Profielwerkstuk Natuurkunde Vliegtuigvleugels en cockpitinstrumenten

Transcriptie

1 Profielwerkstuk Natuurkunde Vliegtuigvleugels en cockpitinstrumenten Profielwerkstuk door een scholier 4641 woorden 25 februari ,8 182 keer beoordeeld Vak Natuurkunde De werking van vleugels en enkele cockpitinstrumenten Hoofdstuk 1 De werking van een vleugel Allereerst wil ik wat uitleggen over de lucht om ons heen. Het gewicht van de lucht in de atmosfeer oefent een druk uit op het aardoppervlak. Deze druk die altijd aanwezig is, heet statische druk, ps (pressure static). Statische druk werkt voorts gelijkmatig en loodrecht op een voorwerp of lichaam, het is altijd aanwezig. Lucht bestaat uit gassen onder druk. Lucht bezit dus energie. Komt lucht in beweging, dan wordt die energie ook merkbaar op een andere manier, namelijk als dynamische druk. Stromende lucht bezit dankzij snelheid kinetische energie (1/2ρv²), deze energie is meetbaar in de vorm van druk (stuwdruk) als we de beweging van de lucht helemaal tot stilstand brengen, dit wordt dynamische druk genoemd. De Zwitserse natuurgeleerde Daniël Bernoulli stelde de volgende wet vast: In een gelijkmatige (stationaire) stroming is de som van de statische en dynamische druk constant. Dus p s + 1/2ρv² = constant (energie gaat nooit verloren). Als de snelheid (v) in een (lucht)stroming op een bepaalde plaats toeneemt, zal het product 1/2ρv², dus dynamische druk toenemen. Dit heeft tot gevolg dat de statische druk op die plaats afneemt. Het omgekeerde gebeurt als de snelheid van een stroming op een bepaalde plaats afneemt. Een bekende toepassing van de wet van Bernoulli vindt plaats bij de venturibuis. Dit is een buis met een vernauwing (keel). Luchtdeeltjes die de vernauwing passeren, zullen versnellen. De stroomlijnen (banen van luchtdeeltjes) liggen in de keel het dichtst bij elkaar. Met deze kennis over statische- en dynamische druk is het nu mogelijk om op een eenvoudige wijze te verklaren hoe het komt dat een vliegtuig in staat is te vliegen. Pagina 1 van 11

2 Een vliegtuig gaat omhoog zodra de vleugels de benodigde draagkracht leveren. Het Engelse woord voor draagkracht is lift. Om het ontstaan van lift aan te tonen, is het handig nog een wet te kennen. Deze wet heet de continuïteitswet. Deze wet stelt: indien lucht door een trechtervormige buis stroomt (dus een vernauwing passeert) zal het product van snelheid (v) en doorstroomoppervlak (A) constant blijven. Bekijken we een vleugel, dan blijkt dat de bovenkant meer gewelfd is dan de onderkant. Tot snelheden van 500 km/h wordt een luchtstroming beschouwd niet samendrukbaar te zijn (laat zich niet verdringen). In feite vormt die lucht rond een vleugelprofiel (zijaanzicht van een doorgezaagde vleugel) een soort koker. Tijdens de start (take-off) van een vliegtuig zal zich een luchtstroming om de vleugels ontwikkelen als gevolg van eigen snelheid. Voordat die stroming de vleugel bereikt, is er sprake van een ongestoorde stroming. Op het moment dat de ongestoorde stroming het vleugelprofiel passeert, gaat deze langs de gewelfde bovenkant dus zegmaar door een trechter. Deze trechter is het gevolg van de eerder genoemde koker. Het gevolg is dat de luchtdeeltjes zullen versnellen. Het venturi-effect treedt op (continuïteitswet). Hierdoor zullen de stroomlijnen boven het gewelfde deel van de vleugel dichter bij elkaar liggen. Bovendien zal onder invloed van het vleugelprofiel de ongestoorde luchtstroom bij passeren afbuigen. Ook worden luchtdeeltjes gedwongen een langere weg te nemen, waardoor die luchtdeeltjes sneller moeten stromen om weer gelijk met luchtstroom onder de vleugel bij de achterkant van de vleugel te zijn. Er ontstaat om de vleugel een stromingspatroon. Als gevolg van het optredende venturi-effect neemt de dynamische druk (1/2ρv²) aan de bovenkant