Een luchtballon kan in de lucht blijven omdat deze in totaal minder weegt dan de lucht eromheen. Vliegtuigen daarentegen zijn veel zwaarder dan lucht. Wat zorgt ervoor dat deze machines zomaar de grond kunnen verlaten?
Zoals de bekende natuurkundige Isaac Newton al heeft beschreven in 1687, kan een voorwerp alleen met constante snelheid voortbewegen als alle krachten opgeteld nul zijn. De vier krachten die op een vliegtuig werken staan in het plaatje hieronder.
De krachten op een vliegtuig.
Zoals elk voorwerp, wordt een vliegtuig ook omlaag getrokken door de zwaartekracht van de aarde. Om niet naar beneden te vallen wekt een vliegtuig ‘lift’ of draagkracht op die precies de zwaartekracht opheft. In horizontale richting wordt het vliegtuig tegengewerkt door weerstand van de lucht. Om toch vooruit te komen zijn er straalmotoren of propellers die het vliegtuig voortstuwen.
Lift
De lift wordt opgewekt door de vleugels van het vliegtuig. Deze lift houdt het vliegtuig in de lucht. Waar komt deze kracht vandaan? Stel je eerst een zijaanzicht van een vleugel voor waarlangs lucht stroomt.
Een vliegtuigvleugel. Bron: wikipedia
Een uitleg die je misschien wel eens gehoord hebt, is dat luchtdeeltjes die boven- en onderlangs de vleugel gaan op hetzelfde moment aan de achterkant van de vleugel moeten uitkomen. Door de gekromde bovenkant van een vleugel moet de lucht bovenlangs sneller bewegen om op hetzelfde moment weer samen te komen met de lucht die onderlangs is gepasseerd. Hierdoor ontstaat boven de vleugel een lagere druk (zie de uitleg over de Wet van Bernoulli). De lagere druk boven de vleugel trekt de vleugel dan als het ware omhoog. Deze uitleg is niet helemaal juist! Kijk in onderstaande animatie maar eens naar de donker gekleurde luchtdeeltjes. De deeltjes die bovenlangs de vleugel gaan zijn zelfs veel eerder voorbij de vleugel, dan de deeltjes die onderlangs gaan. De wet van Bernoulli geldt echter nog steeds: boven de vleugel stroomt de lucht sneller en heerst er een lagere druk dan onder de vleugel.
Lucht stroomt boven de vleugel sneller dan onder de vleugel. Maker: Kraaienest (wikipedia)
Er bestaan veel verschillende ideeën over het fenomeen, en men is er niet echt uit wat nou de beste manier is om het uit te leggen. Eén uitleg is de volgende: je kan je misschien voorstellen dat een vleugel in staat is de luchtstroom naar beneden af te buigen. Het feit dat de vleugel hiervoor een kracht uitoefent op de lucht, betekent meteen dat de lucht ook een kracht uitoefent op de vleugel. Dit is een voorbeeld van de derde wet van Newton, die zegt dat elke reactie een gelijke en tegengestelde reactie tot gevolg heeft. Deze tegengestelde reactie is dus de omhooggerichte liftkracht!
Voor de liftkracht maakt het trouwens niet uit of de vleugel door stilstaande lucht beweegt, zoals bij een vliegtuig, of dat de lucht langs een stilstaande vleugel beweegt. Dit kan je zien in dit proefje met een vleugel.
Extra: Zogturbulentie
Boven en onder de vleugel ontstaat een drukverschil. Aan het uiteinde van de vleugel komen deze hoge en lage druk samen, waardoor de lucht van de onderkant naar de bovenkant stroomt. Samen met de voorwaartste snelheid veroorzaakt dit een draaiende luchtbeweging, ook wel zogturbulentie genoemd. Plekken waar de lucht zo een draaibeweging maakt, noem je een ‘ vortex’. De hoge snelheid en lage druk in deze ‘vortexen’ of ‘vortices’ zorgen voor een lage temperatuur. In sommige gevalen condenseert de waterdamp in de lucht; dat wil zeggen dat de damp vloeibaar wordt en druppeltjes vormt (zie uitleg faseovergangen). Dit is te zien is als witte sporen achter een vliegtuig, zoals in de foto hieronder.
Een vliegtuig met condensatiesporen. Bron: wikipedia
De vortices achter het uiteinde van de vleugel veroorzaken een opwaartse stroming. Trekvogels als eenden en ganzen maken hier gebruik van door in een V-formatie te gaan vliegen. Door de opwaartse stroming besparen de vogels veel energie tijdens lange vluchten.
Canadese ganzen in V-formatie