Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

7 frågor/svar hittade

Kraft-Rörelse [20496]

Fråga:
Hur fort kan ett föremål förflytta sig med hjälp av vinden i förhållande till vindstyrkan med en färdriktning 90 grader mot rådande vindriktning.

Kan en flygplansvinge alstra någon lyftkraft i färdriktningen?
/Anders N, Kristinebegskolan, Åmål

Svar:
Om man ställer en flygplansvinge vertikalt blir den ju i princip ett segel. Det går ju att segla snett emot vinden (se figuren nedan), så man har en kraftkomponent i färdriktningen. Det räcker emellertid inte att vrida en vinge för att åstadkomma en segelbåt. En segelbåt har en köl som verkar mot vattnet och därmed hindrar en drift i sidled.

Hur kan man segla 90 grader i förhållande till vinden? Man ställer seglet i c:a 45 grader i förhållande till vinden. Vinden kommer då att avlänkas mot aktern. Kraften som böjer av vinden måste ha en motkraft (Newtons tredje lag, fråga 15642 ) som verkar i framåtriktningen. Så det är huvudsakligen två komponenter som driver segelbåten framåt: seglet och kölen.

Den framåtriktade kraften accelererar båten framåt, men med ökande hastighet får man ett ökande motstånd på skrovet (engelska drag). Sluthastigheten bestäms av balansen mellan den framåtriktade kraften och motståndet. Vindhastigheten är inte en absolut gräns för hastigheten om bara skrovet är konstruerat för litet motstånd. Två faktorer som påverkar hastigheten positivt är långsmal form och om skrovet kan lyfta och vattenplana så att bogvågen minimeras.

En segelbåt kan inte färdas i rak motvind eftersom det av symmetriskäl inte finns någon framåtriktad kraft på seglet. Det optimala är att färdas i 90 grader mot vinden eftersom den framåtriktade kraften är maximal. Så snart båten färdas med vinden kommer effektiva vindhastigheten minska vilket minskar hasigheten, se länk 1.

Se även länkarna nedan och fråga 8182 och 13364 .



/Peter E

Nyckelord: segling [5]; flygplansvinge [7]; *idrottsfysik [39];

1 http://www.real-world-physics-problems.com/physics-of-sailing.html
2 http://www.sailguide.com/forum/viewtopic.php?t=1342

*

Kraft-Rörelse [19995]

Fråga:
Hur kan en Formel 1 bil dra fördel av luftmotståndet?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hur kan en Formel 1 bil dra fördel av luftmotståndet?
/alexander Å, IES Lund, Lund

Svar:
Kul fråga Alexander! Ja, en F1-bil är helt beroende av luftmotståndet! Utan det hade bilen kört av i den första kurvan!

Det man först tänker på är att luftens rörelse i förhållande till bilen ger en bromsande kraft (engelska drag), vilket naturligtvis inte är positivt. Det finns emellertid gott om effekt i motorn för att motverka motståndet. Avgörande för snabbheten hos F1-bil är inte motorstyrkan utan väggreppet.

Karossen på bilen designas för att minimera "drag" (som uppkommer genom turbulens) och för att maximera nedåtkraften (engelska downforce). Nedåtkraften skapas av en konstruktion som liknar en flygplansvinge (se fråga 12891 ) fast upp-och-ner.

Nedåtkraften adderas till tyngdkraften och utgör normalkraften. Friktionen, dvs väggreppet, är ju proportionellt mot normalkraften. Så större normalkraft ger bättre väggrepp vilket påverkar både acceleration, bromsförmåga och kurvtagning.

För att ytterligare öka "downforce" har F1-bilen vingar både fram och bak, se bilden nedan från Wikimedia. Man kan med en optimal kaross och vingar åstadkomma en "downforce" som överskrider tyngdkraften på bilen. Den skulle alltså teoretiskt kunna köras i taket!

De senaste åren har man infört en möjlighet att justera den bakre vingen under loppet. Detta kallas DRS (Drag Reduction System). När man vill köra om på en raksträcka kan man reducera "drag" och därmed få bättre acceleration. Man förlorar lite "downforce", så DRS deaktiveras automatiskt när man bromsar inför nästa kurva.

