Tõstejõud – definitsioon, tekkemehhanism ja kasutusalad õhusõidukitest purjeteni

Tõstejõud (tavakeeles ka lihtsalt tõste) on keha peale mõjuvate jõudude summa, mille tulemusena paikneb netovektor risti jooksva vedeliku või gaasi voolusuunaga. See on vektorjõud, mille suund on voolust sõltuvalt võimalikult üles-, alla- või horisontaalne — mitte ainult „ülespoole“ suunatud jõud. Tavalises lennunduses viidatakse tõstejõuga eelkõige õhusõiduki tiiva tekitatavale jõule, kuid samu põhimõtteid rakendatakse ka propelleritel, rootoritel, ventilaatoritel, purjedel ja tuuleturbiinidel.

Tekkemehhanism — kuidas tõste tekib?

Tõste tekkimise seletusi on mitmeid ning sageli täiendavad need üksteist, nii et lõplik seletus ühendab mitmeid vaatenurki.

• Survenurkude ja rõhuerinevuste seletus (Bernoulli põhimõte): tiiva kuju ja nurk õhuvoolu suhtes loob eelise, kus tiiva üla- ja alapinna vahel tekivad erinevad rõhud. Kiirem vool ülaosas tähendab madalamat rõhku, aluspinna tagaolev kõrgem rõhk annab tulemuseks tõstejõu.
• Impulsi- ja impulsi muutuse seletus (Newtoni III seadus): tiib suunab läbitulevat õhku alla (air downwash); selle õhu suunamuutuse eest maksab õhk reaktsioonina tõstejõuga tiivale (tuues tiiva ülespoole või tekitades allasuunalise jõu, nagu võidusõiduautode tiibadel).
• Ringluse ja Kutta–Joukowski teoreem: aerodünaamikas on täpsemaks matemaatiliseks selgituseks tiiva ümber tekkiv ringlus (circulation), mis koos vaba voo kiirusega määrab tõstejõu tihendatud vormis.

Praktiliselt toimivad kõik need nähtused koos: tiiva kuju (profiiil), nurk õhuvoolu suhtes (angle of attack) ja voolu ümbritsev dünaamika määravad rõhud ja voolu suuna, millest tekib netotõste.

Matemaatiline väljend

Tõste suurus on sageli ligikaudselt esitatav valemiga:

L = 1/2 ρ V² S C_L

• L — tõstejõud (Newtonites)
• ρ — voolu tihedus (nt õhu tihedus)
  
• V — suhteline voolu kiirus tiiva suhtes
• S — tiiva pindala (projektsioon voolu suhtes)
• C_L — tõste koefitsient, mis sõltub profiilist, aoa'st (angle of attack), reynoldsi numbrist ja muu voolu tingimustest

Tõste koefitsient C_L võtab arvesse keerukaid voolu- ja rõhumustreid; see ei ole konstant ja muutub eriti suure nurga korral (stalli korral kukub C_L järsult).

Mõjutavad tegurid ja piirangud

• Nurk õhku suhtes (angle of attack): on kõige otsekohesem viis tõste suurendamiseks kuni kriitilise nurga ehk stallini.
• Profiili kuju ja paksus: õhuke, hästi kujundatud profiil võib saavutada suure C_L ja väikse vastupidavuse.
• Kiirus ja tihedus: tõste sõltub ruutjõuliselt kiirusest ja proportsionaalselt tihedusest.
• Reynoldsi ja Machi efektid: väikestel objektidel ja madalatel kiirustel domineerib Reynoldsi number; kõrgematel kiirustel lisanduvad kompresseeritavuse (sonic/ transonic) efektid.
• Lõikumine ja turbulents: separatsioon ja turbulents võivad oluliselt vähendada tõstet ja suurendada vastupanu.
• Tõste- ja vastupanu-suhe: hea disain püüab maksimeerida tõstet ja minimeerida vastupanu (drag).

Rakendused ja näited

• Õhusõidukite tiivad — tavaline näide, kus tõste hoiab lennukit õhus. Flapid, slat’id ja muud seadised suurendavad ajutiselt S ja C_L maandumis- ja õhkutõusuvõimekuse parandamiseks.
• Helikopteri rootorid ja propellerid — rootoril või propelleril tekib igal labal tõste, mis annab vertikaalse tõusu (heli- ja doonbiknad) või edasiliikumiseks vajaliku tõste/tugevuse.
• Propellerid lennukitel ja paatidel — labad töötavad nagu pöörlevad tiivad, muutes vedeliku või gaasi liikumist ja tekitades tõste/veojõudu.
• Purjekate ja purjed — purje tekitab horisontaalse komponentiga tõstejõu, mis liigub laeva edasi; mast ja kere muudavad jõudude jaotust, et tekitada kasulikku liikumist voolu suhtes.
• Tuuleturbiinid — labadele mõjuv tõste tekitab pöördemomendi, mida muudetakse elektrienergiaks.
• Võidusõiduautode tiivad — siin kasutatakse sama põhimõtet tagamaks mitte üles- vaid allapoole suunatud tõste ehk downforce, mis parandab haarduvust ja kurvide läbimist.

Levinuimad eksitused

• Populaarne, aga eksitav selgitus, et õhk jaguneb pooleks ja liigub tiiva mõlemalt küljelt ühtlaselt kokku võrdselt kaua („equal transit time”) — see ei kehti enamiku instrumentaalsete mõõtmiste ja modelleerimiste juures.
• Tõste täielik seletamine ainult Bernoulli’ga või ainult Newtoniga — tegelikult mõlemad vaatenurgad kirjeldavad voolu erinevaid aspekte ja kokku annavad täpsema selgituse.

Mõõtmine ja projekteerimine

Tõste ja aerodünaamilisi omadusi uuritakse tuuletunnelites, arvutuslikus vedelike dünaamikas (CFD) ja lennukatsetega. Disainerid optimeerivad profiile, flappe ja nurgustruktuure, et saada soovitud C_L ja minimeerida hodust: vastupanu (drag), müra ja vibratsiooni. Praktikas võtavad disainilahendused arvesse ka stabiilsust, juhitavust ja tugevusnõudeid.

Kokkuvõte

Tõstejõud on vedeliku või gaasi voolust tingitud jõud, mis mõjub kehale risti voolusuunaga. Selle teke on tingitud rõhuerinevustest, õhu suunamisest (impulsi muutusest) ja vooluringlusest tiiva ümber. Tõste suurus sõltub kiirusest, tihedusest, pinnast, profiilist ja nurgust ning selle tõhus kasutamine on aluseks lennundusele, säästvale energeetikale (tuuleturbiinid), laevandusele (purjed) ja paljudele tööstuslikele seadmetele.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tõstevõime?

K: Milline on kõige levinum tõstejõud?

K: Millised on veel mõned levinumad tõstejõu kasutusalad?

K: Kas tõstejõud võib olla mis tahes suunas?

K: Kuidas seletatakse tõstejõu teket?

K: Kas kõik tõstejõu tekkimise selgitused on täpsed?

K: Milline on tõstejõu mõju keha liikumisele?

Otsing