Er gaat niets boven een vlucht van zevenentwintig uur om je hoofd erbij te houden, wat ongeveer de tijd is die ik nodig had om terug te komen uit Nieuw-Zeeland. Daarboven, in de comfortabele zetels van Qatar Airways, vroeg ik me af hoe we erin slaagden zo goed te vliegen zonder plat te vallen, zoals M. Rajoy zou zeggen, “het is gezond verstand”. Dit zijn de antwoorden.
Vliegtuigen vliegen omdat er geen resulterende kracht is. En wanneer op een lichaam geen enkele kracht wordt uitgeoefend, zal het stil blijven staan of met constante snelheid. Dit werd reeds door Isaac Newton verklaard in zijn eerste wet. Maar dat betekent niet dat er geen kracht op het vliegtuig werkt. Het vliegtuig heeft een gewicht, de passagiers en hun bagage hebben een gewicht, en elk molecuul in de lucht dat door de motoren wordt voortgeduwd of tegen de romp botst, genereert een kracht. Wat er gebeurt is dat de ingenieurs erin geslaagd zijn een deel van die schokken te gebruiken om het gewicht en de luchtweerstand tegen te gaan.
Samenvattend kan worden gezegd dat vliegtuigen in de eerste plaats vliegen op basis van twee theorieën die we op de middelbare school hebben geleerd, ook al wisten we niet echt waar ze voor dienden: ten eerste het Venturi-effect, en ten tweede, wat belangrijker is, de derde wet van Newton, ook bekend als de “wet van actie en reactie”.
Laten we beginnen met de krachten met een verticale richting. Degene die naar beneden trekt is de zwaartekracht en degene die naar boven wijst is de stuwkracht. Maar waar komt die laatste vandaan? Hoewel deze afkomstig is van de gehele romp, d.w.z. de gehele romp van het vliegtuig (figuur 1), komt het grootste deel van de vleugels, en in beide gevallen gebeurt dit dankzij het Venturi-effect (figuur 2).
Het Venturi-effect houdt in dat wanneer een vloeistof zijn snelheid verhoogt, de druk ervan afneemt. Om hiervan te profiteren worden vliegtuigvleugels zo ontworpen dat het bovenste gedeelte meer gebogen is dan het onderste gedeelte, hetgeen betekent dat de door de lucht af te leggen afstand groter is in het bovenste gedeelte en dat de lucht dus gedwongen wordt zijn snelheid te verhogen. Door het Venturi-effect neemt de druk boven de vleugel af (hoe hoger de snelheid, hoe lager de druk). Kortom, het onderste deel van de vleugel heeft een hogere druk dan het bovenste deel, en dit oefent een opwaartse stuwkracht uit die het vliegtuig helpt in de lucht te blijven.
De door het Venturi-effect uitgeoefende kracht is op zichzelf echter niet voldoende om het vliegtuig in de lucht te houden, en hier komt de derde wet van Newton om de hoek kijken, die stelt dat een kracht of actie die op een voorwerp wordt uitgeoefend, op zijn beurt een reactie van gelijke intensiteit teweegbrengt, maar dan in tegengestelde richting (probeer maar eens met uw hoofd tegen een muur te slaan, dan weet u waar we het over hebben).
En hoe wordt deze theorie in vliegtuigen gebruikt? Ook dit is te danken aan de vorm en de stand van de vleugels, die zo zijn ontworpen dat de lucht die er doorheen stroomt naar beneden wordt gestuwd, waardoor een neerwaartse kracht op de lucht wordt uitgeoefend, die, als gevolg van de hierboven genoemde wet van Newton, resulteert in een opwaartse reactiekracht op de vleugel. Natuurlijk, hoe sneller je gaat, hoe meer kracht je krijgt, dat is waarom vliegtuigen eerst een zeer hoge snelheid moeten bereiken om op te stijgen en dan om in de lucht te blijven.
Een eenvoudige manier om te controleren wat ik zeg, is je hand uit het autoraam te steken. Als u in plaats van uw hand in profiel te leggen, deze lichtjes kantelt met uw gezicht naar de wind, verplaatst u de lucht naar beneden en voelt u een opwaartse kracht die de neiging heeft niet alleen uw hand, maar uw hele arm op te tillen.
De derde wet van Newton wordt ook geholpen door het zogenaamde Coanda-effect, een natuurkundig verschijnsel waarbij een vloeistof de neiging heeft zich vast te hechten aan en de baan te volgen van een voorwerp waarmee het in contact is. In het geval van vliegtuigen heeft de lucht (vloeistof) de neiging zich vast te hechten aan de vleugel van het vliegtuig (het voorwerp waar het op botst) en de baan van de vleugel te volgen (d.w.z. een neerwaartse richting te volgen). U kunt een praktisch voorbeeld zien in de lepel op de foto of, nog beter, in deze video.
En hoe wordt het gegenereerd door de romp van het vliegtuig? Het wordt bereikt doordat de luchtmoleculen het omhoog duwen. Door zijn vorm botsen er in beweging meer moleculen aan de onderkant dan aan de bovenkant (op dezelfde manier als wanneer je in de regen rent, er minder druppels op je rug vallen) en die aan de bovenkant botsen met veel minder snelheid dan die aan de onderkant, waardoor een drukverschil ontstaat dat het vliegtuig optilt (figuur 1).