Se vidare Formula_One_car#Aerodynamics .



/Peter E

Nyckelord: friktion [44]; formel 1 [2]; flygplansvinge [7];

*

Kraft-Rörelse [15474]

Fråga:
Hej, jag undrar hur en bumerang fungerar, hur kan den komma tillbaka när man kastar den framåt?
/Mirela M, Ellen Key, Västervik

Svar:
Det är egentligen inte konstigare än att man kan skruva en boll. Bumerangen är konstruerad så att delar av den fungerar som en flygplansvinge. Detta orsakar en lyftkraft som inte går igenom tyngdpunkten. Detta får bumerangen att svänga av, och den kan svänga så mycket att den faktiskt kommer tillbaka till utgångspunkten om den är korrekt konstruerad och kastad på rätt sätt. Länk 1 är en mycket bra beskrivning av hur bumerangen fungerar - som du ser är det ganska komplicerat !

Boomerang innehåller historia och konstruktion, men beskrivningen av bumerangens bana är helt felaktig. Under länk 2 finns bland annat video-snuttar av bumerangkast, och där kan man se att banan är en cirkelrörelse på i stort sett konstant höjd över marken.
/Peter E

Nyckelord: flygplansvinge [7]; skruvad boll [9];

1 http://plus.maths.org/issue7/features/boomerangs/index.html
2 http://www.boomerangklub.dk/

*

Kraft-Rörelse [14528]

Fråga:
Hej Lund! Jag har tidigare ställt frågor om helikoptrar då jag bl.a. fått hänvisningar till nedanstånde program.

Angående simmuleringsprogrammet FoilSim http://www.fysik.org/website/links/redirect.asp?ID=326 har jag frågor om följande:

1) I programmet (på Airfoil) finns ett reglage under namnet "Camber", vad är Camber på vingen i detta fall och hur kan man mäta den?

2) Det finns också ett reglage för "Thickness" som ordagrant översätts till "Tjocklek" men vad är det exakt i detta fall och hur kan man mäta den?

3) Hur räknar dom ut arean på vingen? I programmet används dessutom enheten "slugs/cu ft" för densitet, vad är detta i gram per kubikcentimeter?

Våra formelsamlingar har på gymnasienivå inte speciellt bra omräkningar från engelska enheter t ex punds - kilogram, ni vet ingen bra sida på internet för detta? ("formler" åsyftas)

Jag personligen samt Östanå vore väldigt tacksamma om ni på Lund skulle kunna hjälpa oss med frågorna och jag ber så mycket om ursäckt för att ställa fler småfrågor på rad så här.
/Oscar S, Östanå gymnasium, Eksjö

Svar:
Oscar! För det första: vi är inte experter på aerodynamik och det är ett mycket komplext ämne. Appletversionen under Foilsim - simulering av vinge kan ställas in på SI enheter. Det finns flera olika versioner av programmet - både avancerade och mer elementära.

Vad gäller övriga frågor får du försöka läsa i dokumentationen eller länk 1. Camber har att göra med den relativa "bulligheten" på över och undersidan, som jag sa i svaret till fråga 14442. Exakt hur den definieras i programmet vet jag inte.

Eftersom problemet, som sagt, är komplext tycker jag att du hellre bör arbeta experimentellt än teoretiskt. Även för professionell flygplansdesign använder man vindtunnelmätningar!
/Peter E

Se även fråga 14442

Nyckelord: flygplansvinge [7];

1 http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/

*

Blandat [12891]

Fråga:
Varför tvingas luften gå snabbare på ovansidan på en flygplansvinge?
/david g, svalebo, veberöd

Svar:
Frågan är mycket intressant, inte minst eftersom det förekommer många olika och tyvärr ofta felaktiga uppfattningar om exakt hur en flygplansvinge ”fungerar”! Lift_(force)#Description_of_lift_on_an_airfoil ger en mycket bra beskrivning av lyftkraften. Den innehåller även en bra bild av luftens hastighet på ovan- och undersidan av vingen, se nedanstående resonemang.