van de vleugels toe. Volgens Bernoulli s wet neemt dan de statische druk ps af. Op een zeker moment is de snelheid van een vliegtuig tijdens de take-off zo groot, dat er genoeg lift is om het vliegtuig de lucht in te brengen, doordat er drukverlaging aan de bovenkant van de vleugels optreedt. En omdat lucht van een plaats met een hogere druk naar een plaats met een lagere druk wil wordt de vleugel omhoog getild. Er ontstaat dus lift. De koorde van een vleugel is een denkbeeldige lijn die de uiterste voorkant van het vleugelprofiel verbindt met de uiterste achterkant. De invalshoek van een vleugel is de hoek tussen de koorde van de vleugel en de horizon. Wordt de invalshoek vergroot, dan wordt ook de weerstand vergroot. Als een vliegtuig te langzaam gaat, en dus ook de lucht te langzaam langs de vleugels stroomt, is er niet genoeg lift meer om het vliegtuig in de lucht te houden. Hiervoor moet dan de invalshoek van het vliegtuig groter gemaakt worden. Als deze hoek groter is, moet de lucht een grotere hoek maken om over de vleugel te stromen. Daardoor gaat het zegmaar weer sneller stromen en wordt er weer voldoende lift gecreëerd. Bij een minimale snelheid en maximale invalshoek zal de lift gedeeltelijk wegvallen. Dit gebeurt het eerst in de grenslaag (dunne luchtlaag vlak boven het vleugelprofiel). Het vliegtuig zal overtrokken raken ( stall ). Pagina 2 van 11

3 Als gevolg van gebrek aan snelheidsenergie zullen op een zeker moment meer naar achteren, wervelingen ontstaan. De stroming in de grenslaag wordt dan turbulent. De stroming kan het profiel niet meer volgen. De weerstand neemt toe als gevolg van turbulentie. Het punt waar de grenslaag turbulent wordt, wordt het omslagpunt genoemd. Het is nu handig de liftformule te kennen: G(ewicht)=L(ift)=1/2ρv²c l s. Vorm en invalshoek van een vleugel bepalen als het ware het karakter van een vleugel in een luchtstroming. De uitkomst van beide gegevens heeft de technisch klinkende benaming liftcoëfficiënt gekregen (in de formule afgekort tot cl). Aangezien op ieder stukje boven de vleugel een liftkrachtje ontstaat, zal het totale vleugeloppervlak bepalend zijn voor de totale lift. Het Engelse woord voor oppervlak is surface, dus vandaar de letter s in de formule. De take-off en landing worden bijna altijd tegen de wind in uitgevoerd. Dit zorgt ervoor dat je met een lagere snelheid kunt opstijgen. Bij de landing kun je met een lagere snelheid dalen en bovendien kun je met een steilere hoek dalen wat weer ten goede komt aan de bewoners rondom het vliegveld. Zoals je ziet kun je uit de liftformule opmaken dat je de lift kunt vergroten door het vleugeloppervlak te vergroten. Dit kan met flaps (kleppen). Hierdoor wordt ook de minimale vliegsnelheid van een vliegtuig lager, ook kunnen slats (spleten) en slots (openingen) gebruikt worden. Met het uitschuiven van flaps aan de achterzijde van een vleugel wordt de welving van die vleugel groter gemaakt en wordt het vleugeloppervlak vergroot. Zo moet de lucht die bovenlangs stroomt een nog langere weg afleggen en zal dus sneller moeten stromen. Hierdoor neemt de lift toe. Flaps worden tijdens de take-off en landing gebruikt om een lagere vliegsnelheid mogelijk te maken. Tijdens de landing zorgen de flaps voor extra weerstand waardoor het vliegtuig beter in staat is te dalen. Extra weerstand is welkom bij het regelen van de vliegbaan. Bovendien heeft een piloot bij het gebruik van flaps meer zicht omdat de neus ietwat moet zakken om op het goede glijpad te blijven. Een slat is een klep die naar voren geschoven kan worden (aan de voorkant van de vleugel), hierdoor ontstaat een spleet in de vleugel. Een slot is zegmaar een gaatje in de vleugel. Bij zowel slats als slots kan lucht van onder de vleugel naar boven stromen, dus van hoge druk naar lage druk. In de