Määritelmät ja nimitykset

5.1 Yleisiä määritelmiä

Tässä osiossa esitetään seuraavat aiheet:

• Ilmailun mittayksiköt
• Vektori ja vektoreiden yhteenlasku
• Nopeusjakauma
• Virtaviiva
• Painejakauma
• Painelajit: staattinen paine, patopaine, kineettinen eli dynaaminen paine, kokonaispaine

Ilmailun mittayksiköt:

Ilmailussa käytetään periaatteessa SI-yksiköitä, mutta lentosuorituksen aikana osa suureista on sovitettu lähemmäksi käytäntöön sopiviksi. Tällaisia ovat mm.:

• lentonopeus, joka ilmoitetaan usein solmuissa, eli merimailia/tunnissa (kt) eli 1 kt = 1852 m/h. Merimaili on yksi kaariminuutti pitkin isoympyrää, mikä helpottaa lentosuunnistusta, koska kartoissa on yleensä leveys- ja pituusasteikot. Yleinen yksikkö nopeudelle on myös mph eli mailia tunnissa, jota käytetään Englannissa ja USA:ssa. Yksi maili on 1 609,344 metriä. Etenkin sotilasilmailussa käytetään lisäksi km/h yksikköä. 
• Lentokorkeus ilmoitetaan yleensä jaloissa, mikä johtuu siitä, että lentopinnat on määritelty jaloissa. Tällöin korkeusporrastus perustuu 1013.2 hPa mittariasetukseen. Sotilasilmailussa käytetään myös metriä.

Täydellinen luettelo selityksineen on lähteessä: International Standards and Recommended Practices, Annex 5, Units of Measurement to be Used in Air and Ground Operations ed.5, International Civil Aviation Organisation (ICAO), July 2010 

Vektori.

Vektorisuure on suure, jolla on suunta, suuruus ja vaikutussuora. Vektorisuureita ovat esimerkiksi nopeus, kiihtyvyys, voima, momentti jne. Vektorisuuretta kuvataan nuolella, joka piirretään vaikutussuoralle siten, että sen kärki osoittaa vaikutussuuntaan ja pituus ilmaisee suuruuden. Vektoria saa siirtää pitkin vaikutussuoraansa.

Vektoreiden yhteenlasku:

Haluttaessa laskea yhteen kaksi vektoria A ja B, ks. kuva, siirretään ne molemmat vaikuttamaan vaikutussuoriensa leikkauspisteeseen, jonka jälkeen piirretään kärkien kautta suorat, jotka muodostavat suunnikkaan, jonka toisena kylkenä ovat itse vektorit. Tämän suunnikkaan voimien vaikutuspisteestä piirretty lävistäjä on vektoreiden summa. (Toinen lävistäjä on erotus.)

Kuva. Vektorisumma A + B saadaan vinosuunnikkaan halkaisijan avulla. Useamman vektorin summa saadaan asettamalla vektorit peräkkäin. Summa on ensimmäisen vektorin kannasta viimeisen vektorin kärkeen piirretty vektori.

 

Nopeusjakauma

Nopeusjakauman avulla kuvataan nopeuden muutosta eri etäisyyksillä kappaleen pinnan läheisyydessä. Nopeusjakauma saadaan piirtämällä viiva pinnan läheisyydessä olevien nopeusvektoreiden päiden kautta.

Kuva 7. Nopeusjakauma siiven pinnan välittömässä läheisyydessä. Vasemmalla laminaarinen rajakerros ja oikealla turbulenttinen. Nuolien pituus ja suunta osoittavat nopeuden ja verhoviiva nopeusjakauman. Turbulenttisessa rajakerroksessa virtaviivoja on kuvattu rosoisilla viivoilla. Nopeusjakaumalla kuvataan virtauksen käyttäytymistä kohteen ympärillä. Virtaviivat Virtaviiva on kappaleen ohitse kulkevan ilmavirran mukana liikkuvan partikkelin rata. Virtaviiva yhtyy siis kussakin pisteessä virtauksen tangenttiin eli virtausta ei tapahdu virtaviivojen lävitse.   Kuva, Virtaviivojen avulla kuvataan ilmapartikkeleiden rataa. Piste, jossa virtaviivat jakaantuvat siiven ylä- ja alapuolelle sanotaan patopisteeksi. Patopiste on sitä alempana mitä suurempi kohtauskulma, mihin perustuu esimerkiksi siiven etureunassa käytetty sakkausanturi. Havainnollistettaessa virtausta kappaleen ohitse, valitaan virtaviivat, jotka ovat tasavälein vapaassa, häiriintymättömässä virtauksessa. Virtaviivojen väli tihenee siellä, missä virtausnopeus kasvaa ja harvenee virtauksen hidastuessa. Patopiste osoittaa kohdan, jossa virtaus jakautuu kappaleen vastak­kaisille puolille. Patopisteessä virtausnopeus on nolla ja siinä vallitsevaa painetta kutsutaan patopaineeksi.

