Fascinatonen av att flyga!

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Inledning
Människan har i alla tider varit intresserad av att befinna sig på ställen som den inte är skapt för, på och under vattnet, i luften, i rymden etc. Den stora nyfikenheten och viljan att utforska driver oss till att ständigt försöka nå vidare.

Detta projekt har jag valt att studera människans fascination av att flyga och hur ett flygplan är uppbyggt/fungerar. Vad som lade grunden till att man började flyga, samt en hypotes om vad som kommer att hända med flygplanen, brännslet och naturen i framtiden.
Syfte
Syftet med detta arbeta är att öka ungdomars intresse för NO ämnen. Det vill säga Fysik, kemi och biologi.
Metod och avgränsning
Jag har i det här projektet valt att utgå från ett område. Nämligen, människans fascination av att flyga. Hur de har nått sina mål och vad det har fått för konsekvenser. Samt att till detta ämne göra kopplingar till Fysik, kemi och biologi. Dock kommer det att vara en betoning på fysiken.
Problemformulering
Problemet är inte att få ungdomar mer intresserade av NO. Problemet är snarare att få vuxen värden att inse att ungdomar är intresserade och att tillgänglig göra NO för ungdomar. Till exempel: Varför sänder tv kanalerna alla mer ”sofistikerade” NO program på otillgänglig tid för ungdomar i nedre tonåren.
Genom att skriva och tillgängliggöra NO ämnena för ungdomar på ett intressant sätt som ligger på en tillräckligt hög nivå. Kommer det att leda till ett ökat intresse bland ungdomarna.

Historia

Människa har sedan urminnes tider varit intreserad av flygkonstens hemligheter. Redan på antiken försökte man flyga, likt Daidalos en gång gjorde för att kunna komma undan den grymme kung Minos av kreta.
Det var fåglar som man försökte efterhärman för att kunna flyga, dom modiga mänen som försökte flyga kastade sig allt som allt huvudstupa ut för torn, klippor och andra höga platser. Det lädde oftast till döden. Men det var den Italienske konstnären / vetenskapsmannen; Leonardo Davinci som först skissade en maskin som man skulle kunna flyga med i praktiken. Dessa flygfarkoster kallas ”kallades” för ornitoptrar. Dock så lyckades inte detta ”försök” skärskillt bra. Det var faktist en luftballong av bommul som människan flög med den alldra första gången.
Först 1809 kom engelsmannen Sir. George Cayley på den epokgörande idén, enkel som de flesta stora genombrott är. Den gick ut på att man skulle ha en sorts anordning som förflyttade farkosten framåt, en så kallad ”luftskruv”. Senare fick den namnet propeller, som betyder ”framåtdrivare”. Men det fans en nackdel med idén, ingen hade uppfunnit ett system som var tillräckligt kraftig och samtidigt lätt för att man skulle kunna montera det på ett flygplan. På grund utav detta, byggde Cayley ett glidflygplan med fasta vingar och delegerade uppdraget att flyga planet till en tjänare. Planet kraschade stort sett direkt efter start och tjänaren överlevde med nöd och näppe.

Under 1800-talet gick utvecklingen framåt för de seriösa forskarna. Medan det stora flertalet entusiaster och amatörer fortfarande flaxade omkring (på marken) med sina ornitoptrar. För de forskarna som drev processen framåt, gällde det att hitta den mest ultimata formen på vingarna. Det kan te sig som en relativt enkel uppgift; ”Det är bara att studera en fågel vinge.” Vingen måste vara konvex på översidan så att luftströmmen strömmar över och vänds nedåt. Men för att hitta den exakta formen måste man ta med ytligare en rad faktorer i beräkningen, till exempel vingens längd, bredd, vinkel, etc

Den person som förmodligen först kom fram med ett plan som kunde flyga på riktigt hette Alexander Mozjaiskij. Planet kunde dock inte styras, och det störtade inom kort. Otto Lilienthal förstod att det var meningslöst att lyfta från marken om man inte kunde styra. Så han valde ut en hög kulle utanför Berlin för att utföra sina experiment i glidflygning. Han blev så småningom mycket skicklig på att styra planet och gjorde systematiska noteringar om sina uppstigningar. Världen fick höra talas om Otto Lilienthal framgångar, och två bröder, som tillverkade cyklar, blev genast intresserade av att bygga flygplan. När den fyrtio år gamla Lilienthal var uppe i en rutinmässig experimentflygning hamnade han mitt i en kraftig vindby och tappade kontrollen över planet som störtade. På hans gravsten står det ”Opfer müssen gebracht werden”, offer måste göras.

I början på 1900- talet var det ett tjugotal människor som tävlade om att vara den första som kunde bygga ett fungerande flygplan. Nästan varje månad kunde man läsa om någon som påstod att han hade flugit.
Den 17 december år 1903 pressenterade de två bröderna Wright, ett flygplan som kunde flyga. Det var något enormt att gå från att vara cykelhandlare, till att vara de första i världen som flög ett flygplan som kunde styras och åka med egen kraft.

Flygplanet har sedan dess utvecklats på alla möjliga och omöjliga sätt.
Flygplanets konstruktion i korta drag

Varför flygplan flyger
Det som gör att ett flyggplan kan flyga är ”tröghetsfaktorn” i luften . När vingen riktar luftströmmen på undersidan nedåt, innebär detta att man accelererar luft nedåt, det vill säga man påverkar luften med en kraft nedåt.
Enligt Newtons tredje lag om verkan och motverkan, så påverkar alltid två objekt varandra med lika stora och motriktade krafter. Eftersom planet påverkar luftmassan med en nedåtriktad kraft, så påverkar luftmassan planet med en lika stor uppåtriktad kraft. Ju mer luft som skyfflas nedåt, desto större lyftkraft. Ökar man anfallsvinkeln genom att t ex höja planets nos, skyfflar man mer luft nedåt, och lyftkraften ökar därmed. Samtidigt ökar givetvis luftmotståndet och vid alltför stor anfallsvinkel riskerar planet att störta, eftersom motorerna inte längre klarar av att övervinna luftmotståndet.

Bernoulli’s law
Bernoulli’s law är en förklaring varför flygplan flyger. Den går ut på att vingen är välvd på översida för att få luften att ta en längre väg över än under den, (som bilden till höger visar) det genererar till att luftens hastighet ökar på ovansidan. När luftens hastighet ökar så minskar luftrycket inom samma område, det vill säga att det skapas ett ”sug” . ur detta undertryck så skapas en stor del av vingens lyftkraft. Resten av lyft kraften bildas på vingens undersida genom ett över tryck som vill pressa vingen uppåt. Övertrycket skapas genom att luften på undersidan minska i hastighet på motsvarande sätt som den ökar på ovansidan.


Material
Stort sätt alla flygplan, är byggda helt i lättmetall- legeringar, Metallen kan variera mellan aluminium, magnesium, titan eller stål, det beror oftast på vilken sorts flygplan man skall bygga. Om man skall bygga ett stridsflygplan som skall utsättas för värme, kan det vara smart att andvända någon mer värme beständig legering som till exempel titan- eller stållegering. När bygger ihop flygplanet så använder man i sig regel utav nitning, men det har blivit allt mer populärt att limma ihop komponenterna.

Konstruktion
De flygplan som inte är tänkta att hålla så höga hastigheter, har oftast vingar som går rakt ut från flygkroppen. Medan de plan som är tänkta att flyga lite snabbare, har bakåtvinklade vingar. Vinkeln burkar vanligtvis vara mellan 20º-60º. Det fins även en tredje vingkonstruktion den kallas för Delta vinge.

