Nostovoima

Yksinkertaistettuna nostovoima syntyy paine-eroista, kun siiven yläpinnalle muodostuu alipaine ja siiven alapinnalle ylipaine. Siiven yläpinnalla oleva alipaine muodostaa yleensä merkittävimmän osan koko nostovoimasta. Paine ei ole tasainen siiven pinnalla, vaan se on suurimmillaan siiven etureunassa ja pienenee siirryttäessä takareunaa kohti. Nostovoiman suuruus on painejakauma kerrottuna siiven tehollisella pinta-alalla eli ${\displaystyle F=p\,A}$.

Ilman viskositeetti ja siivenpinnan kitka aiheuttavat rajakerroksen siivenpinnan läheisyyteen. Rajakerroksessa ilman virtauksen nopeus aivan siiven pinnalla on nolla, ja mentäessä kauemmas siivestä nopeus kasvaa vapaan virtauksen nopeuteen.

Nostovoiman suuruuteen vaikutetaan vapaan ilmavirtauksen ja siipiprofiilin kohtauskulman muuttamisella. Mikäli kohtauskulmaa ei ole, symmetrisen profiilin molemmilla puolilla vallitsee yhtä suuri paine jolloin nostovoima on nolla. Kohtauskulmaa kasvattamalla siiven yläpinnalle alkaa muodostua alipainetta ja alapinnalle ylipainetta, jolloin nostovoima kasvaa. Kun kohtauskulmaa kasvatetaan tietyn rajan yli, virtaus alkaa irrota (yleensä takareunalta lähtien, joskin muitakin sakkaustyyppejä on). Kohtauskulmaa edelleen kasvatettaessa, ilmiö siirtyy lähemmäs siipiprofiilin johtoreunaa. Vaikka virtaus ei enää ole kiinni koko siiven pinta-alalla, saadaan nostovoiman arvoa edelleen kasvatettua.

Sakkaukseksi kutsutaan ilmiötä, jossa ilmavirtaus irtoaa siiven pinnalta ja osa nostovoimasta menetetään.[1] Sakkaus lisää aina huomattavasti vastusta josta käytännössä yleensä seuraa lentonopeuden aleneminen. Pääosa menetetystä nostovoimasta on seurausta tästä. Sakkauksen torjuminen edellyttää kohtauskulman pienentämistä. Sakkaus saattaa tulla äkillisenä, sillä sitä edeltää yleensä tilanne, jolloin nostovoima on ollut suurimmillaan. Lentokoneella tai virtauskoneella sakkaustilanteesta pyritään aina mahdollisimman nopeasti pois, joskin lentokoneet käyttävät ilmiötä hyväkseen laskeutumisen yhteydessä tavoitteena nopea ja pehmeä nopeuden hidastaminen.

Nostovoiman suuruuteen vaikuttavia seikkoja ovat ilmavirran nopeus (ilma-aluksen tai potkurin lavan nopeus), ilman tiheys (lämpötila ja staattinen paine), siipipinta-ala, siiven ja ilmavirran välinen kohtauskulma, lentoasu ja siiven puhtaus (lika, jää ja vesi). Siipiprofiileille on laadittu taulukoita, joilla profiilien nosto- ja vastusvoimia voida verrata toisiinsa eri olosuhteissa. Taulukoissa voimat on laskettu nostovoima- ja vastusvoimakertoimiksi suhteessa vapaan ilman nopeuteen, jolloin nostovoiman laskeminen on huomattavasti helpompaa.

Nostovoiman yleinen yhtälö nostovoimakertoimen avulla on

${\displaystyle F_{L}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}S\,C_{L}}$, missä

• ${\displaystyle F_{L}}$ on nostovoima
• ${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho v^{2}}$ on vapaan ilmavirtauksen dynaaminen paine
  • ${\displaystyle \rho }$ on ilman tiheys
  • ${\displaystyle v}$ on ilmavirtauksen nopeus
• ${\displaystyle S}$ on siiven pinta-ala
• ${\displaystyle C_{L}}$ on nostovoimakerroin, joka riippuu mm. kohtauskulmasta ja lentoasusta

Lentokoneen täytyy liikkuessaan voittaa sen liikettä vastustavat voimat eli vastukset. Lentokoneen osalta kokonaisvastus jaetaan haitalliseen vastukseen ja indusoituun vastukseen. Haitallinen vastus taas jaetaan interferenssi- ja profiilivastukseen, joka taas jaetaan kitka- ja painevastukseen.

Nostovoiman (L) ja kokonaisvastuksen (D) suhteen maksimiarvo (L/D)max parhailla siipiprofiileilla on noin sata ja sillä on merkitystä lentokoneen suoritusarvolaskennassa. Vaakalennossa L on koneen painon suuruinen, joten (L/D)max ilmoittaa minimivastuksen määrän. Tällä tiettyä kohtauskulmaa vastaavalla nopeudella lentokone liitää pisimmän matkan moottori sammuneena (liitosuhde). Lisäksi lentokoneella pisin toiminta-aika ja -matka saavutetaan tällä nopeudella. Lentäjä voi siis vaikuttaa koneen kohtauskulmaan ja sitä kautta koneen nopeuteen, vaikka moottorit olisivat pysähtyneet.

Lentokoneiden massojen kasvaminen johdatti laskusiivekkeiden ja solakoiden kehittämiseen, jotta lentoonlähtö- ja laskeutumisnopeuksia voitiin pienentää maksiminopeuden kärsimättä.

• Ilmailutoimittajat: Nostovoiman synty (Arkistoitu – Internet Archive)