stromingsrichting van de lucht gezien heeft de spleet of het gat een convergerende doortocht, waardoor een venturi-effect optreedt en de stromingssnelheid verhoogd wordt. Hierdoor krijgt de lucht aan de bovenkant van de vleugel meer energie waardoor de luchtstroom aan het oppervlak (grenslaag) later loslaat, zodat de stall later zal plaatsvinden. Zo kan dus met een lagere snelheid worden gevlogen. Na de take-off en tijdens de klim wordt de snelheid steeds hoger. De flaps worden door de piloot langzamerhand weer in de oorspronkelijke positie gezet, want bij een grotere snelheid zijn ze overbodig geworden, bovendien zorgen ze voor veel weerstand en dat is weer nadelig voor het brandstofverbruik. Pagina 3 van 11

4 Als een vliegtuig is geland worden andere kleppen gebruikt om het vliegtuig tot stilstand te brengen, de spoilers. Deze kleppen die boven op de vleugel omhoog komen verstoren de luchtstroom waardoor het vliegtuig vaart mindert. Het zijn als het ware luchtremmen. Ze worden ook gebruikt in de lucht, bijvoorbeeld bij de landing, om vaart te minderen. De werking van propellers berust op hetzelfde principe. Een propeller is net als een vleugel gewelfd, waardoor drukverschil optreedt tussen de voor- en achterkant van de propeller. Bij een propeller is de voorkant bol en de achterkant recht. Als de propeller snel genoeg roteert door de aandrijving van de motor zal het drukverschil groter worden en krijgt het vliegtuig snelheid door de trekkracht die uitgeoefend wordt op het vliegtuig. Bij kleinere vliegtuigen bevat de propeller twee of drie bladen, bij grotere vliegtuigen kan dit oplopen van vier tot zes bladen. Veel vliegtuigen hebben verstelbare bladen. Piloten kunnen de invalshoek van de bladen veranderen tijdens het vliegen. Dit is handig omdat een bepaalde bladhoek gunstig is voor een bepaalde snelheid of bij een bepaalde manoeuvre. Met de bladen in de goede hoek opereert het vliegtuig het meest efficiënt. Hoofdstuk 2 Het besturen van een vliegtuig in de lucht Als een vliegtuig nog op de grond rijdt is het te besturen met behulp van het neuswiel. Het neuswiel wordt aangedreven door de pedalen. Als je de linker pedaal naar voren duwt (waardoor de rechter pedaal automatisch naar achteren gaat) stuur je het vliegtuig naar links doordat het voorwiel naar links draait. Dit geldt precies andersom voor naar rechts. Tijdens de take-off van een vliegtuig ontwikkelen de vleugels van het vliegtuig bij een snelheid die groot genoeg is voldoende lift om het vliegtuig te kunnen dragen. Maar nu moet het vliegtuig nog los van de grond komen. Een vliegtuig heeft daarvoor kleppen aan de achterste vleugel, de hoogteroeren (elevators). Deze bestuur je met de stuurkolom in de cockpit. Als het vliegtuig omhoog moet, trek je aan de stuurkolom. Daardoor gaan de elevators omhoog staan. Dit heeft tot gevolg dat de achtervleugel aan de onderkant meer welving krijgt en daarom naar beneden wil (door afname lift aan de bovenkant). Dit zorgt er weer voor dat het vliegtuig met de neus omhoog gaat en de hoofdvleugels een grotere invalshoek maken met de luchtstroom. Het vliegtuig gaat omhoog doordat er meer lift ontstaat. Als het vliegtuig naar beneden moet zal de elevator naar beneden moeten staan. Dit doe je door de stuurkolom van je af te duwen. De bovenkant van de achtervleugel krijgt hierdoor meer welving waardoor de achtervleugel omhoog wil. Nu gaat de neus omlaag, waardoor het vliegtuig naar beneden gaat. De beweging van het vliegtuig omhoog of omlaag wordt stampen genoemd, in het Engels pitch. Het vliegtuig draait hierbij om z n dwarsas (lateral axis). Bij het plaatje hierboven dient de hele achtervleugel als elevator. Pagina 4 van 11

