"Godhet utan vishet och utan
gränser är bara en annan
form av ondska."
(John Paterson)

"Det är synd att 99% av
journalisterna skall fördärva
förtroendet för en hel yrkeskår"
(okänd)

"Ormar äro älskliga varelser,
om man råkar tillhöra samma
giftgrupp"
(Artur Lundkvist)

"Outbildade idioter utgör inte
något större problem.
Välutbildade och intelligenta idioter
är däremot fullständigt livsfarliga.
De kan förstöra ett helt land på
nolltid."
(Okänd)

"Den som gifter sig med
tidsandan blir snabbt änka."
(Goethe)

"Civiliserade är de kulturer
och individer som respekterar
andra."
(hört på Axesskanalen)

"Det tragiska med vanligt
sunt förnuft är att det
inte är så vanligt."
(Albert Einstein)

"Halv kristendom tolereras
men föraktas.
Hel kristendom respekteras
men förföljs."
(Okänd)

Senast ändrad: 2019 08 22 18:17

Propellereffekter och gyralkrafter

 

Grundläggande har man på ett enmotorigt flygplan tre olika, viktiga effekter kopplade till propeller och motor:

1. Eftersom en propeller roterar åt ett visst håll, vill ett flygplan, när man drar på snabbt, rotera åt andra hållet (enligt lagen om rörelsemängdsmomentets bevarande). Ett flygplan med smalt landningsställ i kombination med en mycket stark motor kan vid markkörning t o m slå runt vid kraftigt motorpådrag.

Läsaren känner givetvis till begreppet tröghet, vilket är ett av fysikens allra viktigaste begrepp. Ett föremål, som inte påverkas av några krafter, vill på grund av sin tröghet fortsätta rakt fram med konstant fart. Detta brukar kallas tröghetslagen. En alternativ och kvantitativ formulering av tröghetslagen säger att rörelsemängden (vilken definieras som massa gånger hastighet) hos ett slutet system (ett system som inte påverkas av några yttre krafter) är konstant. Håller man t  ex en laddad pistol i handen så har systemet (dvs pistol plus ammunition) rörelsemängden noll (eftersom hastigheten är noll). När man avlossar pistolen far kulan iväg med stor hastighet, dvs har en rörelsemängd. Även om massan hos kulan inte är så stor, blir ändå rörelsemängden avsevärd, eftersom kulans hastighet är mycket stor (rörelsemängd är ju enligt ovan lika med produkten av massa och hastighet). Före avlossande av skottet var systemets rörelsemängd lika med noll. Enligt lagen om rörelsemängdens bevarande måste rörelsemängden vara noll även efter att skottet skjutits. Därför vill pistolen röra sig bakåt (kallas rekyl). Pistolen är betydligt tyngre än kulan och behöver därför inte ha lika stor hastighet för att få lika stor rörelsemängd som kulan. Pistolens rörelse kommer att vara motriktad kulans, eftersom de två rörelsemängderna måste ta ut varandra. Rörelsemängderna före och efter avlossandet av skottet kommer därför att vara noll (eftersom systemets, dvs pistolens och kulans, totala rörelsemängd var noll initialt så måste, enligt tröghetslagen, summan av kulans och pistolens rörelsemängd hela tiden vara noll, så länge inga yttre krafter verkar på systemet). Nu kommer ju inte pistolen att fara iväg bakåt, eftersom skytten håller i vapnet. Dvs pistolen påverkas i detta fall av en yttre kraft (skyttens hand), som motverkar dess rörelse bakåt, men själva principen kvarstår.

Newtons tredje lag säger att två föremål påverkar varandra med lika stora och motriktade krafter. Denna lag brukar kallas lagen om verkan och motverkan (action and reaction). Ovanstående fenomen är ett exempel på denna lag tillämpad på roterande system.

