כוח עילוי

עילוי הוא סך כל הכוחות ההידרודינמיים הפועלים על גוף הנמצא בתנועה ביחס לזורם (גז או נוזל) בו הוא שרוי, ומאונכים לכיוון תנועתו. העילוי מאפשר בין היתר לגופים כבדים מן האוויר לעוף.
ישנם מספר הסברים לקיומו של כוח העילוי, והסברים אלה בדרך כלל מציגים פנים שונות של אותם עקרונות פיזיקליים בסיסיים. כוח העילוי נובע, בין היתר, מהפרש הלחצים המופעלים על הגוף הנתון על־פי עקרון ברנולי, כמוסבר להלן. לפי עיקרון זה, ערכו של סכום הלחצים הדינמיים והסטטיים באזור מסוים קבוע. הלחץ הסטאטי מופנה לכל הכיוונים במרחב, ובכלל זה כלפי מעלה. לעומת זאת, הלחץ דינמי אינו איזוטרופי וכיוונו תלוי בכיוון התנועה ביחס לזורם. כתוצאה מהפרשי המהירויות של האוויר (או של כל חומר אחר בו נע הגוף הנתון) מעל למשטח האווירודינמי, ובהשוואה למהירות התנועה שמתחת למשטח האווירודינמי, עולה הלחץ הדינמי על חשבון ירידה בלחץ הסטטי בחלק העליון של פרופיל הגוף הנע, וכל זאת בהשוואה לחלק התחתון של פרופיל הגוף הנע. התוצאה של תהליך זה מביאה להפרש משמעותי בין הלחץ הסטאטי מעל הפרופיל לבין הלחץ הסטאטי מתחת לפרופיל הגוף הנע, והפרש זה הוא הגורם העיקרי ליצירת כוח העילוי. הסיבה להפעלת כוח העילוי כלפי מעלה מוסברת בכיוון פעולתו של הלחץ הסטאטי, וכיוון שזה האחרון פועל אף כלפי מעלה, וכפי שהוסבר, גדול הלחץ הסטאטי שמתחת לפרופיל מזה שמעליו, נוצר הכוח המעלה את הגוף הנתון.
הדוגמה לכוח העילוי היא עפיפון הקשור לחוט, שבאמצעותו, ובאמצעות הרוח הפועלת על העפיפון - עולה לאוויר. במקרה זה סכום הכוחות הפועלים על העפיפון מסתכמים מחלוקה אופקית ואנכית של כוחות הרוח הפועלים לדחיפת העפיפון כלפי מעלה, ולעומתם - כוחות החוט, שאף הם מחולקים לחלק האופקי ולחלק האנכי הפועל על העפיפון. בסיכומם של הכוחות הפועלים על העפיפון מאזנים הכוחות האופקיים אלה את אלה, ואילו סיכום הכוחות האנכיים מביא לעילוי העפיפון.
דוגמה נוספת של סכימת הכוחות הפועלים על גוף הכבד מן האוויר היא יכולת העילוי של כדור פורח. במקרה של כדור פורח אין שום צורך בתנועה ובזרימה של אויר סביבו, ובכל זאת מופעל כוח עילוי הגורם להתרוממותו מן הקרקע. מקורו של כוח העילוי הפועל על כדור פורח נובע מהפרש הלחצים בין סביבתו החיצונית של הכדור לבין הלחץ בתוך הכדור. תופעה זו מקורה בחימום האוויר בכדור הפורח.