Som vi redan svarat (se t.ex. svaret till fråga 12127 ) så är den primära orsaken till lyftkraft att – så länge vingen har en viss vinkel i förhållande till den inkommande luftströmmen - luften rör sig snabbare på vingens ovansida än undertill, vilket resulterar i ett lägre lufttryck på ovansidan och därmed ett ”lyft”. Därtill kommer observationen att ju böjdare vingens ovansida är, desto större blir lyftkraften. Men, frågar man sig, VARFÖR strömmar luften snabbare på översidan? Och vilket kommer egentligen först – sänkningen av lufttrycket eller skillnaden i hastighet?

Låt oss alltså undersöka närmare vad som egentligen händer när man placerar en vinge i ett luftflöde med en viss hastighet! Till vår hjälp tar vi det mycket trevliga simuleringsprogrammet Foilsim - simulering av vinge , som låter oss utforska hur lyftkraft påverkas av en massa olika parametrar. Bilderna nedan är tagna från Foilsim, och visar luftströmningen runt den valda vingprofilen, och hur trycket och lufthastigheten varierar från framkanten till bakkanten.

Om vi tittar på hur luften rör sig runt vingprofilen ser vi att luftströmmen som lämnar bakkanten på vingen är riktad nedåt. Vi ser också att förhållandena på vingens ovan- och undersida skiljer sig kraftigt åt: på ovansidan är lufttrycket lägre än det omgivande atmosfärstrycket (markerat av mig med en liten röd pil) och lufthastigheten betydligt högre än flygplanets nominella hastighet gentemot lufthavet (också markerat med en röd pil), medan situationen på undersidan i stort sett är tvärtom – något högre tryck än atmosfären, och i regel mycket lägre lufthastighet.

Hur hänger allt detta ihop? Den ”klassiska” förklaringen är att eftersom luftströmmen i vingens bakkant ju ”tvingas” nedåt (som en konsekvens av vingens vinkel och vingprofilens utseende) kommer vingen att i motsvarande grad ”tvingas” uppåt - enligt Newtons sats hör ju till varje kraft en motriktad reaktionskraft. Hur påverkar detta trycket? Jo, återigen måste vi ha balans i systemet, denna gång gentemot den omgivande atmosfärens tryck. Den största skillnaden får vi nära framkanten, där luftströmmens riktning ändras kraftigast. På undersidan får vi en liten tryckökning, medan vi på ovansidan observerar en kraftig trycksänkning vid vingytan. (Längre bort från ytan blir effekten mindre.) Ju närmare vi kommer vingens bakkant, desto mindre blir tryckskillnaden gentemot atmosfären, och en kort bit bakom vingen är trycket återigen normalt.

Vi kan nu förstå skillnaden i luftströmningshastigheten på vingens olika sidor som en direkt följd av variationen i lufttryck. På undersidan orsakar den lilla tryckförhöjningen vid vingens framkant att lufthastigheten allra först minskar rejält, men allteftersom trycket närmar sig det normala på väg mot bakkanten jämnar hastigheten ut sig. På översidan, därimot, orsakar det låga trycket vid framkanten en kraftig acceleration av luftflödet där, och vi uppnår mycket snabbt en betydligt högre lufthastighet (vid vingytan) än flygplanets ”egenhastighet” genom luften. När vi närmar oss bakkanten bromsas dock luften av och hastigheten sjunker gradvis för att till sist, strax bakom vingen, återgå till den ”normala”.

En viktig sak att komma ihåg är att resonemanget ovan egentligen bara gäller om vi har så kallat ”laminärt” luftflöde – alltså att luften strömmar i ”skikt” i stället för i virvlar (”turbulent” flöde). Om flödet är laminärt kan man använda Bernoullis lag för att räkna ut precis hur lufthastighet och (förändringen av) lufttrycket hör ihop.

Pröva själv: Kör appletversionen av Foilsim - simulering av vinge (kräver att Java är installerat i bläddraren) och pröva själv vad som händer med lyftkraften när du ändrar förutsättningarna! Bland parametrarna man kan ändra hittar man: lufthastighet (”air speed”), flyghöjd (”altitude”), attackvinkeln (”angle”), genomsnittstjocklek (”thickness”), böjform (”camber”) och vingyta (”area”). Programmet kommer med ett antal ”lektioner” som går igenom diverse samband.

