Za dvacet sedm hodin letu, což je zhruba doba, za kterou jsem se vrátil z Nového Zélandu. Tam nahoře, v pohodlných sedadlech Qatar Airways, jsem přemýšlel, jak se nám podařilo letět tak dobře, aniž bychom spadli, jak by řekl M. Rajoy, „to je zdravý rozum“. Toto jsou odpovědi.
Letadla létají, protože na ně nepůsobí výslednice. Pokud na těleso nepůsobí žádná síla, zůstává v klidu nebo se pohybuje konstantní rychlostí. To uvedl již Isaac Newton ve svém prvním zákoně. To však neznamená, že na letadlo nepůsobí žádná síla. Letadlo má určitou hmotnost, cestující a jejich zavazadla mají určitou hmotnost a každá molekula ve vzduchu, kterou tlačí motory nebo která naráží na trup letadla, vytváří určitou sílu. Inženýrům se podařilo využít některé z těchto nárazů k vyrovnání hmotnosti a odporu vzduchu.
Shrneme-li to, můžeme říci, že letadla létají především na základě dvou teorií, které jsme se učili na střední škole, i když jsme pořádně nevěděli, k čemu slouží: Venturiho efekt a především třetí Newtonův zákon, známý také jako „zákon akce a reakce“.
Začněme silami se svislým směrem. Ta, která táhne dolů, je gravitační síla a ta, která směřuje vzhůru, je tah. Odkud však pochází? Ačkoli pochází z celého trupu, tj. z celého těla letadla (obrázek 1), většina pochází z křídel, a to v obou případech díky Venturiho efektu (obrázek 2).
Venturiho efekt spočívá v tom, že když kapalina zvyšuje svou rychlost, její tlak klesá. Aby se toho využilo, jsou křídla letadel konstruována tak, že jejich horní část je více zakřivená než spodní část, což znamená, že vzdálenost, kterou musí vzduch urazit, je v horní části větší, a proto je nucen zvýšit svou rychlost. V důsledku Venturiho efektu se tlak nad křídlem snižuje (čím vyšší je rychlost, tím nižší je tlak). Stručně řečeno, spodní část křídla má vyšší tlak než horní část, a to působí tah vzhůru, který pomáhá letadlu udržet se ve vzduchu.
Síla, kterou působí Venturiho efekt, však sama o sobě nestačí k tomu, aby udržela letadlo ve vzduchu, a zde vstupuje do hry třetí Newtonův zákon, který říká, že daná síla nebo akce působící na objekt vyvolává reakci stejné intenzity, ale v opačném směru (zkuste si narazit hlavou do zdi a poznáte, o čem je řeč).
A jak se tato teorie používá v letadlech? Opět díky tvaru a poloze křídel, která jsou konstruována tak, že vzduch, který jimi prochází, je hnán směrem dolů, čímž vzniká síla působící na vzduch směrem dolů, která díky výše zmíněnému Newtonovu zákonu vede k síle působící na křídlo směrem nahoru. Samozřejmě, že čím rychleji letíte, tím větší je síla, proto letadla musí nejprve dosáhnout velmi vysoké rychlosti, aby mohla vzlétnout a pak se udržet ve vzduchu.
Jednoduchým způsobem, jak si ověřit, co říkám, je vystrčit ruku z okna auta. Pokud místo toho, abyste ruku položili z profilu, ji mírně nakloníte proti větru, budete vytlačovat vzduch směrem dolů a pocítíte vzestupnou sílu, která má tendenci zvedat nejen vaši ruku, ale celou paži.
Třetímu Newtonovu zákonu napomáhá také takzvaný Coandův efekt, fyzikální jev, při kterém má tekutina tendenci přilnout k objektu, s nímž je v kontaktu, a sledovat jeho trajektorii. V případě letadel má vzduch (tekutina) tendenci držet se křídla letadla (objektu, na který naráží) a sledovat trajektorii křídla (tj. směřovat dolů). Praktický příklad můžete vidět na lžíci na fotografii nebo ještě lépe na tomto videu.
A jak je generován tělem letadla? Toho je dosaženo díky molekulám vzduchu, které je tlačí vzhůru. Díky svému tvaru se při pohybu sráží více molekul dole než nahoře (stejně jako když běžíte v dešti, dopadá na vaše záda méně kapek) a ty, které se srážejí nahoře, se srážejí mnohem menší rychlostí než ty, které se srážejí dole, což vytváří rozdíl tlaku, který letadlo zvedá (obrázek 1).
