Miksi lippu liehuu?

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Turun Sanomissa oli hieno kirjoitus lipun liehumisesta.

http://www.ts.fi/teemat/ymparisto/285756.html


Lipun liehunta on yhä arvoitus

Turun Sanomat 6.12.2011 02:32:25

Siniristiliput on tänään nostettu salkoihin Suomen tasavallan täyttäessä 94 vuotta. Tyynellä säällä liput lepäävät saloissa lähes lipputangon myötäisesti, mutta tuulisena päivänä ne lepattavat ja näyttävät suorastaan lentävän ilmassa. Joskus lippujen liike vaikuttaa kaoottiselta, jopa hysteeriseltä.

Ihminen tuntee painovoiman, ihailee tähtien tanssia taivaalla, tähyää atomien sisuksiin, tuntee perimän ja kasvien yhteyttämisen lait, rakentaa lentokoneita ja jättiläismäisiä siltoja. Alati muotoaan muuttavien lippujen lepatus on kuitenkin meille yhtä suuri arvoitus kuin turbulenssin eli pyörteisyyden ongelma.

Yritystä tutkijoilla on. Nyt tiedetään jo ainakin se, että yksittäiset ja toisistaan erillään olevat liput käyttäytyvät eri tavoin kuin tiiviit lippujonot ja että lippujonojen lepatus on oletuksen vastaista: peesauksesta ei ole niille hyötyä. Tätä tietoa voidaan hyödyntää muun muassa lintu- ja kalaparvien liikkeiden tutkimisessa.

Lepattavan lipun ongelmassa on klassisesti kyse siitä, miten väliaineen (nesteen tai kaasun) ja siinä olevan rakenteen (kankaan, kalvon tai levyn) väliset vuorovaikutukset ilmenevät. Vuorovaikutukseen vaikuttavat lipun massa, painovoima, geometria ja aerodynaamiset voimat.

Tuulen avoimeksi ja tasaiseksi työntämä lippu menettää tasapainonsa ja kokee muodonmuutoksia samalla, kun siinä etenee ympäröivien ilmavirtausten suuntaisia aaltoja. Lippuun kohdistuu epälineaarisia efektejä, jotka aiheuttavat siihen hystereesiä eli lepatuksen jälkijättöisyyttä ja hitautta.

Mitä jäykempi lippu on, sitä suorempana se tuulen tuivertaessa pysyy, etenkin jos siihen kohdistuu vielä suuri virtausvastus. Raskaisiin lippuihin muodostuu korkeita poimuisia, ryppymäisiä aaltoja.

Aaltomaisesti käyttäytyvän lippupinnan sivuitse pyyhkivä tuuli kohottaa ilmanpainetta aallon pohjassa ja vähentää painetta aallon huipussa pyrkien kasvattamaan aaltomaisen liikkeen laajuutta. Samalla lippuun syntyy jatkuva aaltoliike.

Lepattavan lipun ilmanvastus on tuulitunnelissa ja nesteissä tehtyjen kokeiden perusteella suurempi kuin tuuliviirin tai ohuen kalvon ilmanvastus, koska kankaan massa pinta-alayksikköä kohden laskettuna on näitä jäykempiä materiaaleja suurempi.

Tuuli puhaltaa tuskin koskaan suoraan. Sen suunta ja voimakkuus vaihtelevat lähes koko ajan, joten tuuli työntää lippua eri suunnista. Tästä syystä syntyy ilmanpaineen vaihteluita, jotka muodostavat lippuun väreilyä. Vaikka tuuli olisi optimaalisen tasainen ja lippu ojentuisi sen suuntaisesti, lepattamiselta ei voida välttyä, koska salkoon vedettyyn lippuun kohdistuu aina painovoima. Se pyrkii vetämään kangasta maata kohti, eivätkä tuuli ja lippu muodosta tasapainossa olevaa yhteistä systeemiä.

Vuonna 2005 tutkijat huomasivat virtauskokeiden perusteella, että vaikka tuuli ja lippu muodostaisivatkin stabiilin systeemin, lipun ympärille muodostuisi jo suhteellisen pienilläkin virtausnopeuksilla niin kutsuttuja Karmanin virtauspyörteitä eli vortekseja. Näitä vortekseja on vaikea välttää, koska saloissa liehuvat liput ovat leveitä ja ilmavirtaukset jakautuvat lipun molemmin puolin: epäsymmetriset virtaukset saavat kankaan väreilemään.

Tuuli–lippu -yhdistelmän ja pyörrevirtausten lisäksi lippu voi alkaa oskilloida ja lepattaa myös siksi , että elastinen kangasmateriaali ja mekaanisia aaltoja vastaava tuuli muuttavat ilmavirtauksia lipun ympärillä.

Pariisin Marie Curie -yliopiston tutkija Jerome Hoepffner ja Yoshitsugu Naka Lillen Ecole Cetralesin Mekaniikan laboratoriosta analysoivat uunituoreessa raportissaan sitä, miksi lipun rypyt eivät ole pystysuoria, vaan ovat vinossa, ja miksi nämä rypyt tasapainottavat gravitaatiosta aiheutuvia vuorovaikutuksia.