Fundera på: Varför spelar flyghöjden in? Vad händer om man böjer vingen åt ”fel håll”? Varför har flygplan som specialdesignas för aerobatikmanövrer nästan platta vingar?

Se även How Airplanes Work och länk 1 och 2.



/Margareta H/lpe

Nyckelord: flygplansvinge [7]; bernoullieffekten [6];

1 http://iopscience.iop.org/0031-9120/38/6/001
2 http://www.planeandpilotmag.com/component/zine/article/289.html

*

Kraft-Rörelse [12127]

Fråga:
Vilken är förklaringen till att flygplansvingen lyfter flygplanet? På vilket sätt är Bernoullis lag ofullständig i detta fallet?
/Fredrik W, Kattegattgymnasiet, Halmstad

Svar:
Detta är ganska knepigt att reda ut ordentligt. Det finns två effekter

1 Dels så strömmar luften snabbare relativt vingen på ovansidan (bernoulli-effekten ger lägre tryck)

2 Dels så finns det en liten vinkel mellan vingen och luften (luftströmmen trycker vingen uppåt)

Denna vinkel (som kallas anfallsvinkel, se länk 2 och Angle_of_attack ) är olika vid långsam flygning och snabb flygning.

Många flygplan använder vid landning s.k. klaffar (se Flap_(aircraft) och nedanstående figur from Wikimedia Commons). Dessa ger, när de riktas nedåt, dels en uppbromsning och dels ökad lyftkraft så att flygplanet kan flyga långsammare.

Man kan förstå att punkt 1 inte är hela sanningen eftersom de flesta flygplan faktiskt kan flyga upp-och-ner!

Det finns ett mycket trevligt simuleringsprogram: Foilsim - simulering av vinge . Där kan man bland annat ändra vingprofil och vinkel och se vad som händer med lufttrycket på vingens ovan- och undersida.

Se även snackset Flyg med Bernoulli och länk 1.



/Gunnar O/Peter E/Bengt Erik F

Nyckelord: flygplansvinge [7]; bernoullieffekten [6];

1 http://travel.howstuffworks.com/airplane.htm
2 http://science.howstuffworks.com/airplane12.htm

*

Blandat [754]

Fråga:
Vilka krafter påverkar en "skruvad" boll så att den ändrar riktning?
/Johanna H, Vadsbogymnasiet, Mariestad

Svar:
Det är ingen lätt fråga att ge ett kort och uttömmande svar på. Effekten kallas för magnuseffekten. I många böcker finns det missvisande "förklaringar" till fenomenet. Se länk 1 för en avancerad beskrivning av magnuseffekten och aerodynamisk lyftkraft för en flygplansvinge. I Magnus_effect finns en parametrisering av storleken på lyftkraften.

Låt oss i den följande diskussionen anta att vi har slagit en underskruvad boll. Tänk på bordtennis eller golf! Bollen får då en uppåtriktad kraft på grund av rotationen.

En viktig princip i strömningslära är att luften häftar vid bollen. Vid bollens yta finns alltså ett tunt luftlager som följer med bollen.

Det är rätt lätt att övertyga sig om att luften strömmar fortare ovanför än under bollen. (Vi betraktar luftens hastighet relativt bollen.) Luften som går snabbare över bollen måste accelereras. För detta krävs en tryckskillnad. Trycket är alltså lägre rakt över bollen än långt bort från bollen. Med samma argument visar man att trycket är högre strax under bollen. Tryckkrafterna påverkar alltså bollen uppåt! Se nedanstående figur.

Ett annat sätt att se problemet är att bollens rotation "drar isär" luften på ovansidan och "trycker ihop" luften på undersidan. Vi får alltså lågt tryck på ovansidan och högt tryck på undersidan. Denna tryckskillnad ger upphov till en lyftkraft.

Experiment: Be en kamrat slå en bordtennisboll hårt med mycket underskruv. Stå vid sidan och studera bollbanan. En golfboll beter sig likadant men är svårare att studera.



/ Gunnar O/lpe

Nyckelord: golfboll [11]; skruvad boll [9]; *idrottsfysik [39]; flygplansvinge [7];

1 http://www.mathpages.com/HOME/kmath258/kmath258.htm

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7168 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-07-06 14:08:20.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.