Även vid rotationsrörelse har vi en tröghet (en friktionslös snurra fortsätter att rotera i evighet). Rotationsmotsvarigheten till rörelsemängd kallas rörelsemängdsmoment (kortfattat så bestäms rörelsemängdsmomentet av en roterande kropps massa, rotationshastighet och momentarm — den senare beror på hur långt från rotationsaxeln massan är placerad). Även rörelsemängdsmomentet bevaras för ett slutet system. Precis som att en skytt påverkas av ett vapens rekyl (skjuter man med en elefantstudsare och står upp riskerar man att ramla bakåt), så påverkas ett flygplan av propellerns och motorns rotationströghet. Ett flygplan med en kraftig motor på två- till tretusen hästkrafter (som var ganska vanligt förekommande vid slutet av WW2), vilket gör ett plötsligt motorpådrag, påverkas således av en "rekyl" som vill rotera planet åt motsatta hållet mot motor/propeller (för att hålla rörelsemängdsmomentet konstant). Ett jaktplan (som är ganska lätt) med smalt landningsställ (som Spitfire och Meschersmitt 109), i kombination med att underlaget dessutom lutar eller är ojämnt, kan därför vid snabba motorpådrag slå runt (speciellt de senare versionerna av dessa flygplan, vilka hade betydligt starkare motorer än de ursprungliga versionerna).

För många år sedan fanns ett tv-program som hette "Dolda Kameran". Där utsatte man människor för olika spratt och filmade detta i smyg (ett sådant program skulle nog inte gå att göra idag, eftersom människor är så lättkränkta numera). Vid ett tillfälle hade man ställt en småväxt kvinna vid ett gathörn. Bredvid kvinnan stod en stor resväska. Inuti väskan fanns en ganska tung gyrosnurra plus ett bilbatteri. När kvinnan fick syn på en man som såg stark ut så bad hon denne att hjälpa henne med väskan. När den hjälpsamme mannen, stolt över hur stark han var, skulle gå runt hörnet med den tunga väskan ville den inte hänga med, utan ville fortsätta rakt fram. Gyrot var så pass tungt och roterade med så hög hastighet att det var nästan omöjligt för den starke mannen att få med sig väskan runt hörnet. Det var väldigt roligt att se hur konrfunderade de stackars "offren" såg ut. Förutom att tittarna fick sig ett gott skratt så visade detta inslag på vilka starka krafter snabbt roterande kroppar kan generera.

Nu är det inte bara propellern som roterar. Hos en vanlig förbränningsmotor roterar också vevaxeln, även om dess bidrag till rörelsemängdsmomentet är ganska begränsat. Kolvarna, som har en linjär rörelse fram och tillbaka ger inget rörelsemängdsmoment. Hos jetmotorer, som enbart har roterande delar (kompressor, fläkt och turbiner) har man ett ganska stort rörelsemängdsmoment (varvtalet hos en medelstor jetmotor, av den typ som används på stridsplan, ligger runt 14 000 till 17 000 varv/minut).

2. En ytterligare effekt är den s k P-effekten. Hos ett propellerplan med stor anfallsvinkel (vinkeln mellan planets nos och planets förflyttning genom luften — anfallsvinkel förklaras här — se bild 4) kommer propellern att vara snedställd i förhållande till luftströmmen. Låt oss tänka oss en propeller som roterar medurs (vilket var det normala hos amerikanska stridsplan under WW2) sett från piloten. På högra sidan av propellern rör sig då bladen nedåt och på vänstra sidan uppåt. En närmare analys av de krafter som då uppstår visar att de nedåtgående bladen (i detta fall till höger om propelleraxeln) ger mer dragkraft än de uppåtgående bladen (till vänster om propelleraxeln). Effekten växer med flygplanets anfallsvinkel. De nedåtgående bladen får nämligen en högre hastighet relativt luften jämfört med de uppåtgående bladen och ju högre hastighet bladen har, desto mer "lyftkraft" (en propeller fungerar i princip som en vinge — vilket redan bröderna Wright insåg). Planet nos kommer då att vridas åt vänster. En propeller som roterar medurs, sett från piloten, får således planets nos att vrida sig åt vänster. Och tvärtom för en propeller som roterar moturs sett från piloten (den läsare som vill sätta sig in i p-effekten närmare rekommenderas att goggla på p-effect).

