Lentokoneiden maalipinta vs. golfpallo

[Jari Kaija]

Heh, tuossa kävi kaveri vähän aikaa sitten kylässä visiitillä ja tuumasi,
jotta olisi kannattanut vetää appelsiinimaalipinta koneeseen.

No hieman kummastuneena odotin jatkoa tälle tuumailulle ja
tulihan se sieltä: "Golf palloihinkin tehdään kuopat, jotta sen
ilmanvastus olisi pienempi ja lentäisi pidemmälle".

No nyt sitten asiantuntijoille kysymys: Lentääkö golpallo sen
vuoksi pidemmälle, että sen pinnassa ei virtaus pysy kiinni
reikien aiheuttaman pyörteilyn vuoksi, vai pysyykö se vasta
silloin pinnassa kiinni ja saa aikaiseksi ilman sujuvamman
ohivirtauksen.

Pätisikö sama teoria lentokoneen pintaan? Eikös jossakin
hävittäjässä juurikin ole pinta tehty appelsiiniksi lento-ominaisuuksia
parantaakseen (jostain jäänyt tämmöinen väite kuuloelimeen)?

[Jukka Mäkelä]

Lentääkö golpallo sen
vuoksi pidemmälle, että sen pinnassa ei virtaus pysy kiinni
reikien aiheuttaman pyörteilyn vuoksi, vai pysyykö se vasta
silloin pinnassa kiinni ja saa aikaiseksi ilman sujuvamman
ohivirtauksen.

Pätisikö sama teoria lentokoneen pintaan? Eikös jossakin
hävittäjässä juurikin ole pinta tehty appelsiiniksi lento-ominaisuuksia
parantaakseen (jostain jäänyt tämmöinen väite kuuloelimeen)?

En ole aerodynamiikan asiantuntija ollenkaan - olen jostakin lueskellut, että golfpallo lentää juuri sen vuoksi pidemmälle kun pinnan takia virtaus pysyy paremmin kiinni. Ideana golfpallon lennossa  lienee sen pyörimisliike joka saa aikaan yhdessä pinnan kanssa magnus efektin . Pallon tulee pyöriä niin päin että alapinta liikkuu lentosuuntaa vastaan.
MInusta tätä ideaa ei voi suoraan soveltaa lentolaitteeseen jossa kantavina eliminä toimii kiinteäpintaiset tasot. Myös helikopteri on tällainen härpätin.
Muistaakseni aikoinaan on jopa tehty kokeiluja jossa lentokoneen siiven osa tai koko siipi on korvattu magnus efektin aikaansaavilla pyörivillä sylintereillä.
Myös purjehduksessa efektiä on kokeiltu - herra nimeltä flettner teki koepurjehduksia laivalla johon oli asennettu purjeiden sijaan kaksi suurta pyörivää sylinteriä kannelle pystyyn.

[Astir]

Golfpallon kuoppien tarkoitus on tehdä rajakerros turbulenttiseksi. Jos pallo olisi sileä, olisi virtaus laminaarinen mutta irtoasi äkisti pallon leveimmältä kohtaa ja aiheuttaisi isot pyörteet (l. vastuksen) Nyt kun virtaus on jo alun alkaen turbulenttinen niin se pysyy kauemmin pallon pinnassa ja vastus on paljon pienempi.

-Kimmo

[Jouni Laukkanen]

Lentääkö golpallo sen
vuoksi pidemmälle, että sen pinnassa ei virtaus pysy kiinni
reikien aiheuttaman pyörteilyn vuoksi, vai pysyykö se vasta
silloin pinnassa kiinni ja saa aikaiseksi ilman sujuvamman
ohivirtauksen.

Pätisikö sama teoria lentokoneen pintaan? Eikös jossakin
hävittäjässä juurikin ole pinta tehty appelsiiniksi lento-ominaisuuksia
parantaakseen (jostain jäänyt tämmöinen väite kuuloelimeen)?

En ole aerodynamiikan asiantuntija ollenkaan - olen jostakin lueskellut, että golfpallo lentää juuri sen vuoksi pidemmälle kun pinnan takia virtaus pysyy paremmin kiinni. Ideana golfpallon lennossa  lienee sen pyörimisliike joka saa aikaan yhdessä pinnan kanssa magnus efektin . Pallon tulee pyöriä niin päin että alapinta liikkuu lentosuuntaa vastaan.
MInusta tätä ideaa ei voi suoraan soveltaa lentolaitteeseen jossa kantavina eliminä toimii kiinteäpintaiset tasot. Myös helikopteri on tällainen härpätin.
Muistaakseni aikoinaan on jopa tehty kokeiluja jossa lentokoneen siiven osa tai koko siipi on korvattu magnus efektin aikaansaavilla pyörivillä sylintereillä.
Myös purjehduksessa efektiä on kokeiltu - herra nimeltä flettner teki koepurjehduksia laivalla johon oli asennettu purjeiden sijaan kaksi suurta pyörivää sylinteriä kannelle pystyyn.

