Onderwerp: How Sails Work

JotM schreef :
Weet het niet, maar Gentry heeft vooral gesimuleerd (nog analoog!) en geredeneerd.
Hij zal het vast beredeneerd hebben, maar voor zijn artikelen (over lift in lucht) was het niet relevant.

Kan ook.
Na de redenatie zoals uiteen gezet in dit filmpje en dit filmpje kies ik er zelf iig voor de juistheid van de tweede wet van Newton niet in twijfel te trekken, dat maakt mijn leven een stuk makkelijker. Wat dus betekent dat het afbuigen van een stroomlijn lift oplevert.
En dan laat ik de wijze waarop dat afbuigen van die stroomlijn dan tot stand moet komen ihkv de Snickers-redenatie voor wat het is.

Volgens mij praten we over twee vormen van lift.

Stel je voor. Er ligt een boek op een tafel. Daarnaast zweeft een drone met een boek er onder.

Beide boeken verkeren in evenwicht. Ze zijn op de zelfde plaats. Het verschil is dat de drone "arbeid" levert (ik refereer hier even naar je brugklasboek natuurkunde)


Een vleugelprofiel met 0 graden angle of attack werkt zoals het boek op de tafel. Zie de lucht erlangs als twee autootjes.

De één rijdt op een vlakke weg. De ander rijdt een heuveltje over. Het oprijden van de heuvel kost net zo veel energie als er vrijkomt bij het afrijden. Autootje 2 doet er iets langer over, maar netto hebben de autootjes daarna de zelfde snelheid en richting. Er is geen energie in gestopt en geen energie verloren. Er is geen "arbeid" verricht.

Viscositeit zorgt voor een drukverandering met de snelheid, het venturi-effect. Dat zorgt er voor dat het vleugelprofiel lift krijgt, maar lift krijgt in lucht, maar niet in vloeibaar Helium.

Daarnaast komt de lift van het afbuigen, zoals Lamavare al simpel illustreert. Dat is, als systeem gezien niets meer of minder dan actie is reactie. Een vleugelprofiel met een angle of attack heeft lift door de bovengenoemde drukverschillen, maar ook extra lift omdat het de lucht afbuigt. Dat systeem levert wél "arbeid". Net zoals de drone. Die gooit aan de onderzijde lucht met hoge snelheid naar beneden om een evenredige reactiekracht naar boven te krijgen.

boarderbas schreef :
Klinkt aannemelijk, de aanstromende lucht heeft een massa van ca 1100 gram/m3
Als dat met 20 kts, 10 m/s, aankomt dan dreunt er elke seconde per m2 zeil 10m3 lucht tegen het zeil (70m2 aan de wind), in totaal per seconde 770 kg , onder een hoek natuurlijk en dus een stuk kleiner, maar toch.... Dat zal vast wel een reactie veroorzaken

Een andere vraag over lucht-gedrag:
elke keer dat ik met mijn lege AH-tas over straat loop om boodschappen te doen en het waait, dan gaat die tas haaks op de aanstromende wind staan, ongeacht hoe ik hem vasthoud.
Hij zoekt de positie van maximale weerstand.... wat zeggen Newton en de Thermodynamica-wetten daarover, dan zal ik dat aan die tas uitleggen, want het is erg hinderlijk.

Ik zou die tas even in vieren opvouwen, dan stopt hij daarmee...
Geen idee of Newton daar al ideeen over had: ik denk dat hij geen AH tassen had.

boarderbas schreef :
De drone levert arbeid aan het versnellen van een luchtstroom; noch kinetische, noch potentiële energie van de drone nemen toe. En dat is m.i. toch heel wat anders dan waar de discussie over gaat.

Een Venturi-buis is een voorbeeld van het toepassen van de wet van Bernoulli, die *juist* in een wrijvingsloos fluïdum geldt.