תגובה להאצת הזרימה

באוויר (ולמעשה בכל זורם), כוח נוצר כאשר קו זרימה עובר בסביבה של פרופיל אווירודינמי ומוסט כלפי מטה. הכוח שגרם להסטת קו הזרימה כלפי מטה נובע מהמפגש עם הכנף, וכוח שווה ומנוגד לו (על פי חוקי ניוטון) מופעל על הפרופיל האווירודינמי כלפי מעלה. זה ההגיון הפיזיקלי מאחורי תעופת הצלחת המעופפת.
הסטת האוויר כלפי מטה במהלך יצירת עילוי על פרופיל אווירודינמי היא תופעה מוכרת הנקראת הסטה מטה (Downwash).
הסטת קו הזרימה כלפי מטה אינה נובעת כתוצאה מ"התנגשות" של מולקולות האוויר כלפי מטה מהחלק התחתון של הפרופיל האווירודינמי. ההסבר הנכון הוא שקווי הזרימה עוקבים אחרי שני צדדי הפרופיל האווירודינמי, וכתוצאה מצורת הפרופיל הזרימה מוטה כלפי מטה. למעשה, האצת הזרימה על ידי הפרופיל מתוארת גם כ"סיבוב" שהפרופיל מפעיל על הזרימה, וניתן לראות זאת גם במערבולות שנוצרות במורד הזרימה.
למעשה, כמעט כל גוף, שיוצב בזווית ביחס לזרימה, יגרום ליצירת עילוי. אולם, רוב הצורות ייצרו באותו אופן גם מידה לא קטנה של גרר, ולפיכך הגוף יהיה לא יעיל אווירודינמית במובן של יחס עילוי לגרר. האתגר העיקרי של מתכנני פרופיל אווירודינמי הוא ביצירת פרופיל שיוצר יחס גבוה בין עילוי לגרר.
ניתן למדוד את עצמת העילוי על בסיס מודל זה. הכוח הפועל על הכנף הוא בדיוק הפוך לנגזרת בזמן של תנע האוויר. במנהרת רוח, גודל המהירות וכיוונה של זרימת האוויר ניתנים למדידה (בהשתמש במד פיטו, לדוגמה, או מד מהירות מבוסס לייזר־דופלר) ומכאן שניתן למצוא את השינוי בתנע ומכאן גם את עצמת כוח העילוי.

אפקט קואנדה

ג'ף רסקין וחוקרים נוספים טוענים שנדרש להשתמש באפקט קואנדה כדי להסביר את היווצרות עילוי על פרופיל אווירודינמי. הם טוענים שהיצמדות הזרימה אל "עקמומיות הפרופיל" האווירודינמי בחלק שמעל לפרופיל נובעת ברמה המיקרוסקופית מאפקט קואנדה, ושבלעדיו היה נוצר מצב קבוע של הזדקרות. לעומתם, רוב החוקרים מסתפקים בהסברים שניתנו עד כה כדי לחשב ולמצוא את העילוי הנוצר, כשלדעתם אפקט קואנדה אינו נחוץ. עם זאת, תומכי השימוש באפקט מצדיקים את השימוש בו כדי לנתח את העילוי המתפתח על גופים אווירודינמיים ייחודיים, כגון מדפים ואמצעי הגברת עילוי נוספים.

שגיאת עקרון זמן המעבר השווה

בספרים רבים ובכנסים מדעיים שנוגעים בנושאי תעופה וטיסה נפוץ עדיין ההסבר השגוי הנקרא "עקרון זמן המעבר השווה", הקובע שחלקיקי זרימה, שהפרופיל האווירודינמי מפריד ביניהם, ייפגשו שנית בסיום הפרופיל האווירודינמי באותו זמן. כלומר, החלקיק שמעל הפרופיל יעבור דרך ארוכה יותר בשל עקמומיות משטח הפרופיל מהחלקיק שיעבור מתחת לפרופיל, ובשל הזמן השווה מהירותו הממוצעת של החלקיק העליון תהיה גבוהה יותר, הלחץ שיופעל מעל הפרופיל נמוך יותר (עקרון ברנולי) ומכאן הפרש הלחצים המסביר את העילוי. על אף שהסבר זה הוא הנפוץ ביותר, הוא שגוי מיסוד ההנחה שבו, שהחלקיקים חייבים להיפגש בקצה האחורי של הפרופיל באותו זמן. למעשה, החלקיקים אינם עושים זאת כלל. אם הסבר זה היה נכון, מטוסים לא היו יכולים לטוס כאשר הם הפוכים על גבם, בעוד שהם יכולים.  כמו כן, הסבר זה אינו מסביר היווצרות עילוי על כנפיים סימטריות לחלוטין, כפי שיש ברבים ממטוסי האווירובטיקה.
לא ברור מדוע הסבר זה קנה מספר כה רב של מאמינים, למעט ההשפעה המיוחסת לחזרה מרובה של מרצים, ספרי מדע פופולרי, ואולי גם הקלות בשימוש בהסבר זה, שאינו דורש כל הבנה מתמטית. עם זאת, הסבר זה שגוי, כאמור. אפילו אלברט איינשטיין, בניסיונו ליצור מטוס בעל ביצועים אווירודינמיים משופרים, ועל סמך העקרון הזה, החליט ליצור מטוס בעל כנף עם חלק עליון קמור במיוחד, מתוך מחשבה שככל שהחלק העליון יהיה ארוך יותר הזרימה תאיץ יותר (כדי לאפשר לחלקיק שעובר מעל הכנף לסיים את דרכו עם החלקיק העובר מתחת לכנף) וכך הפרש הלחצים יגדל והעילוי יגדל. למותר לציין שביצועי הפרופיל הזה היו גרועים.