Kites rise highest against the wind

Wind, de belangrijkste motor voor het vliegen van een vlieger. Elke vlieger soort heeft wind nodig om zijn weg te vinden de lucht in. Zelfs indoor vliegeraars kunnen niet zonder wind en creëren hun eigen wind door zelf te bewegen door de ruimte.

Hoe vliegt een vlieger?

Elke vlieger is zwaarder dan lucht, toch is het mogelijk dit gewicht te laten vliegen. Het vliegen is mogelijk door een evenwicht van drie krachten;

de zwaartekracht, deze kracht trekt de vlieger naar beneden.

Lift / stijgkracht, deze kracht ontstaat door de winddruk in het zeil van je vlieger.

Wrijvingskracht, door het bewegen van de vlieger door de lucht ontstaat er wrijvingskracht .

Bij een efficiënte vlieger komen deze drie krachten tezamen in het drukcentrum.

Een belangrijk aspect van het vliegen van een vlieger is dus de winddruk in je vlieger.

Windhistorie

Wind aanduidingen komen uit de scheepsvaart, zeelieden brachten windklimaat in kaart om een snelle en veilige overtocht te garanderen. De eerste wind kaarten stammen dan ook uit het begin van de jaartelling. In de 17de en 18de was het de Verenigde Oost- Indische Compagnie die de wind verder in kaart bracht. De windkracht werd onder meer geschat uit geluiden (fluitende wind) en de zeil voering van schepen.

Windsnelheid

Admiraal Beaufort

De in Ierland geboren schout bij nacht Sir Francis Beaufort (1774-1857) is bekend om zijn windschaal. Beaufort bedacht de schaal in 1838. Beaufort baseerde de windkracht op de hoeveelheid zeil die een groot schip kon voeren bij een zwakke bries, storm of orkaan. De winddruk werd uitgedrukt in kilogram per vierkante meter. De schaal geldt dus voor de druk van de wind.
In de jaren veertig van de 19e eeuw kreeg Beaufort bekendheid met zijn windschaal, maar het duurde het tot 1873 voor die internationaal aanvaard werd.
De schaal van Beaufort

Bft Benaming m/s knopen km/u Kenmerken
0 Windstil <0.2 < 1 < 1 Rook stijgt (recht) omhoog
1 Zwakke wind 0.3-1.5 1-3 1-5 Rookpluimen geven richting aan
2 Zwakke wind 1.6-3.3 4-6 6-11 Bladeren ritselen
3 Matige wind 3.4-5.4 7-10 12-19 Bladeren, twijgen voortdurend in beweging
4 Matige wind 5.5-7.9 11-16 20-28 Stof en papier dwarrelen op
5 Vrij krachtige wind 8.0-10.7 17-21 29-38 Takken maken zwaaiende bewegingen
6 Krachtige wind 10.8-13.8 22-27 39-49 Grote takken bewegen
7 Harde wind 13.9-17.1 28-33 50-61 Bomen bewegen
8 Stormachtige wind 17.2-20.7 34-40 62-74 Twijgen breken af
9 Storm 20.8-24.4 41-47 75-88 Takken breken af, dakpannen waaien weg
10 Zware storm 24.5-28.4 48-55 89-102 Bomen worden ontworteld
11 Zeer zware storm 28.5-32.6 56-63 103-117 Uitgebreide schade bossen en gebouwen
12 Orkaan >32.6 >63 >117 Niets blijft meer overeind

Hoe ontstaat wind

Wind ontstaat door de opwarming van lucht door de zon. Op verschillende plaatsen op de aarde verschilt de mate van luchtopwarming. De opgewarmde lucht stijgt dan op waardoor er plaatselijk verschil van luchtdruk ontstaat. Door het verschil van lucht druk stroomt er lucht van een hoge druk gebied naar een lage druk gebied.

Hoe groter het verschil in luchtdruk tussen twee plaatsen, hoe harder het waait, dus hoe groter de windsnelheid. Meestal gaat het om een horizontale stroming van lucht.

Windmeter

De wind wordt gemeten op een mast van 10 meter hoogte met een cup-anemometer. Dit instrument werd in 1846 geïntroduceerd door de Ierse astronoom Thomas Romney Robinson (1792-1882). Het is een ronddraaiend molentje met drie of vier halve bollen (cups) die met stangetjes aan een draaibare as zijn bevestigd. De halve bollen zijn van binnen hol. De wind oefent op de holle zijde meer kracht uit dan aan de bolle kant, waardoor het molentje door de wind in beweging komt. De snelheid van de draaiende bollen, die in een elektrisch signaal wordt omgezet, is een maat voor de windsnelheid.

Windsnelheid

De windsnelheid wordt meestal uitgedrukt in meters per seconde, knopen of kilometers per uur. De windsnelheid wordt voor in de meteorologische berichtenuitwisseling bepaald over periodes van 10 minuten. Wanneer in het weerbericht wordt gesproken over windkracht 8 dan wordt verwacht dat de windsnelheid gemiddeld over 10 minuten tussen 17,2 en 20,7 m/seconde (62-74 km/uur) ligt.

Windrichting

In de meteorologie is de windrichting de richting waar de lucht vandaan komt. Dus bij een westenwind komt de wind uit het westen en gaat de lucht van west naar oost. De wind waait in de richting die de pijl op de weerkaart aangeeft: bij een westenwind wijst de pijl naar het oosten.

Gevoelstemperatuur

Gevoelstemperatuur is de temperatuur die je voelt aan je huid. Deze gevoelstemperatuur ligt altijd lager dan de buitentemperatuur, immers de wind langs de huid verdampt meer vloeistof uit je huid waardoor de huid extra afkoelt.

Het is daarom dat het vliegeren in de winter een sport wordt voor de echte doorzetter en dat zomers de gemiddelde vliegeraar makkelijk verbrandt in de zon omdat je simpel weg minder de warmte voelt van de zon, door de koeling van de wind.

De gevoelstemperatuur kan berekent worden met behulp van de formule van Steadman:

Twe = 1,41 – 1,162V + 0,980T + 0,0124V2 + 0,0185(VT)

Twe =gevoelstemperatuur in graden Celsius

T = luchttemperatuur in graden Celsius

V = windsnelheid in meters per seconde

Winddruk

Uiteindelijk is het belangrijkste aspect voor een vliegeraar de winddruk, niet te verwarren met windkracht. De druk uitgeoefend door de wind in je vliegerzeil bepaald vervolgens je stijgkracht.

De druk van de wind is direct afhankelijk van de windsnelheid, de lucht dichtheid en de vorm van de vormfactor (vorm van je vlieger).

De winddruk is grofweg gelijk aan:

Druk = ½ x (luchtdichtheid) x (windsnelheid)2 x (vormfactor)

  • De luchtdichtheid is ongeveer 1.25 kg/m3.
  • De vormfactor (drag coëfficiënt) hangt af van het voorwerp waarom het gaat. Deze heeft orde grootte 1 en is dimensieloos.
  • De windsnelheid moet in m/s worden gebruikt. Dan is de druk in kg/m/s2, oftewel N/m2.

De vormfactor van je zeil kun je als een vast gegeven beschouwen, maar de windsnelheid en de luchtdichtheid zijn elementen die continue veranderen.

Luchtdichtheid

Luchtdichtheid is afhankelijk van natuurlijke variabelen; luchtdruk, temperatuur en vochtigheid.

Luchtdruk

Het klinkt misschien gek, maar lucht heeft gewicht. Het is niet veel want 1 liter lucht weegt 1,2 gram. Maar het wordt toch aardig wat als je de hele dikte van de dampkring meetelt.

De luchtdruk afneemt met toenemende hoogte, maar deze afname is niet constant. Dit heeft te maken met het feit dat de atmosfeer is opgebouwd uit gassen. Een van de eigenschappen van gassen is dat ze zijn samen te drukken. Hierdoor wordt vooral de lucht nabij het aardoppervlak sterk samengedrukt onder het gewicht van de bovenliggende luchtkolom.
Bekijken we nu een kg lucht aan het aardoppervlak en vergelijken we die met dezelfde hoeveelheid op bijvoorbeeld 5500 meter dan blijkt dat de luchtdichtheid op die hoogte ongeveer de helft is van hetgeen we op zeeniveau meten.