5 De elevator is samen met de aileron (rolroer) en de rudder (richtingsroer) het belangrijkste stuurorgaan van het vliegtuig. De ailerons zijn kleppen die zich aan de achterkant van beide hoofdvleugels bevinden. Voor een rolbeweging (roll), draaiing van het vliegtuig om z n langsas (longitudinal axis), draai je de stuurkolom naar links of naar rechts. Als je naar links draait, gaan de kleppen aan de linker hoofdvleugel omhoog staan, de kleppen aan de rechter hoofdvleugel klappen dan naar beneden. Ook nu zorgt een toenemende welving aan de bovenkant van de rechtervleugel ervoor dat die vleugel meer lift krijgt en dus naar boven wil. Een grotere welving aan de onderkant van de linkervleugel zorgt ervoor dat die vleugel naar beneden wil. Deze twee vleugelbewegingen zorgen ervoor dat het vliegtuig kantelt naar links en dus een bocht kan maken. Dit geldt natuurlijk precies andersom voor rechtsom. Voor het maken van een stabiele mooie bocht zonder te slippen komt de rudder goed van pas. De rudder heeft als taak stabilisatie, hoofdzakelijk om de krachten te balanceren (dit komt nog aan bod in hoofdstuk 3). De rudder wordt net als het neuswiel aangedreven door de pedalen. De rudder bevindt zich aan het staartvlak van het vliegtuig. Duw je het linker pedaal naar links, dan klapt de rudder naar links, waardoor de welving aan de rechterkant van het staartvlak groter wordt. De staart van het vliegtuig wil dus naar rechts. Dit geldt natuurlijk weer precies andersom bij het naar rechts gaan. De beweging van het staartvlak naar links of naar rechts wordt gieren of in het Engels yaw genoemd. Het vliegtuig draait hierbij om z n verticale as of topas (vertical axis). Stel dat we vanuit een horizontale vlucht over gaan in een daalvlucht. Dan zal de stuurkolom naar voren gedrukt moeten blijven, om een permanente kracht op het hoogteroer te ontwikkelen waardoor het in de uitgeslagen stand blijft. Om die permanente kracht op te heffen, is een hulpmiddel aan het (hoogte)roer aangebracht. Dit is een scharnierend vlakje, dat vanuit de cockpit door de piloot bewogen kan worden. Dit vlakje heet het trimvlak. Gedurende een daalvlucht moeten we het hoogteroer een uitslag omlaag geven. Draaien we nu het trimvlakje omhoog, dan ontstaat er tussen hoogteroer en trimvlak aan de onderkant een welving. Gevolg: onderdruk. Dit levert een krachtje op, dat de stuurkracht van het hoogteroer opheft. Resultaat: het hoogteroer blijft vanzelf omlaag en de piloot hoeft de stuurkolom niet meer naar voren te blijven drukken. Het trimvlakje wordt bestuurd met een trimwiel dat zich in de cockpit bevindt. Dit trimwiel kan met de hand naar voren of naar achteren worden gedraaid. Hoofdstuk 3 Neveneffecten veroorzaakt door luchtstroom Pagina 5 van 11

6 Een vliegtuig kan dus bewegen om drie denkbeeldige assen (hoofdstuk 2). We noemen deze bewegingen de hoofdeffecten. Naast de hoofdeffecten bestaan er twee neveneffecten. Eén van die neveneffecten is, dat een vliegtuig na een gierbeweging ook gaat rollen. De verklaring voor dit effect is niet moeilijk. Wil de vlieger het vliegtuig bijvoorbeeld links laten gieren, dan duwt hij het linker pedaal iets in. De rudder gaat hierdoor ook iets naar links en het vliegtuig draait om zijn topas (giert). Gevolg: door deze beweging verkrijgt de rechter (buiten) vleugel een hogere snelheid. Snelheidsvergroting om het profiel resulteert in liftvergroting. De rechter vleugel gaat omhoog. Het vliegtuig maakt dus een beweging om de langsas en gaat rollen. Het andere neveneffect houdt in dat een rolbeweging resulteert in een gierbeweging. Nu laat de piloot het vliegtuig bijvoorbeeld naar links rollen door de stuurkolom naar links te bewegen. Per definitie staat de lift altijd loodrecht op de stromingsrichting van de lucht en de vleugels. Het gewicht blijft onder invloed van de aantrekkingskracht naar beneden gericht. Stellen we beide krachten samen tot één resulterende kracht R, dan zie je dat R het