Nie ma to jak 27-godzinny lot, żeby to sobie poukładać w głowie, czyli mniej więcej tyle, ile zajął mi powrót z Nowej Zelandii. Tam w górze, w wygodnych fotelach Qatar Airways, zastanawiałem się, jak udaje nam się tak dobrze latać bez upadku, jak powiedziałby M. Rajoy: „to zdrowy rozsądek”. To są odpowiedzi.
Samoloty latają, ponieważ nie ma siły wypadkowej. A kiedy na ciało nie działa żadna siła, będzie ono nadal stało w miejscu lub ze stałą prędkością. Zostało to już stwierdzone przez Isaaca Newtona w jego pierwszym prawie. Nie oznacza to jednak, że na płaszczyznę nie działa żadna siła. Samolot ma swoją masę, pasażerowie i ich bagaż mają swoją masę, a każda cząsteczka powietrza wypychana przez silniki lub uderzająca w kadłub generuje siłę. Inżynierom udało się wykorzystać niektóre z tych wstrząsów do przeciwdziałania ciężarowi i oporowi powietrza.
Podsumowując, można powiedzieć, że samoloty latają głównie w oparciu o dwie teorie, których nauczyliśmy się w szkole średniej, nawet jeśli tak naprawdę nie wiedzieliśmy, do czego służą: efekt Venturiego i, co ważniejsze, trzecie prawo Newtona, znane również jako „prawo akcji i reakcji”.
Zacznijmy od sił o kierunku pionowym. Ta, która ciągnie w dół, to siła grawitacji, a ta, która kieruje się ku górze, to siła ciągu. Ale skąd się bierze ten ostatni? Chociaż pochodzi ona z całego kadłuba, czyli całego korpusu samolotu (rys. 1), to większość pochodzi ze skrzydeł, a w obu przypadkach dzieje się tak dzięki efektowi Venturiego (rys. 2).
Efekt Venturiego polega na tym, że gdy płyn zwiększa swoją prędkość, jego ciśnienie maleje. Aby to wykorzystać, skrzydła samolotów projektowane są w taki sposób, że ich górna część jest bardziej zakrzywiona niż dolna, co oznacza, że odległość do pokonania przez powietrze jest większa w górnej części, a zatem jest ono zmuszone do zwiększenia swojej prędkości. Ze względu na efekt Venturiego, powoduje to spadek ciśnienia nad skrzydłem (im większa prędkość, tym niższe ciśnienie). Krótko mówiąc, w dolnej części skrzydła panuje wyższe ciśnienie niż w części górnej, a to powoduje ciąg w górę, który pomaga samolotowi utrzymać się w powietrzu.
Jednakże siła wywierana przez efekt Venturiego nie jest sama w sobie wystarczająca, aby utrzymać samolot w powietrzu, i tu właśnie wkracza do gry trzecie prawo Newtona, które stwierdza, że biorąc pod uwagę siłę lub działanie wywierane na obiekt, generuje ono z kolei reakcję o takim samym natężeniu, ale w przeciwnym kierunku (spróbuj uderzyć głową w ścianę, a będziesz wiedział, o czym mówimy).
A jak ta teoria jest wykorzystywana w samolotach? Ano znów dzięki kształtowi i położeniu skrzydeł, które są tak skonstruowane, że przepływające przez nie powietrze napędzane jest ku dołowi, co powoduje powstanie siły działającej na powietrze ku dołowi, a ta, dzięki wspomnianemu wcześniej prawu Newtona, powoduje powstanie siły reakcji ku górze na skrzydle. Oczywiście, im szybciej idziesz, tym większa siła, którą dostajesz, dlatego samoloty muszą osiągnąć bardzo dużą prędkość najpierw do startu, a następnie do utrzymania się w powietrzu.
Prosty sposób, aby sprawdzić, co mówię jest wystawić rękę przez okno samochodu. Jeśli zamiast umieszczać rękę w profilu, przechylisz ją lekko w kierunku wiatru, będziesz przesuwać powietrze w dół i poczujesz siłę, która ma tendencję do unoszenia nie tylko ręki, ale całego ramienia.
Trzecie prawo Newtona jest również wspomagane przez tak zwany efekt Coandy, zjawisko fizyczne, w którym płyn ma tendencję do przylegania i podążania za trajektorią obiektu, z którym się styka. W przypadku samolotów, powietrze (płyn) ma tendencję do przylegania do skrzydła samolotu (obiektu, w który uderza) i podążania po jego trajektorii (tj. w kierunku do dołu). Praktyczny przykład można zobaczyć w łyżce na zdjęciu lub, jeszcze lepiej, na tym filmie.
A jak to jest generowane przez korpus samolotu? Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki powietrza wypychają je do góry. Dzięki jego kształt, w ruchu jest więcej cząsteczek zderzających się na dole niż na górze, (w ten sam sposób, że kiedy biegniesz w deszczu jest mniej kropel uderzających w plecy) i te zderzające się na górze zderzają się z dużo mniejszą prędkością niż te zderzające się na dole, co generuje różnicę ciśnień, która jest co unosi samolot (rysunek 1).
Teraz, na osi poziomej mamy siłę, która popycha samolot do tyłu. Ta siła to cząsteczki powietrza, które zderzają się z samolotem. Przeciwdziałać tej sile mają silniki, które napędzają cząsteczki powietrza do tyłu, a czynią to poprzez szybkie obracanie łopatkami. Duże i mało w samolotach śmigłowych, a dużo i mało w samolotach turbinowych.
Wiemy mniej więcej dlaczego samolot lata, ale dlaczego lata tak wysoko? Większość samolotów komercyjnych przelatuje na wysokości prawie 35 000 stóp, czyli około 10,6 km. Jeśli się nad tym zastanowić, to jest to bardzo duża wysokość. Dlaczego nie latać tylko kilka kilometrów nad ziemią, co jest więcej niż wystarczającą wysokością, aby samolot nie miał problemów z konstrukcjami takimi jak wieże czy drapacze chmur? Jeśli starasz się unikać gór, nawet jeśli wszystkie góry na świecie byłyby tak wysokