Humlans flykt

En klassisk skröna är den om att humlan egentligen inte kan flyga, men eftersom den inte vet om det så flyger den ändå. Givetvis är detta inte korrekt. Humlan kan flyga. Det är bara vetenskapsmännen som har haft mycket svårt att förklara hur det går till.

Men det är inte bara humlor som har problem med flygandet. Vetenskapsmännen är inte alltid överens hur man ska beskriva svåra saker på ett enkelt sätt. Den stora frågan är: Hur skapas egentligen lyftkraft? Kampen har varit lång och blodig.

Dags för celebrity deathmatch. I ena ringhörnet Sir Isaac Newton och i det andra Daniel Bernoulli.

När jag en gång för många år sedan genomförde min grundflygutbildning så var det Bernoulli som gällde. Teorin som lärdes ut då byggde på att den välvda ytan på översidan av vingen tvingade luften att fara fram snabbare. Detta skapade ett undertryck som sög upp vingen i luften.

Som vanligt så var jag en obstinat kritisk elev och bad lärarna förklara hur samma vinge kunde flygas upp och ner? Eller hur en helt platt skiva bevisligen skapade lyftkraft? Hur kan en radiostyrd gräsklippare flyga trots att den helt saknar form som skulle kunna generera lyftkraft? Svaret på de frågorna uteblev givetvis.

Tittar man på NASA:s hemsida så har de en hel del exempel på sågade teorier. En av dessa är den som användes i Flygvapnets grundläggande utbildning, d.v.s. den s.k. "Longer Path" teorin. Andra teorier som sågas är "Skipping Stone" och "Venturi theory"

Jag har precis tagit civilt flygcertifikat. Till min stora glädje så har man i den civila utbildningen dammat av Newton.

I KSAB:s utbildningsmateriel lyfter man fram Newton för att förklara den grundläggande orsaken bakom lyftkraft. Lyftkraft skapas av nedsvep, d.v.s. genom att luften accelereras nedåt. Nedsvepet skapar en nedåtriktad kraft på luften. Enligt Newtons tredje lag så påverkas vingen då av en lika stor uppåtriktad kraft som blir lyftkraften. Det enkla praktiska exemplet på detta är att hålla handen ut genom bilrutan när man kör. Vinklar man handen mot fartvinden så tvingas den uppåt/nedåt beroende på vinkeln.

Även på Wikipedia har Newton lyfts fram som den enkla förklarande modellen.

Luftströmmens ändrade riktning

Men tittar man på tryckskikten över en vinge så verkar det som även Bernoulli har rätt. Det finns fält med över och undertryck som ger upphov till krafter som trycker/suger upp en vinge.

Tryckfördelning kring en vinge

Frågan är vilket som kommer först, hönan eller ägget? Eller kan hönan och ägget existera samtidigt? Är det Newtons kraftvektorändringar som skapar snabbare luftflöde som enligt Bernoulli skapar undertryck och ger upphov till lyftkraft eller är det tvärtom?

Bernoulli vs Newton. Vem vinner striden? Tja, den enkla förklaring är att bägge två har rätt!

When a gas flows over an object, or when an object moves through a gas, the molecules of the gas are free to move about the object; they are not closely bound to one another as in a solid. Because the molecules move, there is a velocity associated with the gas. Within the gas, the velocity can have very different values at different places near the object.

Bernoulli's equation, which was named for Daniel Bernoulli, relates the pressure in a gas to the local velocity; so as the velocity changes around the object, the pressure changes as well. Adding up (integrating) the pressure variation times the area around the entire body determines the aerodynamic force on the body. The lift is the component of the aerodynamic force which is perpendicular to the original flow direction of the gas. The drag is the component of the aerodynamic force which is parallel to the original flow direction of the gas. Now adding up the velocity variation around the object instead of the pressure variation also determines the aerodynamic force. The integrated velocity variation around the object produces a net turning of the gas flow. From Newton's third law of motion, a turning action of the flow will result in a re-action (aerodynamic force) on the object.

So both "Bernoulli" and "Newton" are correct. Integrating the effects of either the pressure or the velocity determines the aerodynamic force on an object. We can use equations developed by each of them to determine the magnitude and direction of the aerodynamic force.

Åter till humlan. Vetenskapen har på de senaste gjort stora framsteg och numera kan man faktiskt förklara hur humlan kan flyga.

"We decided to go back to the insect itself and use smoke, a wind tunnel and high-speed cameras to observe in detail how real bumblebee wings work in free flight," said Dr Richard Bomphrey of the Department of Zoology, co-author of a report of the research published this month in Experiments in Fluids. ‘We found that bumblebee flight is surprisingly inefficient – aerodynamically-speaking it’s as if the insect is ‘split in half’ as not only do its left and right wings flap independently but the airflow around them never joins up to help it slip through the air more easily.’
...
"Our observations show that, instead of the aerodynamic finesse found in most other insects, bumblebees have a adopted a brute force approach powered by a huge thorax and fuelled by energy-rich nectar," said Dr Bomphrey.

Råkraft i stället för finess. Precis som många stridsflygplan. En jättemotor och vingar som mest bara ändrar luftströmmen, d.v.s. kraftvektorns riktning. Men det är inte bara stridsflygplan som använder sig av denna teknik. Titta på ett specialbyggt flygplan som Su-26 som är designad för akrobatflygning. Det är mest motorn som gör det möjligt till de avancerade manövrerna.

Inte för att detta forskningsresultat gör humlan särskilt mycket lyckligare, men det kan kanske föra aerodynamikens konst ytterligare ett vingslag framåt.