Dlaczego samolot leci? Lot w powietrzu a prawa fizyki

Zastanówmy się przez chwilę, jakie warunki muszą być spełnione, aby jakikolwiek obiekt oderwał się od powierzchni Ziemi. Przede wszystkim, zgodnie z zasadami dynamiki Newtona, musiałaby działać na niego siła skierowana przeciwnie do siły grawitacji i co do wartości większa od ciężaru tego ciała. W przypadku balonów wykorzystuje się siłę wyporu. Czasza wypełniona gazem o gęstości mniejszej od gęstości otaczającego ośrodka jest wypychana do góry na tej samej zasadzie, na jakiej bąbelek powietrza jest wypychany z wody.

Aby jednak balon zaczął się poruszać poziomo, musimy wykorzystać jakąś siłę działającą w wybranym kierunku, na przykład wiatr. Rozwiązaniem łączącym start w oparciu o działanie siły wyporu i poziomy ruch kontrolowany za pomocą silników jest sterowiec, którego pierwszy udany lot odbył się w 1852 roku, czyli ponad pół wieku przed pierwszym lotem samolotu.

Jeśli dokładnie przyjrzymy się rysunkowi sterowca, to zauważymy, że podczepiona pod powłoką z gazem gondola przypomina przednią część kadłuba samolotu. Niemniej podobieństwo bierze się głównie z przyczyn praktycznych. Najlepiej, jeśli gondola ma kształt stawiający jak najmniejszy opór powietrzu. Projekty samolotów rozwijały się niezależnie od projektów sterowców.

Rysunek 1. Schematyczny rysunek sterowca. Pojazd łączy cechy balonu
z cechami samolotu i był pierwszą maszyną powietrzną pozwalającą na loty załogowe

Odrobina historii

Ludzkość od bardzo dawna zdawała sobie sprawę z tego, że człowiek mógłby wznieść się w powietrze za pomocą skrzydeł. Opis takiego urządzenia znany jest mniej więcej od V wieku przed naszą erą, gdy w micie o Dedalu i Ikarze zamieniono łódź z płóciennymi żaglami (z jego wersji pierwotnej) na sztuczne skrzydła z ptasich piór i wosku.

Z czasów starożytnych pochodzą pierwsze doniesienia o anonimowych śmiałkach, którzy próbowali latać, używając konstrukcji podobnych do tych z mitu o Dedalu i Ikarze. Pierwszy potwierdzony lot człowieka odnotowano jednak dopiero w średniowieczu. W IX wieku arabski uczony i poeta, Abbas Ibn Firnas, podjął się kilku prób skonstruowania maszyny latającej. Ostatni z tych wynalazków (i pierwszy udany) miał formę ramy z drewna obciągniętej jedwabiem. Konstrukcja ta była podobna do współczesnych lotni i pozwoliła mu utrzymać się w kontrolowanym locie przez około 10 minut.

Jednak pierwszy samolot w dzisiejszym rozumieniu tego słowa został skonstruowany przez braci Wright. Był to dwupłatowiec wykonany z drewna obitego tkaniną i wyposażony w silnik. Jego pierwszy lot odbył się w 1903 roku i trwał zaledwie kilka sekund. Bardzo szybko znaleźli się kolejni konstruktorzy maszyn latających.

Siła nośna

Przyjrzyjmy się przez chwilę profilowi skrzydła na rysunku 2. Jak można zauważyć, jest on niesymetryczny względem osi zaznaczonej przerywaną linią. Z powodu tej asymetrii występują dwa zjawiska, które zsumowane ze sobą dają największy wkład w powstawanie siły nośnej, pchającej samolot do góry. Siła ta przeciwdziała sile cięż-kości spychającej go w dół, a w fazie wznoszenia jest od niej większa co do wartości.

Rysunek 2. Profil skrzydła samolotu i opływające go strugi powietrza

W układzie odniesienia związanym z samolotem powietrze porusza się względem skrzydeł z ogromną prędkością. Początkowo powietrze porusza się poziomo i, napotykając skrzydło, zaczyna je opływać. Skrzydło, ustawione pod pewnym kątem do strumienia powietrza, działa na jego cząsteczki pewną siłą skierowaną w dół. Oczywistą oznaką działania tej siły jest zmiana kierunku ruchu strumienia powietrza. Ale to nie wszystko, ponieważ zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona, powietrze oddziałuje na skrzydło z siłą o tej samej wartości, lecz przeciwnym zwrocie, czyli skierowanym do góry.

Kolejne zjawisko wynika z tego, że strugi powietrza opływające samolot zachowują się jak ciecz. Po rozdzieleniu przez skrzydło powietrze, opływając górną powierzchnię, porusza się szybciej niż powietrze opływające stronę dolną. W efekcie powietrze znajdujące się nad skrzydłem zostaje rozrzedzone w stosunku do powietrza znajdującego się pod nim. Dzięki temu po obu stronach skrzydła powstaje różnica ci-śnień. Wyższe ciśnienie panujące pod spodem skrzydła „pcha” samolot do góry.

