Roterande cylindriska vingar

En liggande, roterande cylinder, som rör sig vinkelrätt mot rotationsaxeln enligt bild 1 nedan skapar en lyftkraft. Obs! Cylindern roterar inte på grund av luften som blåser mot den utan rotationen drivs av en separat kraftkälla (bensinmotor, elmotor etc). Cylinderns nederdel roterar mot den strömmande luften (orsakad av cylinderns rörelse eller att luft blåses mot cylindern) medan överdelen roterar (bakåt) med den strömmande luften. Coandaeffekten skapar ett luftlager närmast cylindern, vilket roterar med ungefär samma fart som cylindern. Roterande cylindrars aerodynamik beskrivs av Kutta-Joukowksis lag. Enligt denna erhålles en lyftkraft som är proportionell mot cylinderns rotationshastighet. Man har experimenterat med fartyg som i stället för segel har roterande, stående cylindrar (klicka här och gå till avsnittet "Eldrivna fartyg") och även med flygplan vars vingar är liggande, roterande cylindrar.

Bild 1. Figuren visar en liggande cylinder som roterar runt sin symmetriaxel. Vektorpilen märkt "v" anger luftströmmens riktning i förhållande till cylindern (som antingen rör sig åt vänster genom stillastående luft eller är i vila och luften strömmar från vänster mot cylindern). Cylindern roterar så att undre delen av den rör sig mot luftströmmen och övre delen med (dvs medurs sett från läsarens perspektiv). På överdelen blir därför flödets hastighet summan av v och cylinderns rotationshastighet medan vi på underdelen får skillnaden mellan dessa hastigheter.

Ovansidan av cylindern roterar åt samma håll som v (den strömmande luftens hastighet), dvs det luftflöde, som genereras av Coandaeffekten närmast cylinderns ovansida, har samma riktning som v. Totala flödeshastigheten på ovansidan blir då summan av dessa hastigheter. På undersidan av cylindern blir flödeshastigheten i stället skillnaden mellan dessa hastigheter. Resultatet blir att vi får högre hastighet hos luftflödet på vingens ovansida och därmed, enligt Bernoullis lag, ett lägre tryck där, vilket ger lyftkraft. Här är det mycket lättare att förstå varför vi får högre hastighet på ovansidan än när det gäller en vanlig vinge. Lyftkraften L blir enligt Kutta-Joukowskis lag L=ρGv, där ρ (grekiska bokstaven rho) är luftens densitet, G den roterande cylinderns vortexstyrka (vilket är relaterat till cylinders rotationshastighet och area) och v är cylinderns fart relativt luften.

Under flygets barndom experimenterade man med flygplan försedda med roterande, cylinderformade vingar.

Bild 2. Bilden, som är tagen i slutet av 1920-talet, visar ett experimentplan med s k Flettnerrotorer. Lyftkraften med dessa "vingar" visade sig vara betydligt större (upp till en faktor 10) än för vanliga vingar av motsvarande storlek. Men ingenjörsvetenskap handlar i hög grad om kompromisser och vad som är praktiskt genomförbart. Det är lätt att inse att roterande vingar också måste leda till stora konstruktions- och säkerhetsmässiga problem. Blir det t ex fel på den mekanism som får cylindervingarna att rotera, störtar ju planet, vilket inte verkar helt betryggande. Det verkar osannolikt att vi någonsin kommer att se trafikplan eller stridsplan med roterande cylindervingar (vi har ju redan flygplan med roterande "konventionella" vingar, nämligen helikoptrar och liknande). Ett exempel på hur man praktiskt utnyttjat de aerodynamiska egenskaperna hos en roterande cylinder var engelsmännens "studsande bomb", Upkeep, vilken användes under Andra Världskriget (klicka här för att läsa mer om detta — se texten om Lancasterbombplanet).

Man har också experimenterat med en slags kompromiss mellan en konventionell vinge och en roterande cylinder (bild 3 nedan). I princip har man här en vanlig vinge, men infälld i vingen finns en roterande cylinder (vars diameter är något större än vingens tjocklek). Detta framstår som en mer praktisk lösning. Här kan ju planet flyga, även om cylindern upphör att rotera. Hittills har det dock inte kommit några praktiska konstruktioner ur dessa försök, hur intressanta de än må vara.

Bild 3. Ett tänkt passagerarplan med roterande cylindrar integrerade i vingen. Planet drivs av jetmotorer medan vingens rotation åstadkommes av en vanlig bensinmotor.

Tillbaka till huvudartikeln "Varför flyger flygplan?"
Tillbaka till Kristers Flygsida