Nincs jobb egy huszonhét órás repülőútnál, hogy az ember eligazodjon, nagyjából ennyi idő alatt értem vissza Új-Zélandról. Odafent, a Qatar Airways kényelmes üléseiben azon tűnődtem, hogyan sikerült ilyen jól repülni anélkül, hogy lezuhannánk, ahogy M. Rajoy mondaná, “ez a józan ész”. Ezek a válaszok.
A repülőgépek azért repülnek, mert nincs eredő erő. És ha egy testre nem hat semmilyen erő, akkor továbbra is mozdulatlanul vagy állandó sebességgel fog állni. Ezt már Isaac Newton is megállapította az első törvényében. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a síkra nem hat erő. A repülőgépnek súlya van, az utasoknak és csomagjaiknak súlya van, és a levegő minden egyes molekulája, amelyet a hajtóművek tolnak vagy a törzsbe ütközik, erőt fejt ki. Az történik, hogy a mérnököknek sikerült a lökések egy részét arra használniuk, hogy ellensúlyozzák a levegő súlyát és légellenállását.
Összefoglalva elmondható, hogy a repülőgépek elsősorban két elmélet alapján repülnek, amelyeket a középiskolában tanultunk, még akkor is, ha nem igazán tudtuk, hogy mi a fenét jelentenek: egyrészt a Venturi-hatás, másrészt, ami még fontosabb, Newton harmadik törvénye, más néven az “akció és reakció törvénye”.
Kezdjük a függőleges irányú erőkkel. A lefelé húzó a gravitációs erő, a felfelé mutató pedig a tolóerő. De honnan származik ez utóbbi? Bár az egész törzsből, azaz a repülőgép egész testéből származik (1. ábra), a legnagyobb része a szárnyakból, és ez mindkét esetben a Venturi-hatásnak köszönhetően történik (2. ábra).
A Venturi-hatás lényege, hogy amikor egy folyadék sebessége nő, a nyomása csökken. Ennek kihasználása érdekében a repülőgépek szárnyait úgy tervezik, hogy a felső részük jobban ívelt, mint az alsó részük, ami azt jelenti, hogy a levegő által megtett távolság nagyobb a felső részen, és ezért kénytelen növelni a sebességét. A Venturi-hatás miatt a szárny felett csökken a nyomás (minél nagyobb a sebesség, annál kisebb a nyomás). Röviden, a szárny alsó részén nagyobb a nyomás, mint a felső részén, és ez felfelé irányuló tolóerőt fejt ki, ami segít a repülőgépnek a levegőben maradni.
A Venturi-hatás által kifejtett erő azonban önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a gépet a levegőben tartsa, és itt lép a képbe Newton harmadik törvénye, amely kimondja, hogy egy adott erő vagy egy tárgyra kifejtett hatás azonos erősségű, de ellentétes irányú reakciót vált ki (próbáljon meg fejjel nekimenni egy falnak, és tudni fogja, miről beszélünk).
És hogyan használják ezt az elméletet a repülőgépeknél? Nos, ismét a szárnyak alakjának és helyzetének köszönhetően, amelyeket úgy terveztek, hogy a rajtuk áthaladó levegőt lefelé lökjék, így a levegőre lefelé ható erő keletkezik, amely a fent említett Newton-törvénynek köszönhetően a szárnyra felfelé ható reakcióerőt eredményez. Természetesen minél gyorsabban megyünk, annál nagyobb az erő, ezért van az, hogy a repülőgépeknek először nagyon nagy sebességet kell elérni a felszálláshoz, majd a levegőben maradáshoz.
Az általam elmondottak ellenőrzésének egyszerű módja, ha kidugjuk a kezünket az autó ablakán. Ha ahelyett, hogy profilba tennénk a kezünket, kissé megdöntjük a szél felé, akkor a levegőt lefelé toljuk el, és egy felfelé irányuló erőt fogunk érzékelni, amely nemcsak a kezünket, hanem az egész karunkat hajlamos megemelni.
Newton harmadik törvényét segíti az úgynevezett Coanda-hatás is, egy olyan fizikai jelenség, amely szerint a folyadék hajlamos megtapadni és követni a vele érintkező tárgy röppályáját. A repülőgépek esetében a levegő (folyadék) hajlamos a repülőgép szárnyához (a tárgyhoz, amelyre rácsapódik) tapadni, és a szárny röppályáját követni (azaz lefelé haladni). Gyakorlati példát láthatsz a képen látható kanálban, vagy ami még jobb, ezen a videón.
És hogyan keletkezik a repülőgép teste által? Ezt azért éri el, mert a levegőmolekulák felfelé nyomják. Az alakjának köszönhetően a mozgás során alul több molekula ütközik, mint felül (ugyanúgy, mint amikor esőben futunk, kevesebb csepp csapódik a hátunkba), és a felül ütközők sokkal kisebb sebességgel ütköznek, mint az alul ütközők, ami nyomáskülönbséget hoz létre, ami felemeli a repülőt (1. ábra).
A vízszintes tengelyen most van egy erő, ami hátrafelé tolja a repülőt. Ez az erő a repülőgépnek ütköző levegőmolekulákból származik. Ennek az erőnek az ellensúlyozására szolgálnak a hajtóművek, amelyek a levegőmolekulákat visszafelé mozgatják, mégpedig úgy, hogy lapátjaikkal gyorsan forognak. Nagy és kevés a légcsavaros gépeknél, és sok és kicsi a turbinás gépeknél.
Nos, nagyjából tudjuk, miért repül egy repülőgép, de miért repül olyan magasan? A legtöbb kereskedelmi repülőgép közel 35 000 láb, azaz körülbelül 10,6 kilométeres magasságban repül. Ha belegondolunk, ez elég nagy magasság. Miért nem repülünk csak néhány kilométerrel a föld felett, ami bőven elegendő magasság ahhoz, hogy a repülőgépnek ne okozzon gondot az olyan építmények, mint a tornyok vagy felhőkarcolók? Ha el akarod kerülni a hegyeket, még ha a világ összes hegye olyan magas is lenne, mint az Everest (8,8 kilométer), miért vennél közel 2000 méterrel több biztonsági tartalékot?
Nos, először is, a magasság, amelyen a legtöbb repülőgép repül, nem önkényes választás. Ennek nagyon jó okai vannak. A következők a legfontosabbak.
Az egyik fő oka annak, hogy a kereskedelmi repülőgépek olyan magasan repülnek, a légellenállás. Minél magasabbra emelkedünk a föld fölé, annál vékonyabbá válik a légkör, és ezért annál kisebb ellenállásba ütközik a repülőgép repülése. A repülőgépek a sugárhajtóművek feltalálása óta repülnek ebben a magasságban (a repülőgépek már nem az eredeti sugárhajtóműveket használják, hanem turbóventilátorokat). Mivel ezek a hajtóművek inkább a rakétasugaras rendszerekhez hasonlítanak, nagyobb a fajlagos impulzusuk, mivel kevesebb a levegő. Mégis szükségük van a légköri oxigénre az égés fenntartásához.
Mindenesetre minél több levegőmolekulát kell a repülőgépnek megtisztítania az útjából, annál több energiát igényel, annál több üzemanyagot fogyaszt, és ennek következtében annál magasabbak lesznek az üzemeltetési költségek. Mivel a nagyobb magasságban kisebb a légellenállás, a kereskedelmi repülőgépek minimális üzemanyag-felhasználással repülnek. Ezért nevezik a 35 000 lábat “utazómagasságnak”, ahol az üzemeltetési költségek és az üzemanyag-hatékonyság közötti egyensúlyt elérik.
Egy másik fontos ok, hogy utazómagasságban a légkör stabilabb, és általában nem kell aggódniuk a felhők és más időjárási jelenségek, például a zivatarok miatt. A repülőgépek nagyobb problémák nélkül át tudnak navigálni a felhőkön és zivatarokon, de amikor ez megtörténik, elkerülhetetlen a turbulencia, ami amellett, hogy kényelmetlen az utasok számára, pánikot okozhat a pilótafülkében.
Az akadályok elhárítása a harmadik és nyilvánvaló ok. Ha konzolon vagy számítógépen repülsz egy repülővel, akkor alacsonyan repülhetsz, szaltózhatsz, épületek között repülhetsz, átmehetsz szurdokokon és így tovább. De ez nem a valóság. Ha ez még egy kis vadász- vagy bemutató repülőgép számára is túl veszélyes, egy nagy kereskedelmi repülőgép számára gyakorlatilag lehetetlen. Egy kis járművel még egy városi busz számára lehetetlen manővereket is meg tudtam csinálni.”
Plusz, mint mindenki tudja, a terep nem a tenyérnyi, hanem a tengerszint felett rengeteg tereptárgy van, így a repülőgép elég nagy magasságba emelkedik ahhoz, hogy mindenféle tereptárgytól távol maradjon. És ha el kell kerülni a tereptárgyakat, a 35 000 láb magasan való repülés azt is biztosítja, hogy a repülőgép jóval a legtöbb madár repülése fölött van. Ez kulcsfontosságú, mivel a madárcsapás sokkal több lehet, mint egyszerű baleset vagy bosszúság.
Már számos esetben történt madárcsapás, de a legnagyobb figyelmet a US Airways 1549-es járatának esete kapta. 2009. január 15-én egy repülőgép (Airbus 320) csodával határos módon hajtómű nélkül landolt a Hudson folyóban, miután a New York-i LaGuardia repülőtérről való felszállás után nem sokkal egy madárraj eltalálta. Hihetetlen, de egyetlen áldozat sem volt. Ezért is nevezik a döcögős, szerencsés landolást – amelyből a Clint Eastwood által rendezett, Tom Hanks főszereplésével készült Sully című film is készült – “csodának a Hudsonon”.
Tegyük fel, hogy egy kereskedelmi utasszállító repülőgépet vezetsz alig egy kilométerrel a föld felett, és valami baj történik. A repülőgép zuhanórepülésbe kezd. Tudja, hogy meg tudja oldani a problémát, ami a gép gyors süllyedését okozza, de a gép túl gyorsan zuhan, és egyszerűen nincs elég ideje a probléma megoldására. Ekkor az ember azt gondolja: “Bárcsak több időm lenne…”. Ez a másik ok, amiért a kereskedelmi repülőgépek körülbelül 11 km-es magasságban repülnek, egy olyan magasságban, amely “biztonsági tartalékként” működik, és időt ad a pilótáknak, hogy kijavítsák a dolgokat, ha valami elromlik.