Om man ser planen som är ute och flyger
så är majoriteten ”låg- vingade”, det
vill säga att vingarna sitter lågt ned på flygkroppen (under midjan på planet). Men det fins även mittvingade och hög vingade flygplan.



En av de detaljer som är viktigast är motorn. Det fins två olika sorters motorer propellermotorer och jetmotorer (även kallade reamotorer, reaktionsmotor) Det fins flera olika sorters propeller- och jetmotorer. Motorerna är oftast monterade i vingen/under vingarna men det fins även plan som har motorn centrerad. Det kan vara ett propeller plan som har en centrerad propeller vid nosen, eller ett stridsflygplan som har en jetmotor monterad centrerad bak. Alla jet motorer fungerar nästan på samma sätt.

Jetmotorn är en typ av reaktionsmotor, och de flesta är olika typer av gasturbiner. Om man förenklar en jet motor starkt så är principen densamma som när man blåser upp en ballong och sedan släpper iväg den. Skillnaden är i den här liknelsen att man efter att ha blåst upp ballongen även har värmt upp luften i den, vilket gör att luftvolymen som strömmar ut är mycket större än den man blåst in.

En jetmotor fungerar på det sättet att luften sugs in i en kompressor och komprimeras av kompressorbladen. Den strömmar med högt tryck in i motorns brännkammare där den blandas med bränslet. Den blandning som blir är en sorts gas som antänds. Genom förbränningen uppvärms gasen och expanderar i volym, vilket tvingar gasen att strömma ut bakåt. Då trycket på kompressorsidan motverkar strömning åt det andra hållet. Gaserna får turbinbladen, samt därmed även axeln som driver fläkt och kompressor, att rotera. Avgaserna har fortfarande hög hastighet då de strömmar ut, och ger dragkraft. Till skillnad från gasturbinerna, från vilka man tar ut huvuddelen av energin hos förbränningsgaserna på den roterande axeln via en stor turbin. Tar jetmotorn bara ut så mycket rotationsenergi så att det räcker för att driva kompressorn. Resten av förbränningsgaserna strömmar med oförminskad hastighet vidare bakåt och ut genom munstycket, och ger drivkraft i form av reaktionskraft.
Ett problem med jetmotorer är att rotorbladen är mycket känsliga, eftersom den kraft de utsätts för är enormt stor, och de därför redan under normaldrift utsätts för stora påfrestningar. Större fåglar kan lätt få en mindre jetmotor att haverera, genom att ett eller flera kompressorblad går sönder. Kombinationen av delar som far runt och slår sönder motorn ytterligare, och den obalans som uppstår då kompressorblad saknas (Jetmotorer arbetar vid mycket höga varvtal), får motorn att totalhaverera.

Propellermotorn/ kolvmotorn som även kallas förbränningsmorot består av ett antal cylindrar med rörliga kolvar. De vanligaste modellerna är Diselmotor tvåtaktsmotor och fyrtaktsmotor. Dessa motorer fungerar så att de pressar luft bakåt för att accelerera framåt likt en jetmotor. Bara det att jetmotorn är 20 gånger starkare (om det räcket)

Flygfotogen, Jet A-1
Jet A-1 är en sorts fotogen som används i gasturbiner (jetmotorer) till både militärt och civilt bruk. Jet A-1 har en densitet på 775 – 840 kg/m3 (det vill säga ca 1/3 – 1/4 lägren vatten) vilket ger en kolkedjelängd på mellan C8 och C17. Flygfotogenet Jet A-1 har inte genomgått skärskilt stora förändringar under åren. Det kan bero på att Jetbränslet har väldigt strikta regler för att säkra kvaliteten. Vilket plan som än tankas, så måste man vara säker på att bränslet når upp till de höga krav på funktion och renhet som gäller. Dock så har USA och Ryssland egna nationella ”standarder” med lite lägre krav, på någon eller några produkter.