vliegtuig zijdelings naar binnen zal trekken (het linker plaatje geldt voor een bocht naar rechts). Hierdoor vindt een zijdelingse stroming van lucht plaats tegen de romp en het kielvlak. Het zwaartepunt waar het vliegtuig haar bewegingen om uitvoert, ligt meestal vóór het midden van de romp. Het grootste deel van de romp alsmede het kielvlak bevinden zich achter het zwaartepunt, zodat de zijdelingse stroming méér invloed heeft op het achterste gedeelte van het vliegtuig. Het vliegtuig zal dus met de neus naar links draaien om de topas. Er ontstaat dus een gierbeweging. Als het vliegtuig meer dan nodig met z n neus naar de bocht draait die men wil maken noemen we het schuiven. Er kan echter ook een tegengestelde gierbeweging ontstaan. De regel is dat lift niet precies op het zwaartepunt aangrijpt, maar iets daarachter. Door het maken van een bocht zal een vliegtuig door massatraagheid rechtdoor willen. Het vliegtuig giert tegen de richting van de bocht in. Dit heet slippen. De piloot zal met de pedalen iets bij moeten sturen om het slippen tegen te gaan. M.b.v. de zogenaamde slipmeter kunnen we bochten coördineren. De slipmeter bestaat uit een gebogen glazen buisje, dat met vloeistof is gevuld, waarin een kogeltje (balletje genoemd) is geplaatst. De vloeistof dempt de bewegingen van het kogeltje. Een ander gevolg van het rollen, is dat het vliegtuig hoogte verliest. Na het rollen staat de lift niet meer recht tegenover het gewicht. Ontbinden we nu de lift in twee krachten, dan blijkt dat de verticaal ontbondene kracht, die evenwicht moet maken met het gewicht, niet meer even groot is als het gewicht. De piloot kan het liftverlies compenseren door de invalshoek iets groter te maken. Nu is er nog een klein effect dat optreedt als er een bocht wordt gemaakt. Dit effect heet het haakeffect. Bij het maken van een linker bocht gaat het linker rolroer omhoog en het rechter omlaag. Laatstgenoemd rolroer verandert het vleugelprofiel zodanig, dat de welving vergroot wordt. De lift van de rechter vleugel neemt hierdoor toe (cl wordt groter). De tol voor extra lift is extra weerstand. Na inzet van de bocht zal de rechter vleugel iets willen achterblijven. De vleugel blijft haken. Bovendien zal de weerstand van de Pagina 6 van 11

7 linkervleugel afnemen (kleinere welving). Het gevolg hiervan is dat de neus van het vliegtuig even de verkeerde kant op draait. Natuurlijk hebben ze hier iets op gevonden. Is een vleugel voorzien van frise rolroeren dan zal de voorzijde van het roer dat omhoog gaat iets onder de vleugel uitsteken. Hierdoor ondervindt de linker vleugel extra weerstand t.o.v. de aanstromende lucht. Deze weerstand compenseert nu de weerstand van de hakende rechter vleugel, waardoor het haakeffect wordt verminderd. Door toepassing van differentiaalrolroeren, zal in de linker bocht de uitslag van het omhooggaande roer groter zijn dan die van het neergaande roer. Dit heeft extra weerstand tot gevolg bij de linker vleugel. Hierdoor wordt het haakeffect van de rechter vleugel ook verminderd. Dit is allemaal uitgelegd voor een bocht naar links, maar voor rechts geldt natuurlijk precies het omgekeerde. Bij de meeste eenmotorige privé-vliegtuigen draait de propeller, vanuit de cockpit gezien rechtsom. Hierdoor ontstaat een propellerslipstroom die spiraalsgewijs om de romp draait. Deze slipstroom treft het staartvlak onder een bepaalde hoek, waardoor de staart naar rechts beweegt en de neus van het vliegtuig dus naar links. De voorzieningen om tijdens het kruisen (op kruishoogte vliegen) het effect van de propellerslipstroom tegen te gaan zijn: een scheef geplaatst staartvlak (t.o.v. de langsas), een trimvlak op het richtingsroer of een uit de hartlijn geplaatste motor. Nog een belangrijk bijkomend effect van het vliegen is de tipwerveling. Dit effect is