עילוי וגרר – כוחות הפועלים על כלי טיס

טיסנים, מטוסים ולמעשה כל גוף הנא בתוך גז או נוזל מתמודד עם הכוחות אותם מפעיל עליו אותו חומר. אותנו הטיסנאים מעניין להבין כיצד מתמודד כלי הטיס שלנו עם זרם האויר דרכו הוא טס וכיצד זרם אויר זה מחזיק את הטיסן באויר.
ניתן למצא הסברים רבים ומורכבים למושגים עילוי וגרר ברשת, הסברים שיכללו את הנוסחאות המדוייקות המתארות את השפעת האויר (או הנוזל) על הטיסן שלנו, במאמר זה לא נכלול נוסחאות כלל על מנת להעביר את הנושא באופן ברור ופשוט. הקורא הסקרן ימצא כמובן את ההרחבות למאמר זה ברשת.

בפשטות ניתן לומר כי עילוי הוא הכוח אותו אנו רוצים להפעיל על הטיסן על מנת להחזיקו באויר בעוד את הגרר אנו מעוניינים להקטין ככל הניתן היות שכוח זה המתנגד להתקדמות כלי הטיס באויר.
העילוי נוצר על ידי פרופיל הכנף, דוגמאות לפרופילים שונים ניתן לראות בתמונה הבאה:

גורם נוסף המשפיע על גודלו של כוח העילוי הוא זוית הכנף באופן יחסי להתקדמות כלי הטיס באויר, זוית זו מכונה זוית תקיפה. היא נמדדת כזוית בין כיוון זרימת האויר למיתר פרופיל הכנף. מיתר פרופיל הכנף הוא הקו הנימתח בין החלק הקידמי ביותר של שפת התקיפה לבין הנקודה האחורית ביותר של שפת הזרימה.
למעשה בפועל גם גוף שטוח לחלוטין, לדוגמה לוח עץ, המוטה בזוית לכיוון זרימת האויר יצור עילוי למרות שאינו בעל פרופיל אירודינמי. במהלך התקדמותו באויר יווצר על גוף כזה גרר גבוהה יחסית לכוח העילוי הנוצר במקביל. תיכנון כנף היוצרת עילוי מקסימלי יחסית לשיטחה, בעלת חוזק פיזי המספק את דרישות המשקל שעליה לשאת ובעלת גרר מינימלי מהווה אתגר למהנדסים השוקדים על מציאת הפרופיל המתאים ביותר.


הדוגמה מעל המתארת עילוי על לוח עץ שטוח לחלוטין סוטרת את אחת מהסברות השכיחות כי העילוי על פרופיל אירודינמי נובע מהעובדה כי הדרך שעל זרימת האויר לגמוע ארוכה יותר בחלקו העליון של הפרופיל מאשר בחלקו התחתון. הדרך שעובר חלקיק אויר מעל ומתחת ללוח העץ זהה ולמרות זאת נוצר עילוי. ממש בדומה לטיסני נייר ללא פרופיל אירודינמי.
קיימת סברה שגוייה נוספת המנסה להסביר את היווצרות כוח העילוי על כנף בעלת פרופיל אירודינמי והיא כי חלקיקי האויר הניפרדים בשפת התקיפה של הכנף נפגשים בקצה שפת הזרימה. אולם ניסויים במנהרות רוח הראו באופן ברור כי האויר בחלקו העליון של פרופיל הכנף נע מהר יותר ועוזב את קצה שפת הזרימה של הכנף לפני חלקיקי האויר שעוברים בחלקה התחתון של הכנף. דוגמה לכך ניתן לראות בתמונה הבאה:

הבדלי המהירות בזרימת האויר בין חלקי הכנף יוצרים הפרש לחצים כאשר הלחץ בחלקו העליון של פרופיל הכנף נמוך מזה שבחלקו התחתון של הפורפיל. הפרש הלחצים מוסבר על ידי חוק ברנולי הטוען כי בנקודות בהן מהירות האויר עולה (בפועל גז או נוזל) ירד לחץ האויר. ההפרש בין הלחצים הללו מתורגם לכוח המחזיק את הטיסן באויר.
קיימות מספר נוסחאות (שלא נתעמק בהן) המתארות את כוח העילוי והגרר הנוצרים על כנף אולם בפשטות ניתן לומר כי צורת פרופיל הכנף, מהירות כלי הטיס וזוית ההתקפה הן אלו הקובעות את גודלו של כוח העילוי והגרר הנוצרים. ככל שנגדיל את זוית ההתקפה יגדלו העילוי והגרר עד לנקודה בה נגיע להזדקרות כלי הטייס.
טיסנים ומטוסים משתמשים במדפים בקצות שפת הזרימה כדי לשנות את הפרופיל באופן דינמי לפרופיל בעל עילוי גבוה יותר הנדרש במהירויות הנמוכות יחסית של המראה ונחיתה. כשכלי הטייס מגיע למהירות מספקת משתנה פרופיל הכנף בחזרה על ידי משיכת המדפים בחזרה לגוף הכנף תוך הקטנת כוחות העילוי והגרר, מהירות כלי הטייס היוצרת זרימה מהירה יותר של אויר על הכנף שומרת על עילוי הנדרש לשמירה על המטוס או הטיסן באויר.

דוגמה נוספת אפשר לקבל מתחום התחבורה. בתחילת שנות ה-80 הציגו אאודי ופורד רכבים מיצור סידרתי שבמהלך תכנונם הושם דגש על הגרר הנוצר על ידי מרכב המכונית. מכוניות מירוץ מתוכננות כך שכוחות העילוי וגרר הפועלים עליהם ישיגו אפקט מקסימלי של אחיזת כביש בזכות עילוי שלילי גבוהה הנוצר על גוף המכונית על ידי תיכנון של כנפונים בקידמת הרכב יחד עם "כנף" בחלקו האחורי של הרכב. כיום ניתן למצא מכוניות נוסעים המשנות באופן דינמי את צורתן מה שגורר עילוי וגרר משתנים במהלך הנסיעה. דוגמה לכך ניתן לראות בחלק ממכוניות היצרן פורש, בנסיעה במהירות העולה על רף מסויים נשלף כנפון (ספויילר) בחלקה האחורי של המכונית ויוצר עילוי שלילי הגורם למכונית להצמד לכביש ולהגדיל את האחיזה.

לסיום נזכיר כי גם תכנון כלי שייט מושפע מאד מהגרר הנוצר על ידי המים ובנוסף תיכנון המפרשים בכלי שייט בלתי ממונעים דומה לתכנון פרופיל כנף היות שתפקיד המפרש הוא למעשה לנוע דרך האויר ו"למשוך" את כלי השייט קדימה.

כפי שנכתב בתחילת העמוד, סקירה זו נכתבה עבור אלו המעוניינים להבין את הנושא ממבט, ניתן למצא ברשת מאמרים המשלימים את המידע התאורטי תוך ירידה לפרטים ונוסחאות מדוייקות המתארות את כוחות העילוי והגרר.