כוח העילוי

עילוי הוא סך כל הכוחות האווירודינמים הפועלים על גוף הנמצא בתנועה ביחס לזורם (גז, נוזל) בו הוא שרוי, ומאונכים לכיוון תנועתו. העילוי מאפשר בין היתר לגופים כבדים מן האוויר לעוף. ישנם מספר הסברים לקיומו של כוח העילוי, והסברים אלה בדרך כלל מציגים פנים שונות של אותם עקרונות פיזיקליים בסיסיים.

כוח העילוי נובע מהפרש הלחצים המופעלים על הגוף הנתון. קיימת נוסחה הקובעת כי סכום הלחצים הדינמיים והסטאטיים באזור מסוים מסתכם לקבוע. נוסחה זו מתאמתת על פי עקרון ברנולי.

הלחץ הסטאטי מופנה לכל הכיוונים במרחב, ובכלל זה כלפי מעלה. לעומת זאת, הלחץ דינמי אינו איזוטרופי וכיוונו תלוי בכיוון התנועה ביחס לזורם.

כתוצאה מהפרשי המהירויות של האוויר (או של כל חומר אחר בו נע הגוף הנתון) מעל למשטח האווירודינמי, ובהשוואה למהירות התנועה שמתחת למשטח האווירודינמי, עולה הלחץ הדינמי על חשבון ירידה בלחץ הסטטי בחלק העליון של פרופיל הגוף הנע, וכל זאת בהשוואה לחלק התחתון של פרופיל הגוף הנע.

התוצאה של תהליך זה מביאה להפרש משמעותי בין הלחץ הסטאטי מעל הפרופיל לבין הלחץ הסטאטי מתחת לפרופיל הגוף הנע, והפרש זה הוא הגורם העיקרי ליצירת כוח העילוי.

הסיבה להפעלת כוח העילוי כלפי מעלה מוסברת בכיוון פעולתו של הלחץ הסטאטי, וכיוון שזה האחרון פועל אף כלפי מעלה, וכפי שהוסבר, גדול הלחץ הסטאטי שמתחת לפרופיל מזה שמעליו, נוצר הכוח המעלה את הגוף הנתון.

הדוגמה לכוח העילוי היא עפיפון הקשור לחוט, שבאמצעותו, ובאמצעות הרוח הפועלת על העפיפון – עולה לאויר. במקרה זה סכום הכוחות הפועלים על העפיפון מסתכמים מחלוקה אופקית ואנכית של כוחות הרוח הפועלים לדחיפת העפיפון כלפי מעלה, ולעומתם – כוחות החוט, שאף הם מחולקים לחלק האופקי ולחלק האנכי הפועל על העפיפון. בסיכומם של הכוחות הפועלים על העפיפון מאזנים הכוחות האופקיים אלה את אלה, ואילו סיכום הכוחות האנכיים מביא לעילוי העפיפון.

דוגמה נוספת של סכימת הכוחות הפועלים על גוף הכבד מן האוויר היא יכולת העילוי של כדור פורח. במקרה של כדור פורח אין שום צורך בתנועה ובזרימה של אויר סביבו, ובכל זאת מופעל כוח עילוי הגורם להתרוממותו מן הקרקע. מקורו של כוח העילוי הפועל על כדור פורח נובע מהפרש הלחצים בין סביבתו החיצונית של הכדור לבין הלחץ בתוך הכדור. תופעה זו מקורה בחימום האוויר בכדור הפורח.

אחים רייט

האחים אורוויל (19 באוגוסט 1871 – 30 בינואר 1948) ווילבור (16 באפריל 1867 – 30 במאי 1912) רייט (Wright) היו הראשונים שהצליחו לבנות ולהטיס מטוס שמיש, בעל מנוע, יכולת בקרה ויכולת להטיס בן-אדם בתוכו. כמו כן הם תרמו רבות להבנת האמצעים הדרושים למטוס ולהתפתחות הטכנולוגיה הנוגעת בתעופה.

פיתוחם של האחים רייט התבסס על מסקנות מניסיונות שקדמו להם. עד מהרה הבינו האחים מה היו השגיאות של הממציאים הקודמים. דוגמה בולטת לכך הייתה בעיית שיווי המשקל, שגרמה למטוסים האחרים להיות בלתי יציביים ובעלי נטייה להתהפכות. למשל, במטוסו של הממציא הגרמני אוטו לילינטל לא היה שיכלול זה ופגם זה עלה לו בחייו. הפתרון היה, שבזמן הטיסה כשזרם אוויר דוחף כנף אחת מעלה, אותו כח צריך לפעול גם על הכנף השנייה כדי שהמטוס יתיישר והכנף הראשונה תרד בחזרה.