Nu hebben we op de horizontale as een kracht die het vliegtuig naar achteren duwt. Deze kracht zijn de luchtmoleculen die tegen het vliegtuig botsen. Om deze kracht tegen te gaan zijn er de motoren, die de luchtmoleculen naar achteren stuwen, en dat doen ze door met hun bladen snel rond te draaien. Groot en weinig in propellervliegtuigen, en veel en klein in turbinevliegtuigen.
Wel, we weten min of meer waarom een vliegtuig vliegt, maar waarom vliegt het zo hoog? De meeste commerciële vliegtuigen vliegen op een hoogte van bijna 35.000 voet, ongeveer 10,6 kilometer. Als je erover nadenkt, is dat wel erg veel hoogte. Waarom vliegen we niet gewoon een paar kilometer boven de grond, wat meer dan genoeg hoogte is zodat het vliegtuig geen problemen heeft met structuren zoals torens of wolkenkrabbers? Als je bergen probeert te vermijden, zelfs als alle bergen ter wereld zo hoog zouden zijn als de Everest (8,8 kilometer), waarom zou je dan bijna 2000 meter meer veiligheidsmarge nemen?
Wel, ten eerste, de hoogte waarop de meeste vliegtuigen vliegen is geen arbitraire keuze. Daar zijn heel goede redenen voor. Dit zijn de belangrijkste.
Een van de belangrijkste redenen waarom verkeersvliegtuigen zo hoog vliegen, is de luchtweerstand. Hoe hoger je boven de grond komt, hoe ijler de atmosfeer wordt, en dus hoe minder weerstand er is voor de vlucht van het vliegtuig. Vliegtuigen vliegen al op deze hoogte sinds straalmotoren zijn uitgevonden (vliegtuigen gebruiken niet langer de oorspronkelijke straalmotoren, zij gebruiken nu turbofans). Deze motoren, die meer lijken op raketstraalsystemen, hebben een hogere specifieke impuls omdat er minder lucht is. Toch hebben zij atmosferische zuurstof nodig om de verbranding in stand te houden.
In elk geval, hoe meer luchtmoleculen het vliegtuig op zijn weg moet ruimen, hoe meer energie het vergt, hoe meer brandstof het verbruikt, en hoe hoger de exploitatiekosten als gevolg daarvan zullen zijn. Door de lagere luchtweerstand op grotere hoogten, vliegen commerciële vliegtuigen met een minimaal brandstofverbruik. Daarom staat 35.000 voet bekend als de “kruishoogte”, waar een evenwicht wordt bereikt tussen exploitatiekosten en brandstofefficiëntie.
Een andere belangrijke reden is dat op kruishoogte de atmosfeer stabieler is en men zich meestal geen zorgen hoeft te maken over wolken en andere weersverschijnselen, zoals onweer. Vliegtuigen kunnen zonder grote problemen door wolken en onweersbuien navigeren, maar als ze dat doen, is turbulentie onvermijdelijk, wat niet alleen oncomfortabel is voor de passagiers, maar ook paniek in de cockpit kan veroorzaken.
Hindernissen overwinnen is een derde en voor de hand liggende reden. Als je een vliegtuig op de console of computer bestuurt, kun je laag vliegen, salto’s maken, tussen gebouwen doorvliegen, door kloven gaan enzovoort. Maar dat is niet de realiteit. Is dit zelfs voor een klein gevechts- of demonstratievliegtuig al te gevaarlijk, voor een groot verkeersvliegtuig is het praktisch onmogelijk. Met een klein voertuig zou zelfs ik manoeuvres kunnen uitvoeren die voor een stadsbus onmogelijk zijn.
Plus, zoals iedereen weet, is het terrein niet de palm van je hand, maar zijn er boven zeeniveau een veelheid van landvormen, zodat het vliegtuig naar een hoogte klimt die hoog genoeg is om uit de buurt van allerlei landvormen te blijven. En als landvormen moeten worden vermeden, zorgt vliegen op 35.000 voet er ook voor dat het vliegtuig zich ver boven de vlucht van de meeste vogels bevindt. Dat is van cruciaal belang, want vogelaanvaringen kunnen veel meer zijn dan een ongelukje of een ergernis.
Er zijn veel gevallen van vogelaanvaringen geweest, maar het geval dat de meeste aandacht kreeg, was dat van US Airways vlucht 1549. Op 15 januari 2009 maakte een vliegtuig (Airbus 320) een miraculeuze landing zonder motor in de Hudson-rivier nadat het kort na het opstijgen van LaGuardia Airport in New York City was geraakt door een zwerm vogels. Ongelooflijk, er was geen enkel slachtoffer. Daarom staat de hobbelige, gelukkige landing – verwerkt in de film Sully, geregisseerd door Clint Eastwood en met Tom Hanks in de hoofdrol – bekend als het “wonder op de Hudson”.
Stel je vliegt met een verkeersvliegtuig op slechts een kilometer boven de grond en er gaat iets mis. Het vliegtuig begint een duikvlucht te maken. U weet dat u het probleem kunt oplossen dat ervoor zorgt dat het vliegtuig snel daalt, maar het daalt te snel en u hebt gewoon niet genoeg tijd om het probleem op te lossen. Op dat moment zou je denken: “Had ik maar meer tijd…”. Dat is een andere reden waarom commerciële vliegtuigen op een hoogte van ongeveer 11 km vliegen, een hoogte die als een “veiligheidsbuffer” fungeert en piloten de tijd geeft om dingen te repareren als er iets misgaat.