Hoofdbanner

Aarde of lucht
Er is een verschil tussen een voortbewegen op aarde of in de lucht. Een auto of fiets gebruikt bij hogere snelheid meer energie per afgelegde kilometer. Bij een vogel of een vliegtuig is dit anders. Een lage snelheid vraagt juist veel energie, een erg hoge snelheid ook. Daartussen ligt een optimum, een snelheid waarbij zo weinig mogelijk energie wordt gebruikt. Deze snelheid heet de kruissnelheid.

Rolweerstand en luchtwrijving
Wanneer je loopt, fietst of auto rijdt, kost het een bepaalde hoeveelheid energie om vooruit te komen. Dit om de tegenwerkende krachten van rolweerstand en luchtwrijving te overwinnen. Bij lopen en fietsen haal je die energie uit je lichaam, bij autorijden uit de benzine die in de auto is gestopt.
Wanneer je je tempo opschroeft, kost dat per afgelegde meter meer energie. De luchtwrijving neemt heel snel toe, namelijk kwadratisch met de snelheid (de rolweerstand is onafhankelijk van de snelheid en blijft gelijk). Vijf kilometer hardlopen is daardoor heel wat vermoeiender dan vijf kilometer wandelen. Keihard fietsen houd je niet lang vol, een fietstocht van 50 km maken bij een snelheid van 15 km/h is voor iedereen een makkie. Een auto die 120 km/h rijdt gebruikt meer benzine (over eenzelfde traject) dan een auto die 80 km/h gaat. Dit spreekt voor zich.

Luchtwrijving en zwaartekracht
Maar, bij vliegen gaat bovenstaande niet op. Zowel vogels als vliegtuigen hebben een ideale snelheid waarbij ze zo weinig mogelijk energie gebruiken. Vliegt een vogel of vliegtuig langzamer, dan kost dat meer energie!
Dat klinkt raar, maar is goed te begrijpen wanneer je er rekening mee houdt dat een vogel (of vliegtuig) niet alleen vooruit moet komen, maar ook in de lucht moet blijven. Er is niet alleen sprake van luchtwrijving, maar er dient ook zwaartekracht overwonnen worden. Daar is een bepaalde kracht omhoog voor nodig, de zogenaamde liftkracht.

Liftkracht
Hoe ontstaat deze liftkracht? Daar heeft men lang onderzoek naar gedaan. De gebroeders Wright (ja, die van het eerste vliegtuig) gebruikten windtunnels met een vliegend vogeltje erin om hier achter te komen. Ze merkten dat de vleugels van het vogeltje aan de bovenkant gebold waren. Hierdoor legt de lucht aan de bovenkant van de vleugel een langere weg af dan de lucht aan de onderkant. Met als gevolg dat de luchtdruk boven minder is dan die beneden. Dit verschil in luchtdruk zorgt nu voor de kracht omhoog, de zogenaamde liftkracht.
Deze liftkracht wordt groter naarmate de snelheid toeneemt. Voor sneller vliegen is weliswaar meer spierkracht (brandstof) nodig, omdat de luchtwrijving immers groter wordt, maar de toename van de liftkracht is zoveel meer dat er bij elkaar toch weer minder energie gevraagd wordt. Tot een bepaalde waarde natuurlijk. Wil een vogel nog sneller vliegen, dan is de gevraagde spierkracht groter dan de meerwaarde van de liftkracht. Ergens in het midden zit de optimale snelheid, de kruissnelheid. 

Kruissnelheid
Deze kruissnelheid is voor iedere vogel (en vliegtuig) verschillend. Ze is afhankelijk van: 
-  gewicht
-  vleugeloppervlak
-  dichtheid van de lucht 

Uit de bovenste twee gegevens kun je de vleugelbelasting introduceren. Dit is het gewicht in newton dat per vierkante vleugelmeter in de lucht gehouden moet worden. Dus, vleugelbelasting is gewicht gedeeld door vleugeloppervlak.
Met een eenvoudige formule kun je nu de kruissnelheid voor elke type vogel of vliegtuig uitrekenen.

 v = √ (W/0,38 S)

waarbij de kruissnelheid in m/s is, W het gewicht in N en S het vleugeloppervlak in vierkante meters. Ik ben hier uitgegaan van de dichtheid van de lucht op zeeniveau. 

