Lift

Lift is een component van de kracht op een vleugelprofiel, zoals een zeil, kiel, roer, etc. Lift is de component van de kracht op een object, die loodrecht staat op de onverstoorde snelheid van de omringende vloeistof. Dit is doorgaans de component die je zo groot mogelijk probeert te maken. De andere component, evenwijdig aan de onverstoorde stroming, is weerstand.

In dit artikel wordt onder "vloeistof" bedoeld: ieder medium dat kan stromen. Fluïdum is de correcte term. Bij zeilboten zal dit water of lucht zijn.

Hoe ontstaat lift?

Waarschuwing: Over hoe lift ontstaat gaan hardnekkige stukken onzin rond. Onder mensen die er iets vanaf weten is er echter geen discussie over hoe lift ontstaat, alleen over hoe je het kan beïnvloeden of berekenen.

Nu volgen stukken uitleg, steeds completer, maar daardoor ook steeds complexer. Ieder stuk uitleg is waar voor zover men weet, en onder een aantal aannames, zoals een subsone aanstroming, een vrije weglengte van de moleculen in de vloeistof die veel kleiner is dan de afmetingen van het object, en een voorlijk dat ongeveer loodrecht op de aanstroming staat. Aan deze aannames is onder normale omstandigheden voldaan bij de lift op tuig en aanhangsels van een zeilboot, alleen zou het voorlijk een te grote hoek kunnen maken.

Het volgende stuk uitleg is niet meer waar dan de vorige, alleen completer. Soms is enige kennis van stromingsleer nodig. Voor meer informatie is het boek van G.K. Batchelor, "Introduction to fluid dynamics" een aanrader. Het voorbeeld dat wordt besproken is de lift op de kiel van een zeilboot die halve wind vaart. De lift is dus richting loef. De kiel staat bijna evenwijdig aan de vaarrichting, de voorkant wijst iets (tussen 0 en 10 graden) naar loef.

1. Lift is een component van de kracht die de vloeistof uitoefent op de kiel. De kiel wordt naar loef geduwd door het water, dus wordt het water door de kiel naar lij geduwd.
2. De kiel duwt het water naar lij. Achter de kiel is de snelheid van het water richting lij dus groter dan voor de kiel. Op de kiel moet dus een wervel liggen. De grootte van deze wervel maal de snelheid van de kiel door het water is (per definitie) gelijk aan de lift. Lift is dus een wervel die zich verplaatst door de vloeistof. Je kan dit testen door een koker van een keukenrol horizontaal tegen een muur te houden met je vlakke hand, en je hand snel omhoog te bewegen zodat de rol om zijn as draait terwijl die valt. Je zult zien dat de rol niet langs de muur naar beneden zal vallen. Wanneer de rol nog omhoog gaat, wordt die tegen de muur geduwd. Nadat de rol zijn hoogste punt heeft bereikt en naar beneden valt, zal die van de muur af bewegen doordat de draairichting gelijk blijft, maar de snelheid om is gedraaid. Dit effect heet het "Magnus effect". Andere voorbeelden zijn de bommen waarmee in de 2e wereldoorlog de Mohne dam is opgeblazen, en de Flettner rotor, waar de heer Flettner de zeilen op zijn schip heeft vervangen door verticale cilinders die om hun as draaiden. Het was niet efficiënt, maar het werkte wel. De lift is evenredig aan snelheid en wervelsterkte
3. De richting van de wervel op de kiel is zo dat het water aan de loefzijde sneller stroomt dan aan de lijzijde. De vloeistof die aan de loefzijde uitkomt is dus versneld. Blijkbaar is die een drukveld tegen gekomen waarin de vloeistof versneld werd. De kracht op vloeistof is, afgezien van viskeuze krachten, die in een rotatievrije stroming afwezig zijn gelijk aan de drukgradient. Vloeistof die van hoge naar lage druk stroomt, wordt dus versneld. Vloeistof die versneld, stroomt dus ook van hoge naar lage druk. Dit is de wet van Bernoulli: In een rotatievrije stationaire stroming geldt: <math>P + \frac{1}{2} \rho u^2 = constant</math> . De vloeistof die aan de loefzijde uitkomt, is dus in een gebied met lagere druk terecht gekomen dan ver stroomopwaarts. Aan de loefzijde is de druk dus lager. Volgens de zelfde redenering is de druk aan lij hoger. Er is dus een drukverschil tussen loef en lij. Dit drukverschil geïntegreerd over het oppervlak, is de lift.
4. Aan de achterkant heeft een kiel een (enigszins) scherpe rand. Wanneer de vloeistof om een scherpe rand stroomt, wordt de snelheid lokaal oneindig groot. Dat kan natuurlijk niet. De stroming laat daar los en er wordt een wervel afgestoten. Dit heet de "startwervel" Draai-impuls moment is een behouden grootheid. Wanneer een wervel wordt afgestoten, moet er dus een wervel met tegengestelde draairichting op de kiel komen. De afgestoten wervel is heel makkelijk zichtbaar te maken met een mes en een pan water. Haal het mes snel en onder een kleine hoek door het water. Vanaf de plek waar het mes begon gaat een wervel door het water. Die wervel zie je doordat in het midden de snelheid groot is, en de druk dus laag, waardoor het oppervlak daar een kuiltje heeft. De startwervel van een opstijgend verkeersvliegtuig kan kleinere vliegtuigen omver gooien wanneer die te kort na het verkeersvliegtuig opstijgen. Er wordt wervel afgestoten totdat de vloeistof niet meer langs de scherpe rand aan de achterste rand hoeft te stromen, maar aan die rand wegstroomt van het oppervlak. De grootte van de wervel is dus zodanig dat er een stuwpunt op de achterrand ligt. Deze voorwaarde heet de Kutta conditie, naar een duitse natuurkundige van eind 19e eeuw. De wervelsterkte is evenredig aan de snelheid en (voor kleine aanstroomhoeken) de aanstroomhoek. De aanstroomhoek waarbij er geen lift is, is daarbij als nulpunt genomen.
5. Behalve heel dicht bij het oppervlak van de kiel (in de grenslaag en het volgstroomveld), is de stroming rotatievrij. Dit volgt uit een aantal gegevens. De eerste is het feit dat de aanstroming (grotendeels) uniform en dus rotatievrij is. Het tweede is dat de afstand waarover impuls kan diffunderen in de tijd die de vloeistof nodig heeft om langs het profiel te stromen, klein is ten opzichte van de koordelengte (ergo: Reynolds getal >> 1). De derde is dat vorticiteit (= wervelsterkte = draai-impulsmoment per volume eenheid = rotatie van het snelheidsveld) even snel diffundeert als impuls, doordat het een aspect van de impuls is. De aanstromende vloeistof is rotatievrij, en blijft rotatievrij tenzij het heel dicht langs het profiel stroomt. In het laatste geval komt de vloeistof in de grenslaag en later in het volgstroomveld terecht. Stroomt de vloeistof niet zeer dicht langs het profiel, dan blijft het rotatievrij. Voor het gebied buiten het volgstroomveld kan dus de zelfde analyse als in 4 worden toegepast. Het afstoten van de startwervel is de asymmetrie in de vorticiteit die vanuit de grenslaag in het volgstroomveld terecht komt. Komt er meer vorticiteit vanuit de grenslaag aan de zuigzijde, dan er negatieve vorticiteit vanuit de grenslaag aan de drukzijde in het volgstroomveld geadvecteerd wordt, dan neemt de gebonden wervel af, en neemt de lift dus ook af.
6. Wanneer de stroming instantaan op gang wordt gebracht, is er in eerste instantie geen wervel afgestoten. Er ligt een stuwpunt op de loefzijde en de lijzijde. Aan loef ligt die bij de achterkant, aan lij bij de voorkant. De vloeistof die langs de voorrand is gegaan komt nadat die een grote snelheid heeft gehad (aan de rand) en dus een sterke groei van de grenslaag, in een stuk met een vrij kleine drukgradient. De vloeistof aan loef komt in een stuk met een grote drukgradient. Beide stromen worden vertraagd na het passeren van de rand, maar de vloeistof die achterlangs ging wordt meer vertraagd. De vloeistof die in contact is met de kiel, ondervind dus twee krachten: de drukgradient, tegengesteld aan de stroomrichting, en viskeuze wrijving in de bewegingsrichting. Wanneer de viskeuze wrijving niet sterk genoeg is om die vloeistof tegen de drukgradient in te trekken, zal de stroomrichting aan het oppervlak omkeren. Er wordt een stuk grenslaag (met vorticiteit) afgestoten en het stuwpunt verplaatst zich. Dit zal met de stroming die lang de achterrand is gegaan sneller gebeuren doordat de grenslaag daar al groter is geworden (want meer strijklengte) en doordat de drukgradient daar groter is. Men probeert dit nog te versterken door de achterrand scherp te maken. Zoals iedereen die ooit gewrikt heeft weet, is een scherpe achterrand echter geen noodzakelijke voorwaarde voor het ontstaan van lift.

