foil

Newtons bevegelsesligner kan brukes til å forstå hvordan løftekraften oppstår. Foilen vil virke på luftstrømmen med en kraft som bøyer noe av denne strømmen nedover. Med utgangspunkt i Newtons tredje lov, virker luftstrømmen tilbake på foilen med en motsatt rettet og like stor kraft.

Når foilen beveger seg i forhold til et fluid, virker det både motstandskrefter og løftekrefter på foilen. Løftekreftene står vinkelrett på fluidets retning, det vil si på tvers av strømmen. For å skape dette løftet, må foilen ha en angrepsvinkel mot fluidstrømmen. Dette vil si en vinkel som ikke er lik strømmens, men omtrentlig opp til 20° i forhold til fluidstrømmens vinkel.

Hvis dette fluidet for eksempel er luft, vil luftstrømmen bøyes av og stryke over foilen i to ulike baner på hver sin side av foilen. Et simpelt eksempel på dette er å holde hånden flatt ut av bilvinduet i fart. Når en vender forkanten av hånden litt opp, vil den stige i luftstrømmen. Vendes hånden ned skjer det motsatte. Siden hånden ikke har formen til en foil, oppstår det også et stort dragsug bak hånden, som trekker den bakover.

Et typisk innenriksfly i Norge kan ha en vekt på rundt 70 tonn, som tilsvarer omtrent 689 kilonewton. Når flyet takser på bakken i 30 km/t, bøyer vingene av så lite luftstrøm at den motkraften knapt kan merkes. Når flyet derimot holder nærmere 300 km/t på rullebanen, er motkraften fra den avbøyde luftstrømmen større enn de 689 kN som holder flyet på bakken. Foilene genererer da nok løft til at flyet kan stige opp i luften.

Dersom man skal beregne løftekraften på foiler kan dette gjøres ved å løse Navier-Stokes-ligningen numerisk. Denne ligningen kan forstås som en tilpasning av Newtons 2. lov til væsker, der man tar hensyn til viskøse krefter og trykk-krefter.

Et helt flatt objekt er generelt en dårlig foil, selv om det står med en vinkel som genererer løft i luft. Eksempelet med hånden ut av bilvinduet illustrerer dette godt, siden i dette tilfellet er dragsuget sterkere enn løftekraften.

Årsaken til dette er at fluidet kan sies å glippe fra overflaten i overkant av foilen, samtidig som det meste av luften foran foilen blir bøyd av mot nedsiden og skaper luftmotstand fra friksjonen mellom foil og luft. Området bak foilen får derfor et stort undertrykk, som suger til seg den omkringliggende luften. Dette kan observeres på enkelte fly før landing, der det oppstår store virvelstrømmer bak vingene.

Hovedhensikten med foilens form er å minimere dette dragsuget. Det vil si at luftstrømmen skal være mest mulig laminær. For å bøye av en luftstrøm uten å skape turbulens, må også foilen være bøyd. Sneiseil på seilbåter er en enkel loddrett foil som er krummet slik at luften bøyes av, henter ut løftekraft, og stryker videre over seilet uten å glippe i akterkant. Denne krumningen vil hjelpe å lede luftstrømmen, uten å skape for mye dragsug.

Foiler på fly, rotorblader og annet har en avbøyd og dråpeformet konstruksjon, slik at den passerende luften følger overflaten og ledes bakover langs denne formen. Det vil riktignok være stor variasjon i hvordan foilen i et vindturbinblad, et ror eller en flyvinge er formet. Dette henger sammen med blant annet hvilke hastigheter lufte generelt vil ha i møte med foilen. Eksempelvis er flyvinger utstyrt med flaps, som kan øke både foilens lengde og krumning. Dette er nødvendig for å ha den riktige balansen mellom løft og dragsug i lave hastigheter under letting og landing. Det samme kan en observere i seiling, der sneiseilene er revet og strammet inn med liten krumning i sterk vind, og mer bueformede i svak vind.

På tross av utformingen kan også en foil skape et sterkt dragsug hvis angrepsvinkelen blir for stor. Dette kalles å steile.

• fluid
• laminær bevegelse
• fluidmekanikk
• venturimeter