Silniki

Silniki samolotu służą do nadania mu prędkości poziomej. Dlatego też samolot startuje po poziomym pasie i w pierwszej fazie rozpędu porusza się jak każdy inny pojazd naziemny. Opisana powyżej konstrukcja skrzydeł sprawia, że po osiągnięciu odpowiedniej prędkości wystarczy lekko unieść dziób samolotu w górę, aby siła nośna oderwała go od powierzchni Ziemi. Nie wnikając w szczegóły, siła nośna działająca na samolot rośnie wraz z kwadratem jego prędkości i jest proporcjonalna do powierzchni skrzydeł.

W przypadku szybowców, a także innych konstrukcji, takich jak lotnie i niektóre rodzaje spadochronów, siłę nośną generuje się bez udziału silnika. Wystarczy rozpędzić szybowiec do odpowiedniej prędkości (na przykład na wyciągarce lub holując go za innym samolotem), aby wzbił się w powietrze. Potem już tylko od umiejętności pilota oraz sprzyjających warunków atmosferycznych zależy, jak długo uda mu się utrzymać maszynę w powietrzu.

Warto tutaj zauważyć, że zasada działania samolotu różni się od zasady działania sterowca. W samolocie silnik nadaje prędkość poziomą, ale ze względu na kształt skrzydła i generowaną siłę nośną to od mocy silnika zależy możliwość wznoszenia się lub opadania. W przypadku sterowca silnik odpowiada wyłącznie za ruch postępowy. Wznoszenie lub opadanie takiego pojazdu zależy wyłącznie od wartości siły wyporu, z jaką powietrze działa na wypełnioną gazem czaszę.

Fot. AdobeStock

Co się stanie, gdy silniki zgasną?

Odpowiedź na to pytanie zależy głównie od typu samolotu i jego wielkości. Im większa powierzchnia skrzydeł samolotu w stosunku do jego masy, tym łatwiej złagodzić skutki takiej awarii. Jak już wspomnieliśmy, siłę nośną generuje ruch samolotu względem powietrza. Jeśli samolot leci z odpowiednio dużą prędkością, to nawet bez pracujących silników siła nośna ciągle jest generowana.

Problem pojawia się dopiero wtedy, gdy na skutek działania oporów ruchu prędkość samolotu maleje. Spadek prędkości przekłada się bowiem na zmniejszenie siły nośnej. W przypadku lekkich szybowców, które w ogóle nie posiadają silników, można wykorzystać wznoszące prądy powietrza, aby samolot nie tracił pułapu praktycznie przez godziny.

Jakkolwiek wydaje się to nieprawdopodobne, również maszyny wyposażone w silniki mogą się poruszać lotem szybowcowym. Znane są przypadki, gdy samoloty pasażerskie o masie kilkudziesięciu ton po awarii wszystkich silników były w stanie dotrzeć bezpiecznie do lotniska. Rekord pobili piloci lotu Air Transat, którzy w 2001 roku pokonali nad Atlantykiem 120 kilometrów, zanim posadzili maszynę w bazie wojskowej na Azorach. Nikt z załogi ani pasażerów nie ucierpiał.

Kolejny spektakularny przypadek to pokonanie 50 kilometrów lotem szybowcowym samolotu linii Air Canada w 1983 roku i wylądowanie na zamkniętym pasie startowym w nieczynnej bazie w Gimli. Pomimo że na pasie odbywał się zlot miłośników motoryzacji, nikt z uczestników zlotu nie ucierpiał. Również pasażerowie nie doznali poważniejszych obrażeń. Tylko maszyna została uszkodzona w trakcie lądowania z powodu niecałkowitego wysunięcia się podwozia oraz niewielkiego pożaru.

Sprawdź, co potrafisz

Nie wszystkie obiekty latające poruszają się na skutek działania siły nośnej. Znajdź i zaznacz te, które unoszą się w powietrzu w oparciu o inne zjawisko.

⬜ A. balon
⬜ B. latawiec
⬜ C. lotnia
⬜ D. sterowiec
⬜ E. szybowiec
⬜ F. śmigłowiec (helikopter)

Dla nauczyciela

Jakkolwiek pojęcie siły nośnej nie jest uwzględnione w obecnej podstawie programowej, temat sam w sobie może zostać wykorzystany zarówno w szkole podstawowej, jak i ponadpodstawowej do realizacji zagadnień związanych z zasadami dynamiki Newtona oraz z pojęciem siły wypadkowej. Lecący samolot jest doskonałym obiektem do analizy działających na niego sił: siły ciężkości i siły nośnej w kierunku pionowym oraz siły ciągu silnika i oporów ruchu w kierunku poziomym.

Joanna Borgensztajn

Odpowiedź do zadania: A, D