Tutkijat jakoivat lipun kahteen osaan: tasaiseen suorakulmaiseen kolmioon ja lipun kärkiosaan (graafi). Kun lipun kärki alkaa oman painonsa johdosta painua kasaan, siihen alkaa muodostua vinoja poimuja. Tätä havaittavaa ilmiötä ei ole aiemmin osattu selittää. Tutkijat havaitsivat kokeissa, että lippuun kohdistuu noiden aaltomaisten poimujen johdosta tuulessa myös nostetta.

Samanaikaisesti lippuun kohdistuu aerodynaamisia voimia, jotka vaikuttavat kohtisuoraan lipun vinoa aaltoilua vastaan ja rikkovat lipun aaltoilun jaksollisuutta ja sen vapaan kärjen lepatusta. Tämän vuoksi salossa liehuva lippu kuluu eniten juuri yläosastaan.

Toisaalla taas Ranskan luonnontieteellisen tutkimuskeskuksen CNRS:n ja Marseillen sekä San Diegon yliopiston tutkijat La Jollasta ovat tuulitunnelikokeissa havainneet ohuita mylar-kalvoja mitatessaan (graafi), että lippujen aeroelastinen jaksollinen liike muuttuu kaoottiseksi, kun ilman virtausnopeus kasvaa tarpeeksi suureksi. Kynnysnopeus riippuu lipun mitoista ja massasta ja ilman tiheydestä.

Tähän kaoottisuuteen näyttäisi liittyvän myös jäännöshitautta: kynnysnopeus vaihteli sen mukaan, lisättiinkö vai vähennettiinkö kokeessa ilman virtausnopeutta mylar-kalvon ympärillä.

Professori Jun Zhangin laboratoriossa New Yorkin yliopistossa on tutkittu lippurivistöjä simuloimalla niitä ohuilla taipuisilla metallilevyillä. Levyt altistettiin tuulen sijasta laboratoriossa saippuakalvon virtaukselle.

Kuten tunnettua, jonossa tai auramuodostelmassa etenevien kiinteiden kappaleiden, kuten kilpa-autojen ja pyörien, tai elävien eliöiden, esimerkiksi lintujen ja kalojen, suurin aerodynaaminen ja hydrodynaaminen väliaineen vastus kohdistuu ensimmäiseen etenijään muiden päästessä helpommalla.

Jun Zhangin ja Leif Ristrophin koe oli tässä suhteessa yllätyksellinen, sillä taipuisien ja muotoaan muuttavien lippujen tapauksessa jonon ensimmäisenä lepattavaan lippuun kohdistuikin pienempi virtausvastus. Tämä vastus voi olla jopa vain puolet jonon toisena lepattavan lipun ilmanvastuksesta.

Tutkijoiden mukaan kakkoslippu rajoittaa ensimmäisenä olevan lipun lepatusta ja heilahdusten laajuutta, mutta koska kakkoslipun värähtelytaajuus on sidoksissa jonon ensimmäisen lipun värähtelytaajuuteen, sen heilahduslaajuus lisääntyy resonanssin vuoksi. Samalla kakkoslippuun kohdistuvat voimat ja ilmanvastus kasvavat.

Kalaparvessa kalojen liike muistuttaa muotoaan muuttavia, liehuvia ja lepattavia lippuja. Nyt otaksutaan, että kalat ja linnut pystyvät muuttamaan eviensä, pyrstöjensä ja siipiensä liikkeen vaiheita ja amplitudeja (liikkeen laajuutta) aktiivisesti siten, että niiden ja väliaineen (veden tai ilman) välinen vastus pienenee.

Toisaalta V-muodostelmassa etenevät linnut eivät niinkään hyödynnä ilmanvastuksen pienenemistä, vaan pikemminkin lentokoneen siiven tavoin Bernoullin yhtälön mukaista, paine-erosta johtuvaa nostetta. Auran kärkenä lentävän linnun siiven kärkiin muodostuu ylöspäin suuntautuvia ilmanpyörteitä, joita taaempana tulevat linnut voivat hyödyntää.

Niin lippujonon lippujen kuin kala- tai lintuparvien yksilöiden välisen etäisyyden pitää olla sopivan lyhyt, jotta ilmiöstä on niille hyötyä.

JARMO WALLENIUS

Kommentit (3)

Vierailija

Tämä oli piilossa tuolla Historia-osion eräässä pitkässä ketjussa. Ansaitsee minusta oman aiheen alueelta, josta sen kiinnostuneet löytävät.

Vierailija
Opettaja
Tuota. Onkos tähän nyt enempää lisättävää?

Lipun liehumiseen vaikuttaa aika paljon lipputanko, jota ei tuossa edes mainittu.
Jos lipputanko laitetaankin lipun taakse ja siitä vaakasuoraan tangot lipun ala- ja yläpuolelta lipun etukulmiin, niin lipun liehunta muuttuu silmin havaittavasti, kun pyörteitä muodostavaa lipputankoa ei enää lipun edessä ole.

Uusimmat

Suosituimmat