Painejakauma

Painejakautuma kuvaa paineen vaihtelua pitkin kappaleen pintaa. Painejakautuma piirretään siten, että kuhunkin kappaleen pinnan kohtaan piirretään kohtisuoraan pintaa vastaan vektori, jonka suuruus riippuu paineesta. Näiden vektoreiden kärkipisteiden kautta piirretty viiva kuvaa paineen muutosta kappaleen pinnalla. Vektorit jätetään yleensä pois, kun jakauma esitetään ja tyydytään pelkästään + ja – merkkeihin osoittamaan, onko paine ympäristöä suurempi vai pienempi.

Kuva 8. Painejakauma profiilin ympärillä. Punainen alue osoittaa positiivista painetta ja vihreä ympäristön painetta pienempää painetta. Profiiliin kohdistuva resultanttivoima on painejakauman ja kitkavoimien summa. Aina nuolia ei piirretä näkyviin vaan pelkkä jakautuma. Ylipaine merkitään joko + tai nuolen kärki osoittamaan kohti pintaa. Alipaine miinusmerkillä tai kärki pinnasta pois päin kuten kuvassa.Kuvan vasemmassa reunassa on profiilin tiedot sekä virtaustilanne:Reynoldsin luku = 4M, Kohtauskulma α = o°, Nostovoimakerroin CL = 0.6344, Momenttikerroin CM = -0.1478, Vastuskerroin CD = 0.00506, Liitosuhde L/D = 125.40, Virtauksen turbulenssiaste NCR = 10 (erittäin vähän turbulenssia). Transitiopiste osoittaa kohdan, missä virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi.

 

Staattinen paine

Staattinen paine on vapaan ilman paine eli paine, jonka virtauksen mukana vastusta synnyttämättä liikkuva paineanturi mittaa. Ilmanpaine tietyllä korkeudella ilmoitetaan staattisena paineena. Kansainvälinen ilmakehä määrittelee staattisen paineen riippuvuuden lentokorkeudesta.

Patopaine

Patopaine on paine, joka syntyy, kun virtaus saatetaan adiabaattisesti lepoon. Se on patopisteessä vallitseva paine. Patopisteessä virtaus jakaantuu esimerkiksi siiven ylä- ja alapuoliseen virtaukseen. 

Pitotpaine 

Pitotpaine on pitotputkella mitattu virtauksen suuntainen paine. Alisoonisessa alueessa se on yhtä suuri kuin patopaine. Pitot-putki on sijoitettu paikkaan, johon virtaus osuu mahdollisimman esteettömästi. Ylisoonisessa virtauksessa pitot-paine poikkeaa patopaineesta sitä enemmän mitä korkeapi Machin luku on.

Kuva: Pitot-putkella mitataan lentonopeutta. Pitot-paine saadaan putken kärjestä ja staattinen paine putken sivussa olevista rei’istä. Nopeusmittarissa paine-ero näytetään lentonopeutena. Pitot-putki tulee suunnata siten, että se on kohtisuoraan virtausta vastaan. Pitot-paine on alisoonisessa virtauksessa sama kuin patopaine mikäli pitot-putken pää on kohtisuorassa virtausta vastaan.

 

Kineettinen eli dynaaminen paine

Kineettinen paine (= ½ r V2) on puolet väliaineen tiheyden ja virtausnopeuden neliön tulosta. Tämä paine on aerodynamiikan kaavoissa hyvin usein esiintyvä suure, joka on yhtä suuri kuin staattisen paineen lisäys pisteessä, johon virtaus on pysähtynyt (esim. patopiste). Se vastaa ilmavirran liikenopeuteen sisältyvää painetta, joka tulee esiin, kun liike pysäytetään. Kineettisen paineen määrittelyä varten tarvitaan tieto tiheyskorkeudesta.

Kokonaispaine

Kokonaispaine on kussakin virtauksen kohdassa staattisen paineen ja kineettisen paineen summa. Virtauksen hidastuessa kineettisen paineen osuus pienenee mutta staattisen paineen osuus kasvaa saman verran. (Bernouillin laki)