simpel te verklaren. De druk boven de vleugel is lager dan die van de onderkant. Lucht aan de onderkant van de vleugel wil dus naar de bovenkant stromen en dit kan alleen via de vleugeluiteinden (vleugeltippen). Hierdoor wordt de aanstromende lucht boven de vleugel naar binnen gedrukt. Aan de onderkant wordt de aanstromende lucht naar buiten afgebogen. Het gevolg hiervan is dat de stromingen elkaar aan de achterkant van de vleugel ontmoeten terwijl ze allebei een andere richting hebben. Hierdoor ontstaan wervels aan de achterkant van de vleugels die aan de tippen het sterkst geconcentreerd zijn. Dit worden tipwervels genoemd. Achter het vliegtuig en op enige afstand ontwikkelen de tipwervels twee tegen elkaar indraaiende cilindrische luchtmassa s, deze heten in het Engels vortices of vortex. Tipwervels ontstaan vooral tijdens de nadering voor de landing en direct na de start. Immers dan is de snelheid laag en zal voor behoud van lift de invalshoek groot zijn. Vooral grote (verkeers)vliegtuigen veroorzaken krachtige tipwervels omdat zij veel lift moeten leveren voor het compenseren van het gewicht. Voor achterliggende vliegtuigen is dit effect zeer gevaarlijk. Een klein vliegtuig dat terecht komt in de vortex van een groter vliegtuig kan totaal onbestuurbaar raken met alle gevolgen van dien. Pagina 7 van 11

8 Om dit effect tegen te gaan hebben veel vliegtuigen tiptanks of opstaande vleugeltippen (winglets). Hierdoor is het moeilijker voor de luchtdeeltjes om via de tippen naar de bovenkant van de vleugel te stromen. Een effect dat we op een heldere dag vaak zien heeft ook te maken met de twee roterende luchtmassa s. Op grote hoogte condenseert door de motoren geproduceerde waterdamp en door de lage temperatuur ontstaan ijskristallen. Deze komen in de vortex terecht en concentreren zich in twee of meer, soms tientallen kilometers langgerekte, wolken. De luchtstroming om een gewelfd profiel ontwikkelt lift (actie). De reactie hierop is een neerwaartse stroming aan de achterkant van het profiel (3e wet van Newton). Deze neerwaartse stroming heet in het Engels downwash. Deze neerwaartse stroming heeft een remmende (energie-absorberende) invloed op de rest van de stroming aan de onderkant van het profiel, weerstand dus. Als een vliegtuig vlak boven de grond vliegt, zal tussen de onderkant van de vleugel en het aardoppervlak een venturi-effect ontstaan. De onder het profiel stromende lucht versnelt. Dit resulteert achterwaarts in een drukverlaging. Hierdoor zal de luchtstroming bovenlangs het profiel minder weerstand ondervinden en langer het profiel blijven volgen. De grenslaag laat dus later los. Hierdoor draait de resulterende luchtkracht iets naar voren. De lift neemt toe Een ernstige vorm van gewichtstoename tijdens de vlucht is ijsafzetting. Vliegen we in een gebied met ijsafzetting, dan zal de gewichtstoename sneller plaatsvinden dan we ons kunnen voorstellen. Bovendien verandert het vleugelprofiel. Hierdoor verlaagt de cl max. Raakt het vliegtuig in zo n situatie, dan zal het met een hogere snelheid moeten landen. Systemen om ijsafzetting te verhelpen zijn er ook. Daarbij wordt hete compressorlucht van de motoren door de vleugels gepompt, waardoor het afzetten van ijs wordt voorkomen of verminderd. Hoofdstuk 4 Werking van de belangrijkste instrumenten In dit hoofdstuk bespreek ik de vier belangrijkste cockpitinstrumenten van een vliegtuig, dit zijn: hoogtemeter (altitude indicator of altimeter), snelheidsmeter (airspeed indicator), stijg- /daalsnelheidsmeter (vertical speed indicator) en kunstmatige horizon (horizon- of attitude indicator). Er bestaan drie instrumenten waarbij de aanwijzing berust op drukmeting. Sommige gebruiken alleen statische drukmeting maar sommige ook nog stuwdrukmeting. Zoals je weet, kunnen we druk meten met een gewone huis-, tuin- en keukenbarometer. Deze bestaat onder meer uit een membraan of meerdere membranen. Dit zijn dunne, gesloten ringvormige metalen doosjes. Door de elastische eigenschap van een membraan zal deze met toenemende druk ingedrukt worden en met afnemende druk uitzetten. De beweging van een membraan wordt d.m.v. een overbrengmechanisme vervolgens omgezet in een aanwijzing in millibaren. Pagina 8 van 11

9 De statische druk wordt bij vliegtuigen gemeten d.m.v. een kleine opening in de romp: de statische opening (static port). Vanaf de opening gaat een leiding naar diverse vlieginstrumenten. Brengen we een stromende lucht in een buis tot stilstand, dan ontstaat in die buis een opstuwing van die lucht. Het gevolg is, dat de druk in die buis toeneemt. De aldus ontstane druk heet stuwdruk. Tijdens het vliegen komt de aanstromende lucht tot stilstand in de zogeheten pitotbuis via een opening aan de voorkant. De pitotbuis bevindt zich aan de onderkant van een vleugel. Hierdoor kan de totale druk (stuw- en statische druk) gemeten worden. Sommige vliegtuigen beschikken over nog een opening in de pitotbuis, deze opening bevindt zich aan de onderkant van de buis en is gewoon voor de statische drukmeting. De volgende instrumenten zijn aangesloten op de statische drukleiding (leiding naar de static port): hoogtemeter, stijg-/daalsnelheidsmeter en de snelheidsmeter. De snelheidsmeter is ook aangesloten op de stuwdrukleiding (de leiding naar de pitotbuis). Het principe waarop de werking van de hoogtemeter berust, is het meten van de statische druk. Gaat het vliegtuig omhoog dan neemt de omgevingsdruk af, dus ook de druk in de hoogtemeter. De omgevingsdruk is gelijk aan de beter bekende luchtdruk. De druk in de hoogtemeter is gelijk aan de omgevingsdruk. De membraandozen zijn luchtledig. De druk in de membraandozen wordt daarom verhoudingsgewijs kleiner. De membranen zetten dus uit. Deze uitslag wordt middels een overbrengmechanisme omgezet in een draaiende beweging van drie wijzers. De hoogte wordt meestal aangegeven in voet (Engels: feet, afgekort ft ). 1 Meter komt overeen met 3,28 ft. Nabij het aardoppervlak tot zo n 5000 ft hoogte, kunnen we bij benadering stellen, dat 1 hpa drukverschil overeenkomt met een hoogteverschil van 27 ft. De hoogtemeter is in feite een soort barometer, die de gemeten omgevingsdruk (statische druk) omzet in een bij die druk, volgens de standaard atmosfeer, behorende hoogte. De hoogtemeter is volgens het drukverloop van de standaardatmosfeer geijkt. Soms zijn hoogtemeters (ook) uitgevoerd met een nevenschaal (subscale) waarmee de drukwaarde in inches kwikdruk ingesteld kan worden. 29,92 Inch kwikdruk komt overeen met 1013,25 hpa (zie bijlage 1 voor meer info). Een hoogtemeter dien je wel voor elke vlucht goed in te stellen. Je gebruikt daarvoor een referentievlak. Je stelt de hoogtemeter in op 0 ft m.b.v. de subscaleknop als je je op het referentievlak (vliegveld of andere Pagina 9 van 11

10 plaats) bevindt. Dit kan botsingen met hoge obstakels zoals antennes voorkomen. Deze moeten dan natuurlijk wel op een kaart staan aangegeven. De snelheidsmeter is zodanig aangesloten op de statische leiding, dat binnen het instrument de statische druk (ps) heerst. Voorts is het instrument voorzien van een membraandoos. Deze is weer aangesloten op de pitotbuis. Via de pitotbuis wordt tijdens het vliegen de totale druk 1/2ρv² + p s van de aanstromende lucht in het membraan volledig tot stilstand gebracht. In de membraandoos heerst dus tijdens het vliegen de totale druk (pitot druk). Door beide apart te meten en van elkaar af te trekken, is het nu mogelijk om de stuwdruk te meten. Zodra een vliegtuig in beweging komt, ontstaat in de membraandoos naast de statische druk nu ook stuwdruk. Binnen de membraandoos heerst nu een grotere druk dan