Kruissnelheden in de praktijk
Het blijkt dan dat de kruissnelheid van bijvoorbeeld een kokmeeuw zo'n 33 km/h is, van een spreeuw zo'n 40 km/h en van een gierzwaluw zo'n 28 km/h. Hé, denk je dan, maar een gierzwaluw vliegt toch veel sneller dan een spreeuw? Inderdaad, dat doet ie ook. Maar bovenstaande kruissnelheid is berekend bij een volledig uitvouwen van de vleugels. Om sneller te vliegen trekt de gierzwaluw zijn vleugels een beetje in, maakt zo zijn vleugeloppervlak kleiner en gaat om die reden sneller. Heel slim natuurlijk.
De kruissnelheid van de meeste verkeersvliegtuigen ligt zo rond de 900 km/h, van straaljagers rond de 2 mach (=  twee keer de geluidssnelheid, ongeveer 2400 km/h). 

Insecten
Het vreemde is dat bovenstaand verhaal niet opgaat voor insecten. Volgens de formule is hun gewicht in verhouding tot hun vleugeloppervlak te groot om in de lucht te blijven. Toch vliegen ze, dat kan iedereen constateren. Grote vraag, hoe doen ze dat?
Nog maar kort geleden kwam Jane Wang van de Cornell University in de VS erachter dat insecten (naast het op en neer bewegen) de vleugels nog een draaiing in de vorm van het getal 8 meegeven. Deze rotatiebeweging van de vleugels zorgt voor wervelingen van de omringende lucht die precies de extra liftkracht leveren die ze nodig hebben om niet omlaag te vallen. Waaruit maar weer eens blijkt hoe ingenieus insecten zijn.

Complex
Hoe complex die wervelingen en de veroorzaakte luchtstromingen zijn, kun je zien bij het naar beneden vallen van een blad van een boom. Het blad dwarrelt werkelijk alle kanten op, maakt slagzij, gaat langzamer, opeens weer sneller etc. Insecten maken door het maken van die 8-vorm zodanig gebruik van de ontstane luchtstromingen dat ze steeds min of meer "omhoog gewerveld" worden.

Toepassing
Deze inzichten worden tegenwoordig ook  praktisch toegepast. Er zijn experimentele minivliegtuigjes gemaakt die zich op eenzelfde rotatieprincipe voortbewegen. Met als voordeel dat ze ook op één plek in de lucht kunnen blijven hangen.
Een interessante nieuwe tak van wetenschap.


Bronnen:

Henk Tennekes - De wetten van de vliegkunst
Rob van den Berg - Een 8 voor vliegen - hoe de libel in de lucht blijft (NRC, 26 aug. 2000)

 

  • 0 # Rob Jakobs 13-feb-2020 @17:54
    Dat de werking van een vliegtuigvleugel is gebaseerd op de kromming van de bovenzijde van de vleugel, waardoor de lucht langs die weg een grotere snelheid zou hebben (langere weg in ongeveer dezelfde tijd), is een zeer veel gehoorde verklaring, maar is onjuist! Hoe kan een vliegtuig dan nl ondersteboven vliegen (zoals tijdens vliegshows)? Door de stand van de vleugel worden de aankomende luchtdeeltjes naar beneden afgebogen, zij krijgen een neerwaartse impuls waaruit een kracht omhoog ontstaat (Newton wet nr 3). Er is een filmpje op youtube waarin een Britse hoogleraar dat haarfijn uitlegt, alleen... dat filmpje kan ik even niet vinden voor je...
    Groeten uit Hongarije!
    Antwoorden | Antwoorden met citaat | Citeer
    0 # Fred 14-feb-2020 @09:31
    Ha Rob uit Hongarije. Ik heb even gezocht en kwam uit op een officieel filmpje van KLM. Zie: https://blog.klm.com/nl/hoe-vliegt-een-vliegtuig
    Daarin wordt toch degelijk beweerd dat de wet van Bernouilli (ons allen bekend) voor een lagere druk boven de vliegtuigvleugel zorgt dan eronder. Dit onder andere door het niet genoemde Coanda effect (die er voor zorgt dat de langsstromende lucht als het ware aan het vleugeloppervlak 'geplakt' blijft). Met als gevolg een liftkracht omhoog. Zouden zij het fout hebben?
    Ondersteboven vliegen: ik weet niet of een verkeersvliegtuig dat zou kunnen. Een verkeersvliegtuig kan wel dalen, dus in theorie ook ondersteboven omhoog komen. Lijkt mij.
    Antwoorden | Antwoorden met citaat | Citeer