Beauty,

Aan lij ontstaat een zekere onderdruk, die de lucht de bocht om dwingt,
Lagere druk bij gelijk gewicht aan lucht geeft een groter volume en daarvan is weer het gevolg dat de stroomsnelheid groter is/moet zijn om bij het achterlijk van het zeil weer precies een gelijke druk te hebben met de stroom die aan de loefkant passeert.

Je kunt op de plaatjes ook precies zien dat in de voorste 30% van het zeil zo´n 60% van de energie wordt geproduceerd. Om die reden is een zo lang mogelijk voorlijk van belang.
Het achterste deel dient grotendeels voor druk vereffening om geen "omkrullende" luchtstroom te krijgen.

Apae,

Het gewicht van de omgebogen luchtstroom geeft een centrifugaalkracht, die verdeel je in een richting die je boot voortstuwt en één die de boot laat hellen.
Zeilers gebruiken de voortstuwende kracht om vooruit te gaan, vliegtuigen nemen de andere kracht om boven te blijven.
Een wezenlijk verschil in benutting van dezelfde bron.
Daarom kun je zeilen ook niet zonder meer met vliegtuigvleugels vergelijken.
Vliegtuigen HEBBEN aandrijving, een (straal)motor, of bij zweefvliegtuigen, de zwaartekracht.

Het (soortelijk) gewicht van de stof is ook nogal van belang.
Wanneer ik over een bepaalde lengte kwik 5º wordt omgebogen is dat heel wat meer energie dan waterstof of helium.

Vloeibare helium heeft een nogal lage temperatuur.
Mogelijk verdampt het in de onderdruk die aan lij ontstaat en vult op die manier het drukverschil op?

JotM schreef :
Het ontgaat je denk ik of ik ben niet duidelijk. Ik stel JUIST dat er energetisch evenwicht is, waarbij in het ene geval arbeid wordt verricht en in het andere geval niet.

Wrijvingslood hoor je hier niemand over. Het gaat om viscositeit, die (via een omweg) in de wet van Bernoulli terugkomt en dus gesteld op 0 een drukverschil van 0 levert.

Daarnaast is vloeibaar helium niet comprimeerbaar. Lucht wel. Dan spelen er andere wetten.

@saeftinghe,

Er zijn vele sommetjes te maken over hoe het komt en allemaal moeten ze uiteindelijk sluitend zijn. Of je het nu over centrifugaalkracht hebt of F=m*a gebruikt. Gegeven de wetten van de natuurkunde komt het netto allemaal op het zelfde neer.

---

Stel je nog ene keer die vliegtuigvleugel voor. Als het vliegtuig een angle of attack 0 heeft, en het vliegtuig vliegt rechtuit, dan is er welliswaar een kracht van lift, recht omhoog, maar die kracht levert geen arbeid, omdat er geen verplaatsing is omhoog.

Een zeilboot verplaatst wél t.o.v. de aanstromende wind. Dat is wel een verschil.

Zeilen moeten daarnaast, om hun vorm te krijgen, volgeblazen worden. Een angle of attack van 0 kan niet met een "zachte" vleugel. Vaar maar eens recht tegen de wind in, of vier je zeilen in vaanstand.

@ Saefthinge

Wellicht bedoel je het niet, maar hier is het geen drukverandering die een snelheidsverandering teweeg brengt. Het is andersom, de snelheid van de airflow verandert en daardoor verandert de druk. Maakt echter voor de werking van de zeilen niet uit.

En of je het twee soorten van lift moet noemen of extra lift, maar inderdaad een platte deur levert ook al lift, hoe weinig het ook is. Ook een profiel zonder enige vleugelvorm dus, aldus proefondervindelijk ondervonden door Arvel Gentry. De extra (of echte) lift komt door het vleugelprofiel.

Beauty schreef :
En daarom varen we zonder profiel als het een beetje waait, varen snelle boten altijd bijna zonder profiel, hebben straaljagers platte vleugels...

en raketten al helemaal geen vleugels.

De bolling in je zeil geeft extra lift, de echte (basis-) lift komt door het naar achteren smijten van lucht (ik noem dit gemakshalve altijd het raket-principe).
Nog een proefje:
Ga maar op een karretje staan met een zwaar object en gooi dit naar achteren, dan ....