För att enkelt förstå hur p-effekten fungerar, kan vi tänka oss att vi ökar ett flygplans anfallsvinkel till maximum, dvs 90°. Planet "hänger" då i propellern och blir som en helikopter. De propellerblad som tidigare var på väg nedåt är nu på väg framåt. Dvs de har nu en hastighet relativt luften som är lika med summan av "helikopterns" horisontella fart och bladens fart. För bladen som rör sig bakåt blir farten relativt luften skillnaden mellan bladens fart och "helikopterns" horisontella fart. De framåtgående bladen får således högre fart relativt luften och därmed större lyftkraft (en vinges lyftkraft är proportionell mot vingens fart genom luften). På de flesta helikoptrar motverkas denna skillnad i lyftkraft (som skulle få helikoptern att luta mer och och mer) genom att rotorbladens anfallsvinkel kan ändras individuellt (lyftkraften är också proportionell mot anfallsvinkeln och de framåtgående bladen ges därför mindre anfallsvinkel än de blad som rör sig bakåt), så att båda sidor av rotorn har samma lyftkraft.
Den vetgirige läsaren kanske undrar, även om det ligger utanför dagens ämne, hur en helikopter kan drivas framåt (eller bakåt eller åt sidan)? Dragkraften hos en horisontell propeller är ju vertikal och borde inte ge någon horisontell kraftkomposant. Förklaringen är att man lutar rotorn, eller hela helikoptern, åt det håll man vill förflytta sig.

P-effekten blir som mest märkbar i samband med start och landning, där anfallsvinkeln kan vara stor och farten dessutom är låg och sidorodret därför inte är så effektivt. Under WW2 hade nästan alla jaktplan sporrhjul (ett litet hjul i stjärten i stället för som idag ett noshjul). Plan med sporrhjul kör med hög nos på marken (se bilden på Seafang i slutet av denna artikel), dvs har en ganska stor anfallsvinkel vid markkörning (på vissa flygplan gjorde den stora anfallsvinkeln att piloten hade så dålig sikt framåt att man vid taxning måste ha en mekaniker som satt på en av vingarna och dirigerade piloten). När man drar på vid start, kommer nosen på grund av p-effektan att vridas åt höger eller vänster (beroende på åt vilket håll propellern roterar). Detta måste kompenseras med sidorodret. Därför gällde det för motorstarka propellerplan att ha ett rejält tilltaget sidoroder. De första versionerna av Vought F-4U Corsair (ett av USA:s viktigaste jaktplan under kriget i Stilla Havet — se min artikel om Andra Världskrigets vapensystem) kunde vid go around, dvs när man vill avbryta ett landningsförsök (orsakerna till detta kan vara många), endast svänga åt vänster (det håll åt vilket p-effekten ville vrida planet. Att svänga höger var omöjligt. Vid go around drar man på för fullt och försöker stiga snabbt, dvs har stor anfallsvinkel. Här blir p-effekten som värst (eftersom farten dessutom är låg) och Corsairs sidoroder var helt enkelt för litet för att kunna övervinna p-effekten i detta läge. I senare modeller av Corsair hade man ökat arean på fena och sidoroder och kunde svänga åt vilket håll man ville vid en go around.

Vid go around med Corsair (och andra motorstarka, enmotoriga flygplan) gällde det också att öka gasen försiktigt. Vid snabbt motorpådrag så fick man den effekt som beskrivs under punkt 1 ovan. Planet ville då rotera (rolla) åt motsatta hållet mot rotationsriktningen hos propeller och motor, enligt lagen om rörelsemängdsmomentets konstans. Samma sak kunde inträffa vid start. Vid alltför snabba och stora gaspådrag räckte inte skevrodren till för att motverka detta (rollmoment) och planet riskerade att t o m hamna i ryggläge. Tiotals Corsairpiloter fick sätta livet till på grund av detta. Fenomenet kallades "torque roll" (torque=vridmoment). Corsair var definitivt inget nybörjarplan. Men i händerna på en erfaren, skicklig pilot var det ett fantastiskt flygplan.

3. Slutligen påverkas motorstarka flygplan av gyralkrafter (gyroskopiska krafter). Ett snabbt roterande hjul har ett stort rörelsemängdsmoment. Eftersom rörelsemängdsmomentet bevaras, har ett sådant roterande hjul en stabilitet både när det gäller rotationshastighet och rotationsaxelns riktning. Gyrot gör alltså motstånd om man försöker vrida dess rotationsaxel. Detta utnyttjas i gyrokompasser, gyrohorisonter och en uppsjö andra instrument. Om man har ett gyro som roterar kring en horisontell axel orienterad i t ex nord-sydlig riktning, och sedan försöker vrida axeln åt något håll, t  ex västerut, kommer gyrot, förutom att göra motstånd mot vridningen av rotationsaxeln, samtidigt ge en kraft riktad uppåt eller nedåt, beroende på åt vilket håll gyrot roterar. Detta fenomen kallas precession. Precesionskraften är alltid vinkelrät både mot gyrots rotationsaxel och mot hur man försöker vrida gyrots axel. Både propeller- och jetplan uppvisar gyroskopeffekter (båda har ju relativt tunga, snabbt roterande delar). Om man plötsligt försöker ändra planets riktning åt ett visst håll (uppåt, nedåt, vänster eller höger) får vi precessionskrafter som vill vrida planet vinkelrätt mot riktningsändringen.

