskepp? Kan det vara så att det finns någon faktor som de två farkosterna har gemensamt, eller är dess likhet endast den råa motorstyrkan?

Förklaringen till hur ett flygplan kan flyga kan vara väldigt komplex, men grundprincipen är ganska simpel. Rent teoretiskt kan man på egen hand inse att för att få ett flygplan att lyfta krävs det någon form av lyftkraft. Denna lyftkraft kommer behöva vara motriktad flygplanets gravitationskraft (Fg) samtidigt som den måste vara lika stor för att behålla altitud, eller större för att skapa en stigning. 

Men var kommer denna lyftkraften från? För att motivera detta använder vi oss av något  som heter “Bernoullis princip” som publicerades av den Schweiziske forskaren Daniel Bernoulli i boken “Hydrodynamica” som han publicerade i mitten på 1700-talet. Denna princip säger att trycket i en strömmande vätska eller gas minskar när hastigheten ökar. Med denna kunskapen kan vi konstruera en vinge på så sätt att vi skapar hastighetsskillnader i luften som färdas över respektive under vingen vilket i sin tur leder till skillnader i tryckkraft (Fp). 

En flygplansvinge är konstruerad på så sätt att sträckan över vingen är längre än sträckan under, dvs att luften som färdas över vingen kommer att färdas med högre hastighet än den luften som går under. Detta kommer enligt Bernoullis princip leda till att lufttrycket på vingens ovansida kommer vara mindre än trycket på undersidan vilket skapar en skillnad i tryckkraft (Fg) med resultant uppåt, vilket resulterar i det som kallas lyftkraft. Vad som även händer med luften efter att den interagerat med vingen är dess färdriktning förkjutits något neråt, dvs att vingen har tryckt luften som kommer ut bakom vingen nedåt. Med tanke på vad vi kan om Newtons tredje lag innebär detta att motkraften från vingen gör att luften trycker vingen uppåt. Kombinationen av dessa luftrörelser är det som skapar lyftkraft och gör att planet flyger. För att få ett flyplan att lyfta justeras vingarnas “angle of attack” vilket påverkar hur mycket längre sträckan över vingen är i förhållande till under, samtidigt som det påverkar luftens riktning efter interaktionen vilket i sin tur gör det möjligt för oss att reglera storleken på lyftkraften, och på så sätt kunna kontrollera altituden.

Hur kan detta ha något gemensamt med en Formel 1-bil? Jo, samma fenomen används vid all biltillverkning, men blir som viktigast inom motorsporten. Här skapar man också lyftkraft men skillnaden är att man gör det på ett sätt som skapar en negativ lyftkraft, även kallad “Downforce”. I och med att det är negativ lyftkraft, innebär det att den är riktad åt samma håll som gravitationskraften (Fg) vilket förstorar kraftresultanten i riktning mot marken. 

Downforce skapas genom att man dirigerar om olika mängder luft, (beroende på önskad downforce nivå) till att ta vägen över de kritiska delarna på bilen istället för under. I och med att samtliga vingar på F1 bilen har en negativ “angle of attack” i förhållande till flygplanet, skapar det en helt motsatt effekt där vägen under objektet blir längre än över, vilket pga hastigheten skapar högre tryck ovanpå än under vilket skapar en kraft nedåt. Detta samtidigt som luften omdirigerats uppåt av objektet till skillnad från nedåt i flygplanets fall, vilket skapar en motkraft från luften enligt Newtons tredje lag som även den trycker bilen mot marken. 

Varför downforce är så viktigt inom racing är för att bilarna utsätts för flertalet g-kraften när de manövrerar i så pass höga hastigheter. för att inte dessa g-krafter skall påverka kraftresultanten så att bilen tappar greppet ökar man downforce-nivåerna när man tävlar på banor med höga hastigheter med skarpa svängar. 
Summa summarum använder vi människor oss av Bernoullis princip för att skapa lyftkraft i olika sammanhang. Vid flygningar vill man ha en större lyftkraft i motsatt riktning från Fg för att skapa ett lyft, medans man inom racing, med samma typ av kraft använder principen till att pressa bilen mot banan, för att kunna ta samtliga kurvor i dessa extrema hastigheter. Det är alltså lyftkraft och dess faktorer som skapar en gemensam nämnare i de två farkosterna, och många ingenjörer ägnar sina liv åt att bemästra aerodynamikens konst.

Källor som användes i den här artikeln

Donut Media . Wings and Spoilers; Lift and Drag | How It Works . Youtube . 2018-05-16 . <https://www.youtube.com/watch?v=AXjiThF1LXU&t=506s> (Hämtad 2019-10-10)

Donut Media . Side Skirts, Diffusers, and Air Dams | How It Works | Science Garage . Youtube . 2018-06-13 . <https://www.youtube.com/watch?v=Woq-nl9QyfQ&t=181s> (Hämtad 2019-10-10)