Elektricitet
Idag finns det flygplan som drivs enbart med hjälp av solceller. Sådana flygplan är inte så stora och är inte direkt några transportflygplan. Men det fins många andra syften som dessa flygplan kan användas till. T.ex. som ett alternativ till satelliter, väder övervaknings plattformer, militära spionplan, o.s.v.

Metrologi
Läran om atmosfärens fysik och kemi.

All flygning är mer eller mindre väder beroende. Luften i atmosfären består av torr ren luft, vatten och föroreningar. Den torra rena luften består av 78 % kväve och 21 % syre. Den återstående procenten upptas av ett femtontal gaser av vilka koldioxid och ozon har stor betydelse för atmosfärens värme (växthuseffekt). Föroreningar består oftast av små saltpartiklar från haven och förbränningspartiklar från t.ex. bilar och skorstenar.

Flygplan flyger i den lägre delen av atmosfären som kallas för troposfär och tropopaus. Troposfären och tropopausen är från 0 upp till ca 18km. I detta område sjunker temperaturen med höjden. Vid ca 10km höjd är temperaturen -60 Co. I skiktet mellan 0 och 6km sjunker temperaturen med ca en grad varje hundrade meter man stiger. Skulle man då vilja flyga segelflygplan en varm sommardag med 20 Co vid marken så innebär det att redan på 2000m höjd, som är en vanlig höjd för segelflygplan, så är det 0 Co. Allt väder finns inom troposfären. Detta innebär att moln, nederbörd, isbildning, åska m.m. finns upp till ca 10km höjd. Flygning över 10km behöver inte bry sig om vädret i och med att det inte finns något ”väder” som vi säger det, över ca 10km höjd.


Ni har säkert sett kondensstrimmor efter flygplan som har färdats på höga höjder. Det är varm luft som kommer från jetmotorerna och som omedelbar avkyls av den kalla luften som finns uppe på dessa höjder.
Det absolut farligaste molnet för flygning är CB(cumulus nimbus) moln. Här bildas kraftig turbulens, isbildning, åska och hagel. För att få en uppfattning av energimängderna i sådana moln kan nämnas att i ett kraftigt åskmoln så finns det 10gånger mer energi än den atombomb som man släppte över Hiroshima under andra världskriget. I detta CB moln finns både uppåt och nedåt gående vindar. Normala hastigheter för dessa vindar är 5-20m/sek. Skulle du då hamna i ett sådant moln med uppåtvindar som bär dig uppåt med en hastighet av 20m/sek så finns risken att du hamnar på högre höjder än vad kroppen tål utan syrgas. Detta kan vara direkt livsfarligt för människan. Övergången från kraftiga uppåtvindar till kraftiga nedåt vindar medför enorma påfrestningar på flygplanet. I extrema fall kan planet brytas sönder. Efter som temperaturen sjunker på högre höjd bildas is, hagel, i nederbörden i dessa moln. Detta hagel kan åka ”hiss” upp och ner ett antal gånger innan de träffar marken. Ju fler gånger vattendroppen åkt ”hiss” ju större blir haglet. Tänk dig då om du skulle flyga i denna omgivning i ca 800km/h och bli träffad av hagel kulor som kan totalförstöra flygplanet.

Miljöpåverkan
Flyget bidrar till den globala växthuseffekten, främst genom utsläpp av koldioxid. Koldioxidutsläppen var år 2000 ca. 1,6 miljoner ton-, som jämförelse hade vägtrafiken samma år ett utsläpp på 20 miljoner ton koldioxid. Även den vattenånga som bildas på hög höjd, bidrar till molnbildningen påverkar vårt klimat. De lokala kväveoxidutsläppen bidrar till försurning och övergödning av mark och vatten, samt till marknära ozon. Dock så är dessa utsläpp en i jämförelse med biltrafiken.