PS I rest my case, ga het nu maar ff zelf in de praktijk brengen.

Ook al weet ik inderdaad niet zo goed wat de hele "arbeid"-discussie met het genereren van lift te maken heeft, toch even een observatie:
Er wordt in het voorbeeld van de drone geen arbeid geleverd aan het op z'n plek houden van de drone. Die drone is wat dat betreft kinematisch net zo in rust als het boek op de tafel.

arbeid = kracht * weg ; in dit geval is de weg 0, dus de energie-input in de drone ook.
(vandaar dat ik al aangaf dat de verandering van zowel potentiële als kinetische energie van de drone 0 bedraagt)

Alle energie die geleverd wordt gaat in de toename van de energie in de lucht. (beetje warmte, de rest in de vorm van kinetische energie in de lucht)
Wat dat betreft kan het boek op tafel ook vervangen worden door een ventilator (niet zwenkend), of een aan het plafond hangende fan, of ze nou ingeschakeld zijn of niet. Allen zijn kinematisch gezien in rust.


Een wrijvingsloze vloeistof heeft geen viscositeit. Ik had me voor wrijvingsloos ook tot de Engelstalige aanduiding kunnen beperken, inviscid. Daar hadden we het dacht ik wel over.
Viscositeit zit niet in de wet van Bernoulli. (je moet daar wel rekening mee houden als je 'm toepast in een niet-wrijvingsloze vloeistof)


Lift wordt niet veroorzaakt door viscositeit, maar kan zonder viscositeit niet tot stand komen.

Of, zoals John Anderson het uitlegt in zijn boek:

Without Friction Could We Have Lift?
In Section 1.5 we emphasized that the resultant aerodynamic force on a body immersed in a flow is due to the net integrated effect of the pressure and shear stress distributions over the body surface. Moreover, in Section 4.1 we noted that lift on an airfoil is primarily due to the surface pressure distribution, and that shear stress has virtually no effect on lift. It is easy to see why. Look at the airfoil shapes in Figures 4.17 and 4.18, for example. Recall that pressure acts normal to the surface, and for these airfoils the direction of this normal pressure is essentially in the vertical direction, that is, the lift direction. In contrast the shear stress acts tangential to the surface, and for these airfoils the direction of this tangential shear stress is mainly in the horizontal direction, that is, the drag direction. Hence, pressure is the dominant player in the generation of lift, and shear stress has a negligible effect on lift. It is for this reason that the lift on an airfoil below the stall can be accurately predicted by inviscid theories such as that discussed in this chapter.
However, if we lived in a perfectly inviscid world, an airfoil could not produce lift. Indeed, the presence of friction is the very reason why we have lift. These sound like strange, even contradictory statements to our discussion in the preceding paragraph. What is going on here? The answer is that in real life, the way that nature insures that the flow will leave smoothly at the trailing edge, that is, the mechanism that nature uses to choose the flow shown in Figure 4.18c, is that the viscous boundary layer remains attached to the surface all the way to the trailing edge. Nature enforces the Kutta condition by means of friction. If there were no boundary layer (i.e., no friction), there would be no physical mechanism in the real world to achieve the Kutta condition.
So we are led to the most ironic situation that lift, which is created by the surface pressure distribution—an inviscid phenomenon, would not exist in a frictionless (inviscid) world. In this regard, we can say that without friction we could not have lift. However, we say this in the informed manner as discussed above.

Stel je nog ene keer die vliegtuigvleugel voor. Als het vliegtuig een angle of attack 0 heeft, en het vliegtuig vliegt rechtuit, dan is er welliswaar een kracht van lift, recht omhoog, maar die kracht levert geen arbeid, omdat er geen verplaatsing is omhoog.


