Vinge

Vingers formål er at få et dyr eller et luftfartøj, som har en middelmassefylde, der er større end luft, til at eller svæveflyve ved at tilvejebringe den fornødne opdrift.

Svæveflyvende måge.

Vingeudformninger: Et pilvinget KC-10 Extender fra , Californien, fylder brændstof på et deltavinget F-22 Raptor-fly.

For alternative betydninger, se Vinge (flertydig). (Se også artikler, som begynder med Vinge)

Nogle vingers formål er at flytte luft; propeller. Andre vingers formål er at kunne hente mekanisk energi ud af passerende luft – f.eks. møllevinger.

Eksempler på dyr og ting som anvender vinger

En vinge er enten en legemsdel på dyr eller en del af mange menneskeskabte luftfartøjer.

Af dyr med vinger er der de fleste fugle (flyvning udviklet for ca. 150 millioner år siden), mange insekter (ca. 300 millioner år siden), nogle krybdyr (ca. 225 millioner år siden – inkl. de uddøde flyveøgler), den svævende flyvefisk og nogle få pattedyr; flagermus (ca. 55 millioner år siden).

Menneskeskabte vinger er en del af den ydre udformning af f.eks. boomeranger, frisbees, flyvemaskiner, vinddreven bil, svævefly, helikoptere, ornitopterere, legetøjsdrager, dragefly, papirfly og nogle rumfærger.

Sejlet på en sejlbåd er også en vinge, som er monteret lodret.

På visse er der monteret små vinger på en sådan måde, at bilens dæk ved større hastigheder presses mod jorden. Formålet er her, at bilen bibeholder sit vejgreb, så racerkøreren kan følge vejens kurver ved højere hastigheder.

Artikelfokusering

Dyrenes anvendelse af nogle vingemanøvrer og lufthvirvel-dannelser er ret kompliceret og selv i dag (2005) ikke helt forstået, men man er kommet langt. Med den teori man kendte i flyvningens barndom omkring 1930'erne, kunne man f.eks. ikke forklare hvordan en humlebi kunne lette og flyve. Først fornylig (ca. 1994-1999) har humlebien videnskabeligt lige akkurat kunnet lette – og sommerfugles og svirrefluers flyvning er ved at blive udforsket.

Selv kunstige hurtigt formbare vinger på f.eks. ornitoptere er svære at styre og svære at forklare, derfor vil resten af denne artikel omhandle vinger som evt. kan ændre sig, men kun langsomt i forhold til den omgivende luftstrøm. Med mindre andet er angivet, skal vingerne i det følgende opfattes som siddende på flyvemaskiner eller svævefly, og vingen bliver mødt af en ikke-turbulent luftstrøm.

Primært om menneskeskabte vinger

Dynamisk opdrift – vingens formål

For at tjene sit formål, dynamisk opdrift, kræver enhver vinge at blive passeret af en strøm af luft. I en vandret luftstrøm skal for at kunne give opdrift være i et bestemt vinkelinterval oppe mod luftstrømmen og indenfor et vist fartinterval. For lidt fart giver for lidt opdrift, for meget gør enten vingen ineffektiv eller beskadiger den. Og hvis den såkaldte indfaldsvinkel, dvs. vinklen mellem vingens plan og luftstrømmen, overskrider ca. 18 grader, bliver luftstrømmen turbulent – vingen siges at stalle, og i den tilstand leverer den ingen eller kun lidt dynamisk opdrift.

Vingen selv har også et kvalitetsmål, nemlig opdrift-til-luftmodstands-forholdet (eng. lift-to-drag ratio, L/D-forholdet), som afhænger af luftstrømmens indfaldsvinkel og hastighed. Når de bedste vinger benyttes optimalt, kan de have et L/D-forhold på op til 60.

Flyvemaskinens ønskede vingeegenskaber varierer med om flyet skal lette, lande og "bare" flyve vandret:

• Når flyet skal lette, har flyet lav fart i forhold til luften, hvilket gør at vingen skal have så stor dynamisk opdrift som muligt også selv om vingen evt. dermed yder større luftmodstand. Når flyet skal lette, er det som regel også tungest, da brændstoftankene normalt er fyldt op. Ydermere ønsker man at flyet skal kunne lette på så kort afstand som muligt. Dette betyder at fremdriften skal være relativt stor.
• Når flyet skal lande, skal det kunne bremse sin hastighed på kortest mulig afstand. Efter at hjulene har ramt landingsbanen, skal vingerne og motorerne bremse flyet så meget som ønsket. Dele af vingernes profil modificeres med flader, som giver stor turbulens og dermed virker bremsende.
• Når flyet flyver stort set vandret, ønsker man at flyet er komfortabelt, flyver så hurtigt som muligt og så økonomisk som muligt.

For at en vinge kan tilpasse sig til ovenstående tre ønskede anvendelser, kan vinger udstyres med mange forskellige indretninger.

• Flaps en smule nede, næsten i neutral position anvendes under start, men bliver trukket op få minutter efter start. Bemærk at den justerbare vingeflade næsten for enden af vingen ikke er en flap, men er et krængeror.
• Fuld flaps anvendes når flyet skal lande. Fra flyet lander ved relativ høj fart og er kommet ned i "taxi-fart", kan flapsene justeres gradvist mere og mere mod neutral position.
• Fuld flaps, med luftbremser og spoilers "Spoilers" bruges efter flyets landingsstel har ramt jorden. "Flaps" og "spoilers" arbejder sammen for at bremse flyet ned, efter hjulene har ramt jorden.

Vingebeskrivelsestermer

• : Forkanten af vingen.
• : Bagkanten af vingen.
• , vingefang: Afstanden fra vingespids til vingespids.
• : Afstanden fra vingeforkant til bagkant, normalt målt parallelt med flykroppen.
• (AR): Forholdet mellem vingens spændvidde og middelstandardkorden.
• : En vinges ydre tværsnitsform parallelt med flykroppen.
• : Vinklen mellem de to vingehalvdeles centerlinjer set ovenfra eller nedenfra.
• : Gradvis ændring af vingeprofilen som funktion af afstanden fra vingehalvdelenes fælles center.

Vingeegenskaber

Billede der viser placeringen af og aktiverede vingeforkants slats og bagkantsflaps på en Airbus A310.

Flyvinger kan have følgende egenskaber:

• En afrundet forkant. Forkanten er sjældent udformet skarp.
• En skarp bagkant.
• Forkantsudstyr som f.eks. , slots eller .
• Bagkantsudstyr som f.eks. flaps.
• Krængeror (normalt nær vingespidsernes bagkant) til at lave krængning.
• på vingens øverste overflade for at ødelægge opdriften og evt. til rullekontrol.
• til at hindre luftstrømsseparation.

En landende Lufthansa Airbus A300B4-600's vinge. Læg mærke til at vingebagkantens flaps er godt bøjet ned - og vingeforkantens slats.

• til at holde luftstrømmen nær vingen.
• eller det at have en positiv vingevinkel i forhold til vandret (set forfra). Dette gør at flyet stabilt og automatisk retter op og flyver ligeud ved neutral højde- og sideror – og øger stabiliteten under rulning. eller en negativ vingevinkel i forhold til vandret, har en destabiliserende effekt.
• tillader at flere fly kan stuves sammen i hangarer eller hangarskibe.
• Winglets – små opadgående, aerodynamiske finner, der sidder for enden af hovedvingen.

Vingevidenskab

Videnskaben om hvordan en vinge virker i detaljer, er kompliceret og forklares ved anvendelse af fysikgrenen aerodynamik.

Faste vinger

Vingerne på fly med eller uden motorkraft, samt på dyr der praktiserer svæveflyvning, leverer dynamisk opdrift på følgende måde:

• Vinger og evt. andre dele af flyet genererer dynamisk opdrift, fordi de ændrer luftstrømmens retning og/eller hastighed og skyldes Newtons anden lov: F=m*a, hvor F er kraft, m er massen af den påvirkede luftpakke og a er accelerationen; hastighedsændringen af luftpakken. Når summen af alle vingens (og resten af flyets) påvirkninger af luftpakkerne tilsammen giver en nedadrettet kraft, vil flyet som konsekvens blive påvirket af en tilsvarende opadrettet kraft – opdriften (Newtons tredje lov). Kraft og acceleration skal regnes som vektorer, da deres retning i tre dimensioner er vigtig. Dette er den rigtige årsag til at vinger genererer opdrift i strømmende luft.

Faktisk er det sådan, at en vinges overside normalt genererer mere dynamisk opdrift, end vingens underside.

Grundet tryk-"kortslutning" af en vinges underside og overside ved hver vingespids, vil den største opdrift normalt ske 1/3 ude ad vingen fra flykroppen. Både Newtons lov og Bernoullis princip kan anvendes, men de er to forskellige, men lige sande måder at modellere dynamisk opdrift på.

Der findes flere ukorrekte udbredte forklaringer på, hvordan vinger fungerer.

Vinger med er normalt bedre end symmetriske (inkl. flade) vingeprofiler, fordi de asymmetriske vingeprofiler kan klare større luftstrømsindfaldsvinkler end symmetriske. Den symmetriske vingeprofil begynder at have ringere dynamisk opdrift end den asymmetriske vingeprofil ved indfaldsvinkler over ca. 12 grader. Ved små indfaldsvinkler mindre end ca. 3 grader er symmetriske vingeprofiler bedre end asymmetriske vingeprofiler. Aktiverede flaps ændrer faktisk vingeprofilen, så den bliver mere asymmetrisk.

Bevægelige vinger

Flyvende dyr som f.eks. mange fugle og insekter skaber den fornødne fremdrift ved at bevæge deres vinger sådan at de skaber ikke blot opdrift, men også fremdrift. Disse gentagne bevægelser kan minde om diverse former for svømning i forskellige tempi, og jo mindre et flyvende dyr er, desto "tættere" og mere "væskeagtig" forekommer luftens aerodynamiske egenskaber for dyret.

Princippet med at bevægelige vinger leverer både op- og fremdrift kan lade sig gøre for fugle og mekaniske modeller i størrelsesordenen et par meter, og er derfor ikke anvendeligt til flyvemaskiner, der skal bemandes af mennesker. Det skyldes, at vi ikke (pr. 2023) kan styre vingerne så effektivt og præcist, som et insekt kan.

Kilder/referencer

1. 27 March 2009, BBC News: Wind-powered car breaks record Citat: "...Richard Jenkins reached 126.1mph (202.9km/h) in his Greenbird car...The designers describe it as a "very high performance sailboat" but one that uses a solid wing, rather than a sail, to generate movement...the designers have added small wings to "stick" the car to the ground, in the same way Formula 1 cars do..."
2. Cornell News: Insect aerodynamics: Bumblebees finally cleared for takeoff: Insect flight obeys aerodynamic rules, Cornell physicist proves Citat: "..."Rapid oscillations pose one of the most difficult questions for fluid dynamics," Wang said. "Things become very messy."..."
3. July 2, 1999, The Chronicle: Research & Publishing: A Berkeley Professor Uses Robotic Wings to Explain How Insects Fly Citat: "...delayed stall would provide an insect with only enough lift to prevent it from falling to the ground..."
4. June 28, 1999, Science & Technology at Scientific American.com: Fly Like a Fly Citat: "...wing curvature seems to play almost no role in insect flight; the wings are surprisingly rigid and flat, Dickinson notes... the hover fly, appears to use delayed stall very little, but makes great use of rotation circulation and wake capture..."
5. February 12/19, 2003, trnmag: Butterflies offer lessons for robots Citat: "...Free-flying butterflies "use all of the known mechanisms to enhance lift -- wake capture, leading-edge vortex, clap and fling, and active and inactive upstrokes -- as well as two mechanisms that had not been postulated, the leading-edge vortex during the upstrokes and the double leading-edge vortex," said Srygley..."
6. NASA, Glenn Research Center: Lift from Flow Turning Arkiveret 5. juli 2011 hos Wayback Machine; hovedadresse: NASA, Glenn Research Center: What is Lift? Arkiveret 9. marts 2009 hos Wayback Machine
7. David Anderson and Scott Eberhardt, McGraw-Hill "A Physical Description of Lift". 2001. ISBN 0-07-136377-7. {{cite web}}: Tjek |url= (hjælp)
8. How Airplanes Fly: A Physical Description of Lift. Level 3 Arkiveret 26. januar 2016 hos Wayback Machine; hovedadresse: Aeronautics Learning Laboratory for Science Technology, and Research (ALLSTAR) Network Arkiveret 28. august 2007 hos Wayback Machine
9. av8n.com: Airfoils and Airflow Citat: "...you can pretty much forget about the individual particles, since the relevant information is well summarized by the macroscopic properties of the fluid. This is called the hydrodynamic approximation..."
10. "NASA, Glenn Research Center. Et stykke nede: Citat: "...the upper surface contributes more flow turning than the lower surface..."". Arkiveret fra originalen 20. december 2005. Hentet 26. december 2005.
11. Webarchive backup: visuel opdriftsfordeling
12. "NASA-billede der både viser at luften rettes nedefter efter flypassage og viser lufthvirvlerne ved vingespidserne". Arkiveret fra originalen 17. januar 2006. Hentet 27. december 2005.
13. University of Genoa Faculty of Engineering Hydraulic Institute: Gallery Citat: "...Trailing vortices and downwash phenomenon of an aircraft in flight are seen clearly in this figure..."
14. efluids image gallery: Trailing Vortices
15. NASA, Glenn Research Center: Bernoulli and Newton Arkiveret 7. februar 2006 hos Wayback Machine Citat: "...The integrated velocity variation around the object produces a net turning of the gas flow. From Newton's third law of motion, a turning action of the flow will result in a re-action (aerodynamic force) on the object. So both "Bernoulli" and "Newton" are correct. Integrating the effects of either the pressure or the velocity determines the aerodynamic force on an object..."
16. "NASA, Glenn Research Center: Incorrect Theory #1: "Longer Path" og "Equal transit" Theory". Arkiveret fra originalen 26. maj 2012. Hentet 26. december 2005.
17. "NASA, Glenn Research Center: Incorrect Theory #2: "Skipping stone" theory". Arkiveret fra originalen 20. december 2005. Hentet 26. december 2005.
18. "NASA, Glenn Research Center: Incorrect Theory #3: "Venturi" Theory". Arkiveret fra originalen 17. juli 2012. Hentet 26. december 2005.
19. av8n.com: Airfoils and Airflow Citat: "...You may have heard stories that try to use the Coanda effect or the teaspoon effect to explain how wings produce lift. These stories are completely fallacious, as discussed in section 18.4.4 and section 18.4.3...There are dozens of other fallacies besides..."
20. av8n.com: Airfoils and Airflow Citat: "...at high angles of attack, a cambered airfoil works better than the corresponding symmetric airfoil [her inkl. en flad vinge]..."
21. av8n.com: Airfoils and Airflow (Ch. 3 of See How It Flies): Figure 3.14: Camber Fends Off The Stall

Se også

• Variabel pilgeometri
• Canardvinge
• Deltavinge
• Ror

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commons har medier relateret til: Vinge

• http://www.lerc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/foil2.html Arkiveret 3. april 2005 hos Wayback Machine – Her findes en "vinge-simulator", hvor man kan udforme forskellige vingeprofiler og undersøge deres egenskaber