Nyní máme na vodorovné ose sílu, která tlačí letadlo dozadu. Tuto sílu představují molekuly vzduchu, které narážejí do letadla. Proti této síle působí motory, které pohánějí molekuly vzduchu dozadu, a to rychlým otáčením lopatek. Velký a malý u vrtulových letadel a velký a malý u turbín.
No, víceméně víme, proč letadlo létá, ale proč létá tak vysoko? Většina dopravních letadel se pohybuje ve výšce téměř 35 000 stop, tedy asi 10,6 kilometru. Když se nad tím zamyslíte, je to velká výška. Proč nelétat jen pár kilometrů nad zemí, což je více než dostatečná výška, aby letadlo nemělo problémy se stavbami, jako jsou věže nebo mrakodrapy? Pokud se snažíte vyhnout horám, i kdyby všechny hory na světě byly stejně vysoké jako Everest (8,8 km), proč si brát o téměř 2 000 metrů větší bezpečnostní rezervu?
No, za prvé, výška, ve které létá většina letadel, není libovolná volba. Existují pro to velmi dobré důvody. Následující jsou ty hlavní.
Jedním z hlavních důvodů, proč komerční letadla létají tak vysoko, je odpor vzduchu. Čím výše se nacházíte nad zemí, tím je atmosféra řidší, a tím menší odpor klade letadlo při letu. Letadla létají v této výšce od doby, kdy byly vynalezeny proudové motory (letadla již nepoužívají původní proudové motory, ale turbovrtulové). Tyto motory, které se více podobají raketovým proudovým systémům, mají vyšší specifický impuls, protože je v nich méně vzduchu. Přesto potřebují atmosférický kyslík, aby se udrželo spalování.
V každém případě platí, že čím více molekul vzduchu musí letadlo na své dráze odstranit, tím více energie potřebuje, tím více paliva spotřebuje a tím vyšší budou provozní náklady. Díky nižšímu odporu vzduchu ve větších výškách létají komerční letadla s minimální spotřebou paliva. Proto se 35 000 stop označuje jako „cestovní výška“, kde se dosahuje rovnováhy mezi provozními náklady a spotřebou paliva.
Dalším důležitým důvodem je, že v cestovní výšce je atmosféra stabilnější a obvykle se nemusí obávat mraků a dalších povětrnostních jevů, jako jsou bouřky. Letadla mohou prolétávat mraky a bouřkami bez větších problémů, ale když se tak stane, jsou nevyhnutelné turbulence, které jsou pro cestující nejen nepříjemné, ale mohou způsobit i paniku v kokpitu.
Třetím a zřejmým důvodem je překonávání překážek. Pokud letíte letadlem na konzoli nebo počítači, můžete letět nízko, dělat salta, prolétávat mezi budovami, projíždět soutěskami atd. To však není realita. Pokud je to příliš nebezpečné i pro malé stíhací nebo předváděcí letadlo, pro velké obchodní letadlo je to prakticky nemožné. S malým vozidlem bych i já zvládl manévry, které jsou pro městský autobus nemožné.
Navíc, jak každý ví, terén není jako na dlani, ale nad hladinou moře se nachází množství terénních útvarů, takže letadlo stoupá do dostatečné výšky, aby se vyhnulo všem druhům terénních útvarů. A pokud je třeba se vyhnout terénním útvarům, let ve výšce 35 000 stop také zajišťuje, že letadlo je vysoko nad letem většiny ptáků. To je velmi důležité, protože náraz ptáka může znamenat mnohem víc než pouhé neštěstí nebo nepříjemnost.
Případů nárazu ptáka bylo zaznamenáno mnoho, ale největší pozornost si získal případ letu 1549 společnosti US Airways. 15. ledna 2009 zázračně přistálo bez motoru v řece Hudson letadlo (Airbus 320), které krátce po startu z letiště LaGuardia v New Yorku zasáhlo hejno ptáků. Je neuvěřitelné, že nedošlo k jediné oběti. Proto je toto hrbolaté a šťastné přistání, podle kterého byl natočen film Sully režiséra Clinta Eastwooda s Tomem Hanksem v hlavní roli, známé jako „zázrak na Hudsonu“.
Představte si, že letíte s dopravním letadlem jen kilometr nad zemí a něco se pokazí. Letadlo začíná klesat. Víte, že můžete vyřešit problém, který způsobuje rychlé klesání letadla, ale letadlo klesá příliš rychle a vy prostě nemáte dost času na vyřešení problému. V tu chvíli si říkáte: „Kdybych tak měl víc času…“. To je další důvod, proč komerční letadla létají ve výšce kolem 11 km, což je výška, která funguje jako „bezpečnostní polštář“ a dává pilotům čas na opravu, pokud se něco pokazí.