Verlies van lift

Wanneer niet alleen aan de achterzijde, maar ook aan de voorzijde een wervel wordt afgestoten, is die wervel tegengesteld aan de startwervel. De wervel op het vleugelprofiel zal dus kleiner zijn geworden. De lift is dan dus ook kleiner. Meestal is de lift dan bijna verdwenen. Dit heet "overtrokken raken", of "stall". Bij een roer heet het "uit het roer lopen" en bij een kiel ontdekt men ineens dat je toch echt snelheid nodig hebt om je kiel te kunnen gebruiken.

Dit fenomeen treedt op wanneer de aanstroomhoek te groot wordt. De aanstroomhoek waarbij een profiel overtrokken raakt heet "overtrekhoek" of "stall angle". Dit staat vermeld in Abbot & van Doenhoff, theory of wing sections, ook wel bekend als NACA catalogus. Het profiel dat bij de E22s en waterratten wordt gebruikt, heeft een vrij grote overtrekhoek van 10 graden. Een vlakke plaat (de kiel en het roer van een huurvalk, bijvoorbeeld) heeft een overtrekhoek van minder dan 5 graden. Snelheid houden dus!

Wanneer het roer overtrokken is, kan de lift snel worden hersteld door de roeruitslag te verminderen. Wanneer nu langzaam de roeruitslag weer wordt vergroot, zal het roer pas enige tijd nadat de overtrekhoek is bereikt, overtrokken raken. Wanneer dat gebeurt laat je het roer snel weer even gaan totdat die weer "pakt", waarna je dit herhaalt. Zo kan je gemiddeld een iets grotere lift realiseren dan wanneer je net onder de overtrekhoek blijft. Dit is handig wanneer het vanwege de een of andere oorzaak niet mogelijk is om te reven. Je kan zo het reven iets uitstellen.

Een manier om de overtrek hoek te vergroten, is een dunne straal lucht (met veel impuls) vanuit de drukzijde door het profiel heen naar de grenslaag aan de zuigzijde te blazen. Dit kan worden gerealiseerd door een smalle spleet schuin naar achter, aan de voorzijde van het profiel te maken. Verkeersvliegtuigen gebruiken dit tijdens de landing en het opstijgen. De panelen aan de voorzijde van de vleugel (slats) schuiven dan iets naar voren zodat er een spleet ontstaat. Na het opstijgen worden de slats weer teruggeschoven omdat deze truc de weerstand doet toenemen. Zo spaart men brandstof. Op een zeiljacht gebruik je de wind, en die is gratis. We willen dus altijd veel lift en hebben altijd zo'n spleet (tussen fok en grootzeil). Boten die veel harder gaan dan de wind, zullen altijd "aan de schijnbare wind" varen. Dit geld voor snelle catamarans, ijszeilers, strandzeilers en surfboards. Die moeten dus een zo klein mogelijke verhouding weerstand/lift hebben. Daarom hebben die geen spleet.

Een simpelere manier om de overtrek hoek te vergroten, is door met name de voorrand van het profiel glad te maken (polijsten). Zo groeit de grenslaag minder snel. Harder varen helpt ook iets. Bij een zeil is het vooral belangrijk dat er geen lucht door het zeil sijpelt. Dit veroorzaakt namelijk een sterke groei van de grenslaag. Serieuze wedstrijdzeilers testen daarom af en toe of hun spinnaker nog wel luchtdicht is, meestal door er water in te leggen. Het zout eraf spoelen kan de levensduur verlengen.