Kahdeksankymmentäseitsemän tunnin lentomatkan ajan, eli suunnilleen niin kauan minulta kesti palata Uudesta-Seelannista. Siellä ylhäällä Qatar Airwaysin mukavissa istuimissa ihmettelin, miten onnistuimme lentämään niin hyvin kaatumatta, kuten Rajoy sanoisi, ”se on tervettä järkeä”. Nämä ovat vastaukset.
Lentokoneet lentävät, koska niissä ei ole resultanttivoimaa. Kun kappaleeseen ei kohdistu mitään voimaa, se pysyy paikallaan tai sen nopeus pysyy vakiona. Tämän totesi jo Isaac Newton ensimmäisessä laissaan. Se ei kuitenkaan tarkoita, ettei tasoon vaikuttaisi voimaa. Lentokoneella on paino, matkustajilla ja heidän matkatavaroillaan on paino, ja jokainen ilmamolekyyli, jota moottorit työntävät tai joka osuu runkoon, aiheuttaa voiman. Insinöörit ovat onnistuneet käyttämään osan näistä iskuista vastapainona ilman painolle ja ilmanvastukselle.
Yhteenvetona voidaan sanoa, että lentokoneiden lentäminen perustuu pääasiassa kahteen teoriaan, jotka opimme lukiossa, vaikkemme oikeastaan tienneetkään, mitä helvettiä ne tarkoittavat: Venturi-ilmiöön ja, mikä tärkeämpää, Newtonin kolmanteen lakiin, joka tunnetaan myös nimellä ”vaikutuksen ja reaktion laki”.
Aloitetaanpa pystysuuntaisista voimista. Se, joka vetää alaspäin, on painovoima, ja se, joka osoittaa ylöspäin, on työntövoima. Mutta mistä jälkimmäinen tulee? Vaikka se tulee koko rungosta eli lentokoneen koko rungosta (kuva 1), suurin osa siitä tulee siivistä, ja molemmissa tapauksissa tämä johtuu Venturi-ilmiöstä (kuva 2).
Venturi-ilmiö tarkoittaa, että nesteen nopeuden kasvaessa sen paine laskee. Tämän hyödyntämiseksi lentokoneiden siivet suunnitellaan siten, että niiden yläosa on kaarevampi kuin alaosa, mikä tarkoittaa, että ilman kulkeman matkan pituus on suurempi yläosassa ja että sen on näin ollen pakko lisätä nopeuttaan. Venturi-ilmiön ansiosta paine laskee siiven yläpuolella (mitä suurempi nopeus, sitä pienempi paine). Lyhyesti sanottuna siiven alaosassa on suurempi paine kuin yläosassa, ja tämä aiheuttaa ylöspäin suuntautuvan työntövoiman, joka auttaa lentokonetta pysymään ilmassa.
Venturi-ilmiön aiheuttama voima ei kuitenkaan yksinään riitä pitämään lentokonetta ilmassa, ja tässä kohtaa astuu kuvaan mukaan Newtonin kolmas laki, jonka mukaan tiettyyn esineeseen kohdistuva voima tai toiminta synnyttää samansuuruisen, mutta vastakkaissuuntaisen reaktion (kokeilkaa päähänlyöntiä seinään, niin tiedätte, mistä puhumme).
Ja miten tätä teoriaa käytetään lentokoneissa? Siivet on suunniteltu siten, että niiden läpi kulkeva ilma työntyy alaspäin, jolloin ilmaan kohdistuu alaspäin suuntautuva voima, joka edellä mainitun Newtonin lain mukaisesti aiheuttaa siipeen ylöspäin suuntautuvan reaktiovoiman. Mitä nopeammin mennään, sitä enemmän voimaa tietysti syntyy, minkä vuoksi lentokoneiden on saavutettava erittäin suuri nopeus ensin noustakseen ilmaan ja sitten pysyäkseen ilmassa.
Yksinkertainen tapa tarkistaa sanomani on työntää käsi ulos auton ikkunasta. Jos sen sijaan, että laittaisit kätesi profiiliin, kallistat sitä hieman tuuleen päin, syrjäytät ilmaa alaspäin ja huomaat ylöspäin suuntautuvan voiman, joka pyrkii nostamaan paitsi kätesi, myös koko käsivartesi.
Newtonin kolmatta lakia auttaa myös niin sanottu Coandan efekti, fysikaalinen ilmiö, jonka mukaan nesteellä on taipumus tarttua kosketuksissaan olevaan kappaleeseen ja seurata sen lentorataa. Lentokoneiden tapauksessa ilmalla (nesteellä) on taipumus tarttua lentokoneen siipeen (kohteeseen, johon se osuu) ja seurata sen lentorataa (eli seurata alaspäin). Käytännön esimerkin näet kuvassa olevassa lusikassa tai vielä paremmin tässä videossa.
Ja miten se syntyy lentokoneen rungosta? Se saavutetaan, koska ilmamolekyylit työntävät sitä ylöspäin. Muodon ansiosta liikkeessä alhaalla törmää enemmän molekyylejä kuin ylhäällä (samaan tapaan kuin sateessa juostessa selkään osuu vähemmän pisaroita), ja ylhäällä törmäävät molekyylit törmäävät paljon pienemmällä nopeudella kuin alhaalla törmäävät molekyylit, mikä synnyttää paine-eron, joka nostaa lentokonetta (kuva 1).
Vaaka-akselilla on nyt voima, joka työntää konetta taaksepäin. Tämä voima muodostuu ilmamolekyyleistä, jotka törmäävät lentokoneeseen. Tämän voiman vastapainona ovat moottorit, jotka työntävät ilmamolekyylejä taaksepäin, ja ne tekevät sen pyörittämällä nopeasti lapojaan. Potkurikoneissa suuria ja harvoja, turbiinikoneissa monia ja pieniä.
No, tiedämme suurin piirtein, miksi lentokone lentää, mutta miksi se lentää niin korkealla? Useimmat liikennelentokoneet lentävät lähes 35 000 jalan eli noin 10,6 kilometrin korkeudessa. Jos ajattelette asiaa, se on paljon korkeutta. Miksi emme lentäisi vain pari kilometriä maanpinnan yläpuolella, jossa on enemmän kuin tarpeeksi korkeutta, jotta koneella ei ole ongelmia tornien tai pilvenpiirtäjien kaltaisten rakenteiden kanssa? Jos yrität välttää vuoria, vaikka kaikki maailman vuoret olisivat yhtä korkeita kuin Everest (8,8 kilometriä), miksi ottaisit lähes 2 000 metriä enemmän turvamarginaalia?
Ensinnäkin korkeus, jossa useimmat lentokoneet lentävät, ei ole mielivaltainen valinta. Siihen on erittäin hyvät syyt. Seuraavassa ovat tärkeimmät.
Yksi tärkeimmistä syistä, miksi liikennelentokoneet lentävät niin korkealla, on ilmanvastus. Mitä korkeammalle maanpinnan yläpuolelle noustaan, sitä ohuemmaksi ilmakehä muuttuu ja sitä vähemmän vastusta ilma-aluksen lennolle on. Lentokoneet ovat lentäneet tässä korkeudessa siitä lähtien, kun suihkumoottorit keksittiin (lentokoneissa ei enää käytetä alkuperäisiä suihkumoottoreita, vaan nykyään käytetään turboahtimia). Näillä moottoreilla, jotka muistuttavat enemmän rakettisuihkujärjestelmiä, on suurempi ominaisimpulssi, koska niissä on vähemmän ilmaa. Silti ne tarvitsevat ilmakehän happea palamisen ylläpitämiseksi.
Joka tapauksessa, mitä enemmän ilmamolekyylejä lentokoneen on poistettava reitiltään, sitä enemmän energiaa se tarvitsee, sitä enemmän polttoainetta se kuluttaa ja sitä korkeammat käyttökustannukset sen seurauksena ovat. Koska korkeammilla lentokorkeuksilla vastus on pienempi, liikennelentokoneet lentävät mahdollisimman vähän polttoainetta kuluttaen. Tämän vuoksi 35 000 jalkaa tunnetaan ”matkalentokorkeutena”, jossa saavutetaan tasapaino käyttökustannusten ja polttoainetehokkuuden välillä.
Toinen tärkeä syy on se, että matkalentokorkeudessa ilmakehä on vakaampi, eikä pilvistä ja muista sääilmiöistä, kuten ukkosista, tarvitse yleensä huolehtia. Lentokoneet voivat kulkea pilvien ja ukkosmyrskyjen läpi ilman suurempia ongelmia, mutta silloin turbulenssi on väistämätöntä, mikä sen lisäksi, että se on epämiellyttävää matkustajille, voi aiheuttaa paniikkia ohjaamossa.
Esteiden poistaminen on kolmas ja ilmeinen syy. Jos lennät lentokonetta konsolilla tai tietokoneella, voit lentää matalalla, tehdä kuperkeikkoja, mennä rakennusten välistä, kulkea rotkojen läpi ja niin edelleen. Mutta se ei ole todellisuutta. Jos se on liian vaarallista jopa pienelle hävittäjälle tai näytöslentokoneelle, suurelle liikennelentokoneelle se on käytännössä mahdotonta. Pienellä ajoneuvolla jopa minä pystyin tekemään kaupunkibussille mahdottomia manöövereitä.
Plussana, kuten kaikki tietävät, maasto ei ole kämmenellä, vaan merenpinnan yläpuolella on lukuisia maastonmuotoja, joten lentokone nousee riittävän korkealle pysyäkseen kaukana kaikenlaisista maastonmuodoista. Ja jos maastonmuotoja halutaan välttää, 35 000 jalan korkeudessa lentäminen takaa myös sen, että lentokone on selvästi useimpien lintujen lennon yläpuolella. Tämä on ratkaisevan tärkeää, sillä lintujen iskut voivat olla paljon muutakin kuin pelkkä vahinko tai harmi.
Lintujen iskuista on ollut useita tapauksia, mutta eniten huomiota on saanut US Airwaysin lennon 1549 tapaus. Tammikuun 15. päivänä 2009 lentokone (Airbus 320) teki ihmeellisen laskeutumisen Hudson-jokeen ilman moottoria sen jälkeen, kun lintuparvi oli törmännyt siihen pian sen jälkeen, kun se oli noussut LaGuardian lentoasemalta New Yorkissa. Uskomatonta kyllä, yhtään kuolonuhria ei ollut. Siksi kuoppainen, onnellinen laskeutuminen – josta on tehty Clint Eastwoodin ohjaama ja Tom Hanksin tähdittämä elokuva Sully – tunnetaan nimellä ”ihme Hudsonilla”.
Asettele, että lennät liikennelentokonetta vain kilometrin korkeudella maanpinnasta ja jokin menee pieleen. Kone alkaa syöksyä alaspäin. Tiedät, että voit korjata ongelman, joka aiheuttaa koneen nopean laskeutumisen, mutta se putoaa liian nopeasti, eikä sinulla yksinkertaisesti ole tarpeeksi aikaa korjata ongelmaa. Siinä vaiheessa ajattelet: ”Kunpa minulla olisi enemmän aikaa…”. Tämä on toinen syy siihen, miksi liikennelentokoneet lentävät noin 11 kilometrin korkeudessa, joka toimii ”turvatyynynä” ja antaa lentäjille aikaa korjata asiat, jos jokin menee pieleen.