Enligt Newtons första lag (tröghetslagen) bevarar, som vi sett ovan, ett föremål, som inte påverkas av några krafter, sitt rörelstillstånd. Dvs fortsätter rakt fram med konstant fart. Här talar vi om förflyttning och inte om rotation. För att ändra ett föremåls rörelsetillstånd krävs en kraft. En kraft åstadkommer således inte rörelse utan förändring av rörelse. Det som diskuteras under punkt 3, är helt enkelt rotationsmotsvarigheten till tröghetslagen (inom fysiken skiljer man mellan translation, dvs förflyttning av ett systems tyngpunkt, och rotation, dvs rotation kring ett systems tyngdpunkt — eller någon annan lämplig punkt).

 

Lockheed P-38 Lightning. Ett tvåmotorigt jaktplan med motroterande motorer och därmed motroterande propellrar. P-38 användes både mot tyskar, italienare och japaner. Tyskarna kallade planet för "der Gabelschwanz-Teufel" (den gaffelsvansade djävulen). Konstruerat av den legendariske konstruktören på Lockheed, Kelly Johnson. Denne var svenskättling och gick under namnet "the Swede". Kelly Johnson ledde efter WW2 konstruktionen av de två berömda spionplanen U-2 och SR-71 (här kan du läsa mer om SR-71). P-38 var ett av de få jaktplan som hade ratt i stället för spak. Den ratten övertog sedan U-2-planet.
Det japanska Zero-jaktplanet (se artikeln om WW2:s vapensystem — länk nedan) var ett av de mest manövrerbara planen under WW2. Problemet (vilket givetvis ur andra aspekter var en fördel) för Zeropiloten var att han hade en stark motor i förhållande till flygplanets vikt. Motorns vridmoment tillät därför inte skarpa högersvängar (enligt vad som diskuterats ovan). När en P-38 mötte en Zero gällde följande regel, "Håll farten på minst 480 km/h och bryt hårt uppåt och åt höger". Följde man detta råd hängde inte Zeron med (normalt flög Zeron i cirklar runt P-38). Där ser man fördelen med att ha två, motroterande motorer och propellrar.
USA:s främsta flygaräss under WW2, Richard Bong, sköt ned 40 japanska plan och fick alla utmärkelser man kan få, inklusive Kongressens Hedersmedalj. Alla hans segrar var med Lockheed P-38. Tyvärr omkom han i augusti 1945, endast 25 år gammal, under provflygning av en P-80 Shooting Star (ett av USA:s första jetplan).

Som stridspilot måste man känna till åt vilket håll propellrar och motorer roterar på de olika fientliga plan man kan tänkas möta. Och givetvis också när det gäller det egna planet. Jag läste för ganska länge sedan en skildring från WW2. Den var skriven av en f d pilot på en Lockheed P-38 Lightning (se bild ovan). Detta var ett amerikanskt, tvåmotorigt jaktplan med motroterande propellrar och motorer (användes av både UK och USA), dvs med totalt rörelsemängdsmoment lika med noll. Som alltstå inte kände av någon av de tre effekter som redogjorts för ovan. Vid tillfället i fråga jagades P-38:an av ett antal Focke Wulf FW-190 (som var ett av Nazitysklands bästa, om inte det allra bästa, jaktplan). FW-190 var ett enmotorigt jaktplan. P-38 piloten visste givevis åt vilket håll propellern på FW-190 roterade. Han gjorde en snabb undanmanöver åt det håll som var minst gynnsamt för de tyska planen och när dessa försökte följa efter tappade de, en efter en, kontrollen över sina flygplan. Det tog dem kanske flera minuter och åtskilliga tusen fots höjdförlust innan de fått kontroll över sina plan igen. När de väl hade hittat sina respektive rotekamrater och samlat ihop sig, ja då var P-38:an borta för länge sedan. Även om P-38 inte var något dåligt plan, var den knappast överlägsen FW-190 i kurvstrid. Det gällde således att utnyttja sitt eget plans starka sidor (och en av dem var motroterande propellrar) och samtidigt negera fienden att göra samma sak.