Den miljöpåverkan som orsakar mest klagomål är flygbuller. Men i dag jobbar forskare med att få planen tystare. Det fins också en annan miljöpåverkan som har skapat en del klagomål.
Det är när planen skall lyfta från flygplatsen så skickar de iväg en jetstråle som är så stark att den pressar över bussarna på, vägen bakom startfältet, i andra körfältet. Vilket skapar en hel del oro.

Flygets påverkan till den globala påverkan av växthuseffekten är cirka 3,5 procent av vad människan bidrar till växthuseffekten. Man beräknar att denna siffra kommer att ha ökat med fem procent till år 2050 till följd av den ökade flygtrafiken. En tredjedel av denna siffra kommer att komma från koldioxidutsläppen, medan vattenångan och partiklar samt kväveoxidutsläppen kommer att svara för två tredjedelar av dessa 5 procent.

Analys
Bernoulli’s law verkar som en rätt sund förklaring till varför flygplan flyger, dock så har jag insett att den inte går att tillämpa i alla lägen. Till exempel när planet skall flyga upp och ned så kommer det att pressas nedåt i stället för uppåt. Den förklarar inte varför plan kan stig och sjuka, och varför plan med föga eller ingen skillnad alls på välvningen mellan över och under sida på vingen. Det fins även en annan förklaring till att man inte kan tillämpa Bernoulli’s law: En stor tyskflygplanstillverkare anställde den berömde fysikern Albert Einstein till att konstruera en ny kraftig aerodynamisk vinge, ritade han en nästintill triangulär vinge för att tvinga luften att strömma mycket längre över vingens översida än vingens undersida. Detta testades och befanns alldeles kollosalt ineffektivt, och A. Einstein vart aldrig mer ombedd att konstruera några flygplans delar.

Detta visar på att Bernoulli’s law inte går att tillämpa helt och hållet.
Det som gör att ett flygplan börjar lyfta och komma upp i luften är precis det som bernouill’s law tar upp. Att luften tar en lägre väg ovanför vinge än under så att det skapas ett ”sug uppåt”.

Flygplan som drivs enbart med hjälp av solceller kommer troligen endast att vara mindre enmans eller obemannade flygplan. Anledningen är enkel. Solens maximala instrålningens effekt per m2 är c:a 1 kW vid havsytan. Om vi ställer det i förhållande till den enorma kraft som krävs för att driva ett trafikflygplan så skulle det krävas enorma ytor med solfångare.
Varje motor på en Beoing 747 alstrat en drivkraft på c:a 27 ton och den har fyra stycken motorer.
Fördelen är dock att man aldrig behöver vara orolig för att bränslet tar slut. Flygplan drivna med solenergi skulle också vara en klar fördel för miljön.

De senaste 60 åren har flygplanen utvecklat till att bli allt mer automatiserade. Idag är piloterna mest engagerade i start och landning. Under flygningen har de nästan bara en övervakande funktion. I takt med att autopiloterna blir allt mer avancerade så kommer troligen även start och landning att i allt större grad skötas automatiskt.
Kanske kommer flygplanen så småningom att styras från ledningscentraler på marken.

Flyget konkurrerar redan idag med tåg och bil på kortare sträckor. Om priset på fosila bränslen fortsätter att stiga så fins det en klar möjlighet att tåget kommer att återta sin gamla roll som det viktigaste masstransportmedlet.
Det har lagts fram en teoretisk plan om att bygga en tåg tunnel från London till New York. Som skall kunna gå i överljudsfart genom att man använder sig utav magnetiska tåg i en vakuum tunnel för att minska friktion och därigenom öka hastigheten.

Slutsats
Det absolut mest fascinerande med flygplan är att dessa flera hundra ton tunga klumpar kan lyfta och flyga i lyften, det är nog någonting utav det mest fantastiska människan har lyckats skapa. Man skulle kunna klassa ”konsten att flyga” till jordens sju underverk eller skall man säga åttonde. För att det som ”konsten om att flyga” har genererat till samhället är någonting enormt. Dock så har ”konsten att flyga” missbr...