De luchtdruk varieert van plaats tot plaats en ligt aan het aardoppervlak meestal tussen 940 tot 1060 hPa. In de kern van tropische stormen, zoals hurricanes kan de luchtdruk dalen tot onder 900 hPa.

Een mooi voorbeeld is het vliegerfestival in Bogota in Columbia. Bogota ligt ruim 2000 meter boven de zee spiegel. Je merkt al gauw dat je zelf sneller buitenadem bent, maar je vlieger vliegt ook niet zo makkelijk. De luchtdichtheid is lager, door de afgenomen luchtdruk ofwel spreekt men van ijlere lucht. Er zijn minder lucht deeltjes aanwezig die tegen je zeil aandrukken, dus je hebt meer windsnelheid nodig voor de zelfde hoeveelheid stijgkracht. We kunnen dus stellen dat de grootste luchtdichtheid, dus relatief meer luchtdeeltjes, voorkomt nabij het aardoppervlak en dat de lucht ijler wordt naarmate we hoger komen.

Temperatuur

De temperatuur is van belang omdat bij een verhoging van temperatuur de luchtdichtheid minder zal worden. Hoe warmer de lucht, hoe lichter het gewicht, dus hoe lager de druk.

Temperatuur (°C) -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
Luchtdichtheid of droge lucht (kg/m³) 1.42 1.40 1.37 1.34 1.32 1.30 1.27 1.25 1.23 1.20 1.18 1.16 1.14

Waarden gemeten op zee niveau

Elk voorjaar gaan we naar het festival in Cervia, Italië te vliegeren en elk jaar is het weer schrikken hoe de vlieger aanvoelt. De vlieger wilt maar geen druk opbouwen. Een verklaring hiervoor zou kunnen zijn de hoge temperatuur. In Nederland trainen we in deze periode met 5 tot 10 graden terwijl het in Cervia ’s middags al 25 graden kan zijn.

Vochtigheid

Luchtdichtheid is ook afhankelijk van de vochtigheid van de lucht. Bij een toename van vocht in de lucht neemt de dichtheid van de lucht af. Dit klinkt heel onlogisch, echter is het molecule gewicht van water (18) minder dan de molecule gewicht van lucht (29). Dus voor elk water molecuul moet er een zwaarder lucht molecuul wijken.

Wederom een voorbeeld van Cervia, je voelt veel wind, maar de vlieger bouwt geen druk op. Na een middag vliegeren voelt de vlieger wel klam aan van de vochtige zeewind en kun je ook je zonnebril schoon maken van de zoutaanslag.

Wrijvingskracht en turbulentie

Een vlieger ondervindt wrijvingskracht met de lucht als de vlieger zich verplaatst door de lucht. Een belangrijk aspect van de wrijvingskracht is de turbulentie die de vlieger veroorzaakt. Hoe meer turbulentie, des te meer wrijvingskracht.

Turbulentie ontstaat door verschil van windsnelheden en druk verschillen, deze worden veroorzaakt door de vlieger in de wind. Turbulentie wordt groter naarmate de windsnelheid groter wordt of de vlieger groter wordt.

Hoe meer turbulentie een vlieger veroorzaakt des te langzamer de snelheid door de lucht, echter bij stuntvliegers merk je dat een vlieger met veel turbulentie juist heel precies te besturen is. Een vlieger met veel turbulentie is vaak te herkennen door het geluid van het klapperend zeil.

Is het ook niet zo dat een 1 lijner, die geluid maakt altijd en perfecte lijn vliegt, jammer dat deze lijn dan soms alleen naar beneden gaat.

Tot slot

Wind is één van de vele factoren waarom een vlieger vliegt en waarom een vlieger juist die specifieke vliegeigenschappen bezit. De wind is wel de belangrijkste oorzaak waarom een vlieger vliegt, het is de motor van de vliegersport.

En onthoud wat sir Winston Churchill zei; “Kites rise highest against the wind, not with it.”


Stephen Versteegh

Rotterdam