in het instrument. Het membraan zet dus uit. Deze beweging wordt met een stangenstelsel omgezet in een draaiende beweging. Laatstgenoemde beweging doet een wijzer draaien over de wijzerplaat van de snelheidsmeter. Hierdoor wordt een bepaalde snelheid aangewezen. Deze aangewezen snelheid heet in het Engels Indicated AirSpeed (IAS). De snelheid van het vliegtuig ten opzichte van de eigen omgeving, de luchtmassa waarin het vliegt dus, heet ware luchtsnelheid of True AirSpeed (TAS). Alleen indien het vliegtuig op zeeniveau vliegt onder standaard omstandigheden, zal de TAS gelijk zijn aan de IAS. We gaan nu op grotere hoogte vliegen. Het motorvermogen houden we gelijk. De eigen ware luchtsnelheid, TAS, blijft dus hetzelfde als op zeeniveau. Zoals bekend, is de IAS het resultaat van 1/2ρv². Met toenemende hoogte neemt de waarde van ρ af. Het product van een 1/2ρv² zal kleiner worden. De IAS wordt dus lager. De piloot leest dus een lagere snelheid van de meter af. Ten gevolge van een onzuivere meting bij de static port en/of pitotbuis als gevolg van wervelingen in de buurt van deze meetpunten, ontstaat de positiefout waarvoor gecorrigeerd moet worden. Handleidingen van vliegtuigen bevatten grafieken met correctiewaarden die behoren bij de IAS. Tussen IAS en TAS bevindt zich dus nog CAS (Calibrated AirSpeed). Nu is wind ook nog een belangrijke factor bij snelheidsmeting. De snelheid die je overhoudt na windcorrectie heet Ground Speed (GS). De GS is dus de verplaatsingssnelheid die het vliegtuig heeft t.o.v. de grond. In een schema ziet het verloop van snelheden er zo uit: De stijg-/daalsnelheidsmeter geeft aan met hoeveel voet we per minuut stijgen of dalen. Dit instrument is voorzien van een membraandoos die in een luchtdichte ruimte is gemonteerd. De membraandoos is rechtstreeks verbonden met de statische leiding. De statische druk komt niet rechtstreeks in het huis (behuizing van het instrument), maar kan dit slechts bereiken via een nauwe opening (capillair) in de Pagina 10 van 11

11 leiding. Een verandering van de statische druk is direct merkbaar. In het huis zal deze verandering als gevolg van de nauwe opening langzaam doordringen. Op deze wijze is het mogelijk om een verschil in statische druk binnen het instrument te meten. De mate waarin drukverschil optreedt, wordt vertaald in een snelheid waarmee het vliegtuig van hoogte veranderd per minuut. Deze hoogteverandering geeft de wijzer van het instrument aan in ft/min 100. Dan komen tenslotte bij de kunstmatige horizon. De kunstmatige horizon is een instrument dat de stand van het vliegtuig weergeeft ten opzichte van de ware (natuurlijke) horizon. Dit zowel in langsrichting als in dwarsrichting. Kunnen we de natuurlijke horizon niet meer zien dan hebben we, dankzij het instrument, toch een referentie met die horizon. Dit instrument maakt gebruik van een gyro (tol). De belangrijkste eigenschap van een ronddraaiende gyro is de standvastigheid. De stand die een gyro eenmaal heeft ingenomen verandert niet ten opzichte van de ruimte. Door middel van speciale technieken kan de gyro ook standvastig ten opzichte van de aarde worden gemaakt. Een gyro bezit de eigenschap standvastigheid indien de ophanging volcardanisch is uitgevoerd. De gyro is daarbij opgesteld in twee onderling draaibare ringen de cardanringen. Een gyro die zijn eenmaal ingenomen stand ten opzichte van de ruimte behoud, heet in het Engels Two Degree of Freedom (TDF) gyroscoop. Een tweede karakteristieke eigenschap van een draaiende gyro is de zogeheten precessie. Dit is de zeer speciale beweging die de draaiende gyro krijgt als er krachten op worden uitgeoefend. Oefenen we een kracht uit op een draaiende gyro, dan komt die kracht pas tot uitdrukking, nadat deze 90 graden is meegedraaid in de draairichting van de tol. Pagina 11 van 11