Boarderbas,

Die lift is wel degelijk arbeid, mogelijk niet dat het vliegtuig omhoog gaat, maar WEL ontstaat er een beweging in de lucht die het vliegtuig op dezelfde hoogt houdt.
Wanneer wat jij stelt juist zou zijn zou je een vliegtuig daarboven kunnen "parkeren".

De uiteindelijke oorzaak is de stuwdruk van de motor die die stromingen mogelijk maakt.

La Mavare,
En een raket heeft wel degelijk vleugeltjes, heel klein en dun omdat de snelheid zo hoog is. Ik zie ze zitten op de foto die je plaatste!!!
En ze hoeven niet altijd als zodanig herkenbaar te zijn, ze kunnen ook deel uitmaken van de straalbuis.
Snelle vliegtuigen hebben dunnere vleugels, maar wel zeker in het profiel dat daarbij hoort. Kun je ook zien op die foto!!
Hadden(of hebben) we niet ooit vliegtuigen die hun vleugelstand aan konden passen aan de vereiste snelheid. Net zo als wij onze zeilen?
Dat karretje is gewoon de wet van actie en reactie, net zoals bij zeilen en vliegen. Al is het daar mogelijk door de verfijningen niet meer direct als zodanig herkenbaar.

Beauty,
Mogelijk heb ik me niet duidelijk genoeg uitgedrukt, Wat was er eerder, de kip of het ei?
De energiebron is het snelheids verschil tussen lucht en zeil/vleugel, een platte deur is de basis, die wordt in vorm aangepast aan wat gewenst is, bij zeil is dat een andere stuwrichting dan bij een vleugel, zodat voor beide toepassingen het meeste er uitgehaald wordt.
Net zoals die raketvleugeltjes optimaal zijn aangepast voor hun doel.

La Mavare schreef :
Een raket bevat een enorme hoeveelheid energie in de brandstof.
Als die eenmaal brandt wordt er een enorme hoeveelheid hete damp en verhitte lucht uitgestoten, met als gevolg dat de raket vooruit (omhoog) gaat.

Ik ben erg benieuw waar een zeil de energie heeft opgeslagen om hetzelfde te doen, lucht 'naar achteren smijten'. Stopt de zeilmaker die energie erin, en als je zeil versleten is, komt dat dan omdat de energievoorraad op is? Kan een zeil niet bijtanken dan?

Of is het misschien andersom, smijt de lucht de boot naar voren?

@JotM

Mooi geformuleerd, dat stuk in het Engels. Viscositeit is inderdaad geen oorzaak maar wel een vereiste. Ik heb naar mijn weten niet anders willen zeggen.
We zijn het erover eens denk ik dat lift wordt veroorzaakt door drukverschillen. Deze worden op hun beurt weer veroorzaakt door verschillen in snelheid tussen de flows aan beide zijden van de foil. Deze ontstaat weer door wat Arvel Gentry noemde het circulation flowfield wat weer zijn oorzaak vond in het ontstaat van een 'starting vortex'.

Is die zienswijze nog steeds gangbaar?

Gr M

Beauty schreef :
Ja.
Daarvoor worden dunne "airfoils" gemodelleerd als "vortex sheet".
De "starting vortex" en de eraan gekoppelde (Kelvin's circulation theorem) circulatie - die Gentry het circulation flow field noemt - nemen toe tot aan het Kutta criterium wordt voldaan. De starting vortex wordt alleen niet gedissipeerd zoals Gentry schrijft in "the origins of lift", maar blijft bestaan en drijft af met de luchtstroom als 'ie niet meer gevoed wordt.

Iedere wijziging in de luchtstroom (denk bijvoorbeeld aan een vlaag en het einde van een vlaag) hebben weer een nieuwe starting danwel stopping vortex tot gevolg, tot de luchtstroom weer aan het Kutta criterium voldoet.

De lokale drukverschillen hebben wel te maken met de kromming van de luchtstroom. En de lokale "lift" dus ook. Alleen komt de integraal rondom het profiel (netto resulterende lift van het hele profiel) in een wrijvingsloos fluïdum uit op 0. (de paradox van d'Alembert)