Moderna stridsplan, som kan svänga med höga g-belastningar (upp till 9 g eller mer) måste ha väldigt starka motorfästen. Gör man en maxsväng blir gyralkrafterna på motorn enorma, och motorn kan i princip mer eller mindre lossna.

Ovanstående problem är/var mest kännbara när det gäller jaktplan, vilka är lätta och kan svänga med höga belastningar. Passagerarplan undviker ju den typen av manövrer och är dessutom så pass tunga att de är begränsade till några g:s belastning. Jetplan känner inte av p-effekten.

Enligt Newtons första lag (tröghetslagen) bevarar, som vi sett ovan, ett föremål, som inte påverkas av några krafter, sitt rörelstillstånd. Dvs fortsätter rakt fram med konstant fart. Här talar vi om förflyttning och inte om rotation. För att ändra ett föremåls rörelsetillstånd krävs en kraft. En kraft åstadkommer således inte rörelse utan förändring av rörelse. Det som diskuteras ovan, under punkt 3, är helt enkelt rotationsmotsvarigheten till tröghetslagen (inom fysiken skiljer man mellan translation, dvs förflyttning av ett systems tyngpunkt, och rotation, dvs rotation kring ett systems tyngdpunkt * eller någon annan lämplig punkt).

 

Bilden ovan visar en Seafang, som var namnet på hangarfartygsversionen av Spiteful (den ultimata versionen av Spitfire). Planet är försett med två motroterande, trebladiga propellrar. Notera det lilla sporrhjulet i stjärten!

Som jag skriver i min artikel om Andra Världskrigets vapensystem så utvecklades motroterande propellrar för att komma till rätta med ovan nämnda problem. På en sådan installation har man en växellåda med två motroterande axlar ut (den ena inuti den andra), på vilka de två propellrarna är fästade, och således roterar åt olika håll. På så sätt balanseras alla ovannämnda krafter bort. Det enda som återstår är själva motorns rörelsemängdsmoment. Speciellt på hangarfartyg blev det under slutet av WW2 vanligt med den typen av propellrar. På hangarfartyg blir ju problemen extra stora, eftersom vi har en start-/landningsbana som rör på sig i sjöhävningen. Plus att banan är både smal och kort (de brittiska hangarfartygen var f ö betydligt mindre än de amerikanska). Nackdelen med motroterande propellrar blir vikten av växellådan.

På tvåmotoriga plan, kan man låta motorerna rotera åt olika håll för att kompensera bort ovannämnda krafter (Lockheed P-38, de Havilland Sea Hornet m fl). Här blir nackdelen förstås att man måste ha två olika motorversioner i reservdelsförrådet. Detta är en större nackdel än vad läsaren kanske inser, och om det inte var absolut nödvändigt så föredrog man i allmänhet att ha propellrar som roterade åt samma håll (trots nackdelarna med detta).

Sammanfattningsvis: Effekterna 1 (rörelsemängdsmomentets konstans) och 3 (gyralkrafter) är båda kopplade till rörelsemängdsmomentet hos tunga, roterande massor (de utgör rotationsmotsvarigheten till lagen om verkan och motverkan, respektive tröghetslagen).

Alternativt kan man uttrycka det på följande, intuitiva sätt: Effekt 1 handlar om förändringar av rörelsemängdsmomentet genom att rotationens varvtal förändras (snabbt motorpådrag). Effekt 3 är kopplat till förändringar hos rörelsemängdsmomentet genom att rotationsaxelns riktning förändras (sväng med hög g-belastning).

Båda utgör med andra ord, i grunden, olika yttringar av ett och samma fenomen (rotationströghet) och handlar helt enkelt om mekaniska egenskaper hos roterande kroppar. Effekt 2 (p-effekten) å andra sidan är en rent aerodynamisk effekt, relaterad till lyftkraften hos vingprofiler (dvs i det här fallet propellerblad) med olika hastigheter (relativt luften) och anfallsvinklar.

 

Tillbaka till artikeln "Varför flyger flygplan?"
Tillbaka till artikeln "Några av Andra Världskrigets viktigaste vapensystem"
Tillbaka till Kristers Flygsida
Till Kristers hemsida

© Krister Renard