בשנת 1899 היה מוכן “העפיפון” הראשון שלהם. הדגם היה דו-כנפי שנשלט מהקרקע על ידי שני מוטות היגוי שחוברו בכבלים אל הכנפיים ואל ההגאים האחוריים. תכנון המטוס כך שישלט מהקרקע נבע מחשש לשלום הטייס. לפני ביצוע הטיסה המאוישת הראשונה בוצעו טיסות ניסוי לא מאוישות. בניסויים אלו התברר שכנפי המטוס לא יצרו עילוי כמצופה. כדי לאפשר ניסויים בדגמים מוקטנים בנו השניים מנהרת רוח שבתוכה הונחו על מאזניים כנפיים מדגמים שונים. במנהרה נשבה רוח שנוצרה על ידי מאוורר במהירות 60-400 קילומטר בשעה. בעזרת מכשיר זה בחנו האחים דגמי כנפיים שונים, בחרו את פרופיל הכנף שיצר את מירב העילוי ובנו אותו בגודל מלא.

את טיסתם הראשונה ביצעו האחים בדיונות של קיטי הוק, צפון קרוליינה ב-17 בדצמבר 1903. טיסה ראשונה זו בוצעה בידי אורוויל, הצעיר מבין השניים. הוא שהה באוויר 12 שניות, טס למרחק 39 מטר והגיע לגובה של שלושה מטרים. בטיסה הרביעית, והאחרונה באותו היום, וילבור הצליח לשהות באוויר במשך 59 שניות וטס למרחק 279 מטר בגובה של שלושה מטרים. טיסה זו הייתה למעשה הראשונה בה המטוס נשלט והוטס על פי רצונו של הטייס.

המטוס ששימש לאותה טיסה נקרא Flyer I. המטוס שקל 340 ק”ג, מוטת כנפיו הייתה 13 מטרים והוא הונע באמצעות מנוע שהפיק 12 כוחות סוס.

מיבנה המטוס

מבנה המטוס(אנ’) (מונח שאינו מתייחס למערכת ההנעה) באופן כללי ניתן לחלוקה למספר מערכות:

• גוף המטוס(אנ’) – המכיל את אנשי הצוות, המטען, הדלק, הנוסעים והמערכת האוויונית של המטוס.

• כנפיים – המספקות את עיקר העילוי. כיום הדלק נמצא בגחון. לעתים המנועים נישאים עליהם ובמטוסי קרב נישא עליהן גם רוב החימוש.

ערך מורחב – כנף (תעופה)

• מערכת היגוי – כוללת לרוב הגה גובה (שולט על התנועה במישור העלרוד), הגה כיוון (סבסוב) ומאזנות (גלגול).

ערך מורחב – מערכת בקרת טיסה

• כני נסע – אלו הן המערכות הנושאות את המטוס בעודו על הקרקע, מכילות את הגלגלים ומשמשות לבלימת זעזועים בנחיתה.

ערך מורחב – כן נסע

• מנוע – המספק את הכח להנעת המטוס ולעתים גם ליצירת עילוי. במטוסים קלים נפוץ השימוש במנועי בוכנה, מטוסים כבדים יותר או מטוסים צבאיים משתמשים לרוב במנועי סילון

  .

עקרונות הטיסה

על המטוס פועלים ארבעה כוחות:

• גרר – התנגדות האוויר למעבר גוף כלי הטיס דרכו, בכיוון המנוגד לכיוון תנועת הכלי.

• דחף – תגובת האוויר לפעולת מנוע המטוס. פעולת המנוע גורמת לדחיפת האוויר לאחור (באמצעות להבי מדחף או יניקה באמצעות מניפה במטוס סילון), ובתגובה, כלי הטיס נדחף קדימה.

• כח המשיכה או כבידה – פעולת כדור הארץ על כלי הטיס כלפי מטה, בכיוון מרכזו.

• עילוי – כוח המתפתח בעיקר על כנפיו של כלי הטיס, בשל מבנן המיוחד. מבנה זה גורם להפרש לחצים בין המשטחים התחתונים של הכנפיים לבין משטחיהם העליונים, וכתוצאה מכך, לכוח כלפי מע