Tämä on kyllä hieman eri asia. Näissä tapauksissa pyöreän asineen ympärille muodostuu virtauskenttä, joka patopisteineen muistuttaa suuresti siiven virtauskenttää kun se aikaansaa nostovoimaa. Kokonaisuutena ilmiöstä käytetään nimitystä sirkulaatio. Ihan vastaava ilmiö on monelle tullut vastaan pelatessa jalkapalloa tai esimerkiksi pöytätennistä. Useimmille on tuttua se, kuinka sisä- tai ulkosyrjäpotku vaikuttaa jalkapallon lentorataan ja kuinka alakierteinen pöytätennispallo tuntuu kuin leijuvan ilmassa, yläkierteinen tekee aivan päinvastoin.

Golfpallohan lentää 6 kertaa pidemmälle kuin vastaavankokoinen sileä pallo. Pinnan kuoppaisuudella pyritään hallittuun virtauksen irtoamisenhallintaan rajakerroksen virtausta muuttamalla. Laminaarinen rajakerros on pienikitkainen, mutta mikäli esineen takapuoli on tylppä eikä "virtaviivainen", irtoaa virtaus lopulta melko rajusti ja tämä kasvattaa esineen kokonaisilmanvastusta. Kuoppien takia rajakerros muuttuu turbulenttiseksi ja tämän vuoksi virtaus pystyykin seuraaman pallon muotoa pidempään paksuimman kohdan takana.

Kyseessä on siis turbulaattori, joita näkee paitsi purjekoneissa, myös moottorikoneissa. Näillä saatava hyöty tulee siinä, että sakkausnopeus yleensä alenee ja samalla siiveketeho kasvaa nopeusalueen alapäässä. Eräissä tapauksissa myös matkalentovastus sekä kohoamisnopeus ovat parantuneet. Itse olen lentänyt tälläisillä turbulaattoreilla eli vortex-generaattoreilla varustetulla Piper Cubilla ja vaikutus oli mielestäni merkittävä.

Tähän vielä linkki turbulaattorin toimintaperiaatteesta http://www.microaero.com/pages/v_howvgswrk.html

[SamiM]

Entä onkohan esim Ikarus C42:ssa käytetty siipikangas laitettu juuri tämän vuoksi? Sehän on pinnaltaan juuri kuin golfpallo. Vai onko kyseessä ollut vain puhdas sattuma, ns. edullinen vaihtoehto :

[Aki Suokas]

Golf pallosta ei tiedä etukäteen mikä kohta edellä se lentää.
Jos golf pallosta tietäisi mikä kohta edellä se lentää, niin pallon etupinta olisi edullista olla sileä ja se kuppaisuus alkaisi vasta pallon paksuimmassa kohdassa. (mitenkän moista palloa pitäisi lyödä  :huh:)

Lentokoneesta sen yleensä tietää. Ja sentakia ryppypinnalla (varsinkaan siiven etuosassa) ei ole mitään aerodynaamista hyötyä, lähinnä haittaa vaan.
Mutta on niitä suurempiakin vastuskohteita.

[Markku Hiedanpää]

Mailan nostokulmasta riippuen golf pallo pyörii lähtiessään mailan lavasta 3000 - 7000 kierrosta minuutissa, tämä varmasti vaikuttaa nostovoiman syntyyn.

[Jukka Mäkelä]

Tämä on kyllä hieman eri asia. Näissä tapauksissa pyöreän asineen ympärille muodostuu virtauskenttä, joka patopisteineen muistuttaa suuresti siiven virtauskenttää kun se aikaansaa nostovoimaa. Kokonaisuutena ilmiöstä käytetään nimitystä sirkulaatio. Ihan vastaava ilmiö on monelle tullut vastaan pelatessa jalkapalloa tai esimerkiksi pöytätennistä. Useimmille on tuttua se, kuinka sisä- tai ulkosyrjäpotku vaikuttaa jalkapallon lentorataan ja kuinka alakierteinen pöytätennispallo tuntuu kuin leijuvan ilmassa, yläkierteinen tekee aivan päinvastoin.

Golfpallohan lentää 6 kertaa pidemmälle kuin vastaavankokoinen sileä pallo. Pinnan kuoppaisuudella pyritään hallittuun virtauksen irtoamisenhallintaan rajakerroksen virtausta muuttamalla. Laminaarinen rajakerros on pienikitkainen, mutta mikäli esineen takapuoli on tylppä eikä "virtaviivainen", irtoaa virtaus lopulta melko rajusti ja tämä kasvattaa esineen kokonaisilmanvastusta. Kuoppien takia rajakerros muuttuu turbulenttiseksi ja tämän vuoksi virtaus pystyykin seuraaman pallon muotoa pidempään paksuimman kohdan takana.

Kyseessä on siis turbulaattori, joita näkee paitsi purjekoneissa, myös moottorikoneissa. Näillä saatava hyöty tulee siinä, että sakkausnopeus yleensä alenee ja samalla siiveketeho kasvaa nopeusalueen alapäässä. Eräissä tapauksissa myös matkalentovastus sekä kohoamisnopeus ovat parantuneet. Itse olen lentänyt tälläisillä turbulaattoreilla eli vortex-generaattoreilla varustetulla Piper Cubilla ja vaikutus oli mielestäni merkittävä.

Tähän vielä linkki turbulaattorin toimintaperiaatteesta http://www.microaero.com/pages/v_howvgswrk.html

Koska täällä foorumilla on aerodynamiikan tuntijoita, niin voinen tarkistuttaa ovatko omat tietoni oikeita:

- Sarjassamme jostakin lukenut;
Yleisesti siiven nostovoiman tuottomekanismi selitetään bernoullin lakiin perustuvalle aerodynaamiselle toiminnalle, jonka mukaan siipi tuottaa nostovoimaa siksi kun siiven yläpinnalla nopeammin kulkeva ilmavirta aiheuttaa alipaineen joka puolestaan aiheuttaa siipeä ylöspäin nostavan  voiman. Ilmavirran nopeutuminen siiven yläpinnalla taas johtuu siipiprofiilista – koska siiven yläpinta on kupera pitää ilman kulkea yläpuolella nopeammin kun matka on pidempi jotta ilmahiukkaset voisivat taas treffata toisensa jättöreunassa.
Tämä siiven toiminnan selitys malli ei kylläkään voi toimia koska ei mikään fysiikan laki määrää, että samat ilmamolekyylit olisivat pysyvästi vierekkäin.
Lentokoneella selällään lentäminenkin olisi mahdotonta jos siipi todella toimisi näin. Lisäksi omat kokeilut joskus vaahtosammuttimen kokoisena todistavat, että kyllä täysin "profiiliton" levysiipi tuottaa nostovoimaa vaikkei siinä olekaan ilmalla minkäänlaista matkaeroa kuljettavanaan siiven ylä - ja alapinnan suhteen.
Näin ollen siiven nostovoiman johtuu ennen muuta siiven kohtauskulmasta eikä siiven profiilista. Jostakin taas asiaa lueskelleena tätä teoriaa selitettiin seuraavasti;
Kun siipi etenee ilmamassassa syntyy siiven eteen ns. patopiste joka jakaa ilmamassan kahteen osaan, siiven yläpinnalle ja alapinnalle. Toinen patopiste muodostuu siiven takaosaan ja myös pysyy siellä ellei kohtauskulmaa kasvateta liian suureksi. Kun kohtauskulmaa kasvatetaan niin etummainen patopiste lähtee liikenteeseen ja siirtyy siiven alapinnalle. Tämä aiheuttaa muutoksen siiven painejakautumaan ja sitä kautta myös nopeusjakautumaan kuten bernoullin laki sanoo – eli mitä matalampi paine, sitä kovempi nopeus ja tietysti myös päinvastoin. Tätä nopeusjakautumaa mallinnetaan suureella jota sanotaan sirkulaatioksi. Kun siipi ei tuota nostovoimaan ( kohtauskulma nolla), pitää sirkulaationkin silloin olla nolla. Kohtauskulmaa lisättäessä, jolloin etummainen patopiste alkaa siirtymään taakse ja alaspäin, sirkulaation arvokin alkaa eroamaan nollasta.
Kun siiven kohtauskulmaa kasvatetaan niin siipi kohdistaa ympäröivään ilmamassaan voiman joka aiheuttaa ilmamassan suuntautumisen alaspäin. Newtonin..hmm.. olikohan se toisen lain mukaan tämä aiheuttaa vastavoiman joka pyrkii nostamaan siipeä. Tämä on se voima jota kutsutaan nostovoimaksi.

Nuo vortex  generaattorit ( turbulaattorit) aiheuttavat siiven kohtaamaan ilmamassaan, siiven yläpinnälle siiven poikittais suuntaisen pyörteilyn joka parantaa virtauksen pysymistä kiinni siivessä ( jonkun teorian mukaan hyönteisten siivet ovat itse asiassa vortex generaattoreita).
JOs palataan Gofpalloon, niin sen pyörimisliikke ainakin minun mielestäni aiheuttaa sen, ettei pallon kuopat voi toimia turbulaattoreina - aiheuttaa pallon yläpinnalle liikkeen suuntaisia pyörteitä ( lentokoneen turbulaattorien toimintahan perustuu siihen että ne ovat kiinteästi paikallaan siiven etureunassa ).

Elikkäs olen edelleenkin sitä mieltä, että golfpallon nostovoima syntyy nimenomaan magnus- efektistä ( pyörivän sylinterin aikaansaama noste), eikä pallon kuoppien toimimisesta vortex generaattoreina . Vaikkei pallossa olisikaan kuoppia toimisi Magnus efekti sitlti, pallon kuopat edes vain tehostavat tämän ilmiön toimintaa. Voihan tämän asian toisaalta nähdä myös hallittuna virtauksen irtautumisena pallosta.

[Jouni Laukkanen]

Elikkäs olen edelleenkin sitä mieltä, että golfpallon nostovoima syntyy nimenomaan magnus- efektistä ( pyörivän sylinterin aikaansaama noste), eikä pallon kuoppien toimimisesta vortex generaattoreina . Vaikkei pallossa olisikaan kuoppia toimisi Magnus efekti sitlti, pallon kuopat edes vain tehostavat tämän ilmiön toimintaa. Voihan tämän asian toisaalta nähdä myös hallittuna virtauksen irtautumisena pallosta.

Ilmeisesti kyse on siinä molemmista. Kun en ole tuota kolopalloa pelannut, en tiedä lajista tuon taivaallista ja siksi tuo Miukun mainitsema kierrosluku oli itselleni täysi yllätys. Tottahan sillä on vaikutusta eli pallo lentänee pitkälle sen pyörimisen aiheuttaman nostovoiman sekä pinnassa olevien turbulaattoreiden avulla.

[Teppo Miettinen]

Tekniikan Maailmassa oli aikoinaan iso artikkeli tuosta golfpallon aerodynamiikasta.
Pikaisesti tarkistettuna numerossa 10/2003, sivu 26.

[Oki Koskinen]

Internetin ihmemaailmasta löytyi lyhyt ja tyhjentävä sivu golfpallon aerodynamiikasta.

http://wings.avkids.com/Book/Sports/instructor/golf-01.html


Kyse on siis pienemmästä vastuksesta joka johtuu virtauksen paremmin kiinni pysymisestä. Sekä pallon pyörimisliikkeestä johtuvan ylä ja alapinnan nopeuseroista, jolloin ylä pinnalla on suurempi nopeus ja näin ollen pienempi paine joka taasen aiheuttaa nostetta.

[Tepsu]

Niinpä, koska kuopilla aikaan saatava turbulenttinen rajakerros pitää ilman kauemmin pallon "taka" pinnalla kiinni, pienenee kokonaisvastus vaikka kitka kasvaakin.
Tämä johtuu vain staattisesta paineesta, joka on sama paikallaan olevan pallon joka puolella, mutta liikkuvan palljon jättö puolella suhteellisesti  sitä pienempi mitä aikaisemmin virtaus irtoaa.
Kun virtaus saadaan irtoamaan myöhemmin, on takana enemmän staattista "painetta" kumoamassa etu puolen staattista painetta. Dynaamisen paineen vastus säilyy "vakiona" kun otetaan huomioon vain muuttujat jotka mainitsin..

[Karoliina]

Itse asiassa kun noita aeromystiikan kirjoja olen lukenut viimeaikoina, niin selitys voisi olla muotoiltu myös näin:
- golf-pallon muoto on aerodynaamisesti epäideaalinen, ideaalinen olisi pisaran muotoinen sileäpintainen, mutta ei pallo.
Pallomuodolla on selvästi suurempi vastus kuin pisaralla koska peräpää ei suppene ideaalisesti vaan jyrkästi.
Mutta: kun pallon pintaa karhennetaan, niin vastus pienenee juuri yllä kuvatuista syistä,
ei tosin yhtä hyväksi kuin pisaran vastus, mutta paremmaksi kuin sileä pallo.

[Liisa]

Itse asiassa kun noita aeromystiikan kirjoja olen lukenut viimeaikoina, niin selitys voisi olla muotoiltu myös näin:
- golf-pallon muoto on aerodynaamisesti epäideaalinen, ideaalinen olisi pisaran muotoinen sileäpintainen, mutta ei pallo.
Pallomuodolla on selvästi suurempi vastus kuin pisaralla koska peräpää ei suppene ideaalisesti vaan jyrkästi.
Mutta: kun pallon pintaa karhennetaan, niin vastus pienenee juuri yllä kuvatuista syistä,
ei tosin yhtä hyväksi kuin pisaran vastus, mutta paremmaksi kuin sileä pallo.

Siinähän räimäset tiiltä pisan muotoista esinettä häntäluuhun.