Dwars-stabiliteit in verband met hoogte zwaartepunt

Een starre massa die wordt belast door een kracht die niet door het zwaartepunt van de massa gaat, ondergaat een translatie in een richting vanuit het zwaartepuntn evenwijdig aan die kracht en een rotatie rond het zwaartepunt. Het zwaartepunt en rotatiepunt vallen samen!!!

Groet,

Ad

 

Een vliegtuig is geen starre massa. CG en rotatiepunt vallen niet samen.

Zet jij maar eens op een shockflyer alle electronica etc zo ver mogelijk naar onderen op de romp. Je zult zien dat het toestel dan niet axiaal meer rolt.

 

Wat leesvoer, heb het zelf nog niet helemaal doorgenomen.
Maar NASA geeft het ook zelf aan dat een hoogdekker stabieler is dan een laagdekker.
chapt9

 

Alle beschouwingen hiervoor gaan uit van een starre, onvervormbare massa. En dat is volgens mij voor dit soort denkoefeningen een gerechtvaardigde simplificatie. Zodra je ook vervormingen van vleugels en dergelijke mee wilt gaan nemen kom je op een gebied waarin het niet meer mogelijk is om de situatie met een paar schetsjes op een kladblok weer te geven.
En voor starre massa's geldt dat de beweging daarvan bestaat uit een snelheidsvector door het zwaartepunt en een rotatie om het zwaartepunt.

Groet,

Ad

 

Test

Hier mijn testtoestel.
Vanavond bij minder wind ga ik ermee testvluchten maken. Vanaf een hoogte van ca. 6 meter dat moet genoeg zijn. In de kamer al geprobeerd maar ja, dat zijn wel erg korte glijvluchten.



Johannes

 

Dan klopt deze zienswijze domweg niet, omdat bij modelvliegtuigen zwaartepunt niet het rotatiepunt is.

En als het dat niet is, dan krijg je dus wat ik tekende.

 

...

 

In de modelvliegtuigen-natuurkunde dan misschien niet?

Ik ben geen vlieger,zelfs geen vaarder, want mijn modellen staan saai op een standaard. Maar wat ik zo wel eens zie is dat de langspositie van het zwaartepunt van een model uiteraard heel nauwkeurig bepaald wordt. Ik vraag me af of de hoogte positie ervan ook zo precies bekend is. Verder lijkt het mij erg moeilijk om uit observaties van het vlieggedrag van een model af te leiden waar het draaipunt zich bevindt. Het zo met het blote oog een beweging van een toestel te ontbinden in een snelheids- en een rotatievector lijkt mij wel erg veel gevraagd voor onze hersenen.
Misschien zie ik in mijn onwetendheid van de observatietechnieken dingen over het hoofd, maar het lijkt mij moeilijk om de stellige bewering dat bij vliegtuigen zwaartepunt en rotatiepunt niet samenvallen, te onderbouwen.

Groet,

Ad

 

Ik vlieg F3A-A kunstvlucht, een discipline waarbij het axiaal rollen van een kist erg van belang is. De F3A vliegers zijn er op getrained om daar op te letten.

Natuurlijk is er ook een goede natuurkundige verklaring voor waarom dit zo is, alleen kan ik die je zo niet even geven. Het enige wat ik wel weet, is dat bij een modelvliegtuig het CG niet het rotatiepunt is.

 

Stel, we versimpelen het model nog verder. Een lange satehprikker (10cm) met aan één eind bevestigd een gewicht (stelt romp voor) en aan de andere kant een plankje balsa van 20x5cm (stelt vleugel voor). Vleugel en gewicht zijn even zwaar. In het midden van de prikker kan dit geheel roteren. Dit alles kan zowel een hoog- als een laagdekker simuleren.

Als ik jouw stelling volg is dit model altijd stabiel, ongeacht of het gewichtje (romp) zich boven de plank (vleugel) of daaronder bevindt? Mijn gevoel zegt mij dat dat dit juist is. Wanneer een van de twee zwaarder is, zal de plank of het gewicht altijd naar beneden willen komen (simuleert hoog- of laagdekker).

Op basis van deze uitgangssituatie kun je inderdaad stellen dat een laagdekker statisch net zo stabiel of zelfs stabieler kan zijn dan een hoogdekker op dit ene aspect. Het is een kwestie van gewichtsverdeling ten opzichte van het middelpunt. Je laat in dit model wel alle dynamische eigenschappen weg. Begrijp ik jouw stelling zo goed Peter?

Dat in de praktijk hoogdekkers in het algemeen stabieler zijn is volgens dit model dan waarschijnlijk te verklaren door praktische oorzaken. Een gunstige gewichtsverdeling is bij een hoogdekker nu eenmaal makkelijker te realiseren dan bij een laagdekker.

 

Nee, het komt gewoon omdat er een fout zit in de uitgangspunten hier.

Dat zit 'm in het rotatiepunt. Daarvan wordt aangenomen hier dat je klakkeloos overal het rotatiepunt, zwaartepunt en liftpunt op 1 punt mag leggen. Dat is niet zo.

Als dat niet zo is, zie dan mijn tekeningetjes eerder, en dan begrijp je ook dat nagenoeg alle schetsen in de OP, niet kloppen.

 

Eens met dat laatste. Bij schepen is het zo dat het zwaartepunt onder het rotatiepunt moet liggen. Is dat niet het geval kapseist het schip. Het verschil tussen rotatiepunt (center of mass) en zwaartepunt (center of gravity) bepaalt de mate van statische stabiliteit. Dit geldt volgens mij ook onverkort voor vliegtuigen. In jouw tekening zou je dan m.i. de groene en zwarte punt om moeten draaien. Dan klopt volgens mij je stelling.

Er ontstaat in jouw voorbeeld een moment dat de uitgangssituatie wil herstellen, d.w.z. de verschoven as door rotatie en zwaartepunt terug naar de getekende lijn (uitgangspositie) schuiven.

 

Ik ben bang dat ik dit ook moet tegenspreken. Hier wordt het zogenaamde metacentrum als rotatiecentrum van schepen beschouwd, wat het niet is. Het metacentrum van een schip ligt op het snijpunt van de resulterende opwaartse drijfkracht van een schip bij een zekere slagzij met de vertikale hartlijn van het schip, en dat punt moet boven het zwaartepunt liggen voor een stabiel schip. Het gaat te ver om daar hier in een aerodynamica draadje veel dieper op in te gaan, maar een aardige uitleg over scheepsstabiliteit is hier te vinden.

Groet,

Ad Bakker

 

Hooo, nu zeg je heel wat anders.
Bij een door rol-, richting- en hoogteroer gestuurd vliegtuig geldt misschien dat het rotatie punt (of moet ik rotatie-as zeggen) misschien niet samenvalt met het zwaartepunt.
Maar dat is wel heel wat anders dan wanneer je een object neemt, daarop op een bepaalde plek één kracht uitoefent en waarneemt wat er dan gebeurt.

Stel ik neem een massieve bal. Die hangt stil in de vrije ruimte. Ergens op het oppervlak is een touwtje bevestigd, en daaraan ga ik trekken.
Daardoor gat de bal draaien om zijn massamiddelpunt (zwaartepunt).

Kortom: las je op een stabiel vrij hangend object één extra kracht gaat uitoefenen die niet aangrijpt in het massamiddelpunt, dan gaat dat opject kantelen. Dat is eerste klas natuurkunde.

Alleen ... nadat die stand een klein beetje is gewijzigd, maar de bewegingsrichting nog niet (of nauwelijks) veranderen wel allerlei krachten die daarvoor een stabiel evenwicht creëerden.
Een vliegtuig is een apparaat dat een heel complex samenspel van krachten in zich bergt.

Dirk.

 

Johannes!!! Houdt nou eens op!!!! Zo'n proefballonnetje, en ook al weer 100x netter gebouwd dan de gemiddelde modelbouwer doet.

FLANS nou een een keer iets in elkaar ipv. zo netjes te bouwen!
Laat zien dat je ook kunt prutsen!

Dirk.

 

Hoezo, d'r zit toch ducttape op?

Nee ik zeg nog steeds hetzelfde. De tekeningetjes in de openingspost, betreffen vliegtuigen. In dat kader moet je het dus ook bezien. En dan kun je niet zomaar zeggen dat rotatieas, zwaartepunt en liftpunt, op dezelfde plek liggen. In horizontale lijn kom je daar voor het zwaarte- en liftpunt mee weg, maar zodra je de afbeelding gaat draaien, kun je die krachten niet meer op hetzelfde punt laten aangrijpen.

Hoe dat zit, heb ik al geschetst in de eerdere tekeningetjes.

 

Ik zie hier nu een aantal reacties waaruit blijkt dat sommigen denken dat zwaartepunt, aangrijppunt van de liftvector, en het rotatiepunt moeten samenvallen.
WAAROM moet dat?

Een simpel gedachten experiment:
Lift wordt veroorzaakt door de vleugel. Wellicht ook nog een heel klein deel door romp en stabilo. maar dat is te verwaarlozen klein. We neme een rechte vleugel zonder V-stelling.
Ik denk dat iedereen het erover eens is dat het aangrijpingspunt van de liftkracht ergens in de vleugel, in de wortelrib zal liggen.

Vervolgens nemen we het profmodel van Johannes, omdat het zo'n lekker extreme laagdekker is met een heel dun vleugelprofiel. Om te kunnen vliegen zal het zwaartepunt ergens bover 25% en 33% van de vleugelkoorde liggen. Maar het is ook erg duidelijk dat dat punt BOVEN de vleugel ligt, want een groot deel van de totale massa bevindt zich boven die vleugel.

We hebben hier dus een situatie waarin de kracht omhoog onder de kracht omlaag aangrijpt. En dat is per definitie een instabiele situatie (knikkertje op de bol).

Waarom vliegt het dan toch? Omdat er nog veel meer krachten een rol spelen. Zodra hij achter- of voorover begint te vallen gaat het stabilo een corrigerende rol spelen. En dat gaat goed zolang de corrigerende kracht van het stabilo sneller groeit resp. groter blijft dan de destabiliserende krachten spel van lift en zwaartekracht.

Dirk.

 

Met die schetsjes van jouw ben ik het eens. Waar het mij om ging was de suggestie dat de rol-as door het massa-middelpunt zou moeten lopen. En dat hangt zeer af van hoe alle krachten samen komen.

Als j bv. alleen rol geeft (ho & ri niet aanraakt) dan is, op het moment dat de kist op z'n kop ligt, de lift ook naar beneden gericht. Dan zal hij dus zakken. Je vliegt dan dus een wokkel (mogelijk zo klein dat je dat niet ziet, maar toch). Dat zou je kunnen corrigeren met up gedurende die fase. Maar dan kantelt de kist wel wat achterover (als je nog van achterover kunt spreken als je op z´n kop vliegt).

Dirk.

 

Het wordt een herhaling van zetten en het moge duidelijk zijn dat vooral Henri en nog enige andere critici en ik ons op dit dossier niet gaan vinden; dat hoeft dan ook niet.
Laat ieder zelf bepalen wat hij hiervan vind.
Let wel; ik baseer me op de wetten van de krachtenleer ofwel mechanica in mijn schooltijd en @Ariel: ik heb les gehad van een hele goede en inspirerende leraar. (die overigens ook natuurkunde, vliegtuigmotor-techniek, warmteleer en vliegtuigconstructies en systemen gaf) en Ad, dank voor de steun!
De conclusies van Henri t.a.v. het aparte draaipunt herken en erken ik dan ook niet.

Ook al gezegd: ik geef direct toe dat een paar vectoren een versimpeling van de werkelijkheid zijn, maar wel de belangrijkste van de onderdelen in het krachtenspel.
Ik stel deze versimpeling domweg tegenover de versimpeling: a) een hoogdekker is stabiel een laagdekker niet en ik blijf stellen; die uitspraak, vaak gedaan op dit forum vind je niet terug in de belangrijkste werkende krachten.
Dat er meer zaken in het spel zijn geeft Dirk terecht aan, maar vallen eigen buiten de eerste opzet van mijn betoog.

Het kan best zijn dat je uit andere overwegingen tot de conclusie kan komen dat een hoogdekker zekere stabiliteits of andere voordelen heeft t.o.v. een laagdekker als bijvoorbeeld beginnersvliegtuig maar dat is niet wat de zegslieden van a) in het algemeen bedoelen.

...............
Wellicht nog een anekdote waaruit blijkt dat mijn critici zich in goed gezelschap bevinden:
Ik ben goed bevriend geweest met Justus (Joep) van Hattum, een grootheid in de modelbouwwereld vanaf de jaren 30 tot 60 maar ook de ontwerper en medebouwer van de FK53.
Hij vertelde mij dat Frits Koolhoven van mening was dat 'Laagdekkers omvielen in de lucht ' en daarom geen toekomst hadden. (dit is de tijd van de opkomend Messerschmits en Spitfires!)
Toen hij ontdekte dat Joep een laagdekker aan het bouwen was heeft hij verordineerd dat het minstens een schouderdekker moest worden: in dat stadium kon de romp niet meer aangepast worden en Joep heeft dat dan ook onder protest opgelost met een opgeknikt meeuwenvleugeltje.

@Ariel: ik ben benieuwd naar je bevindingen.

 

Het kwartje is gevallen!

Wat een Eye-opener!

Bedankt Peter.

Nooit heb ik over nagedacht hoe het zit. Er werd bij ons ook nooit over gesproken.
In het verleden heb ik zowel met laagdekkers en hoogdekkers gevlogen en allebei zowel met en zonder v-stelling. Ja natuurlijk vloog ook een laagdekker met v-stelling stabiel maar ook een hoogdekker heeft v-stelling nodig om stabiel te vliegen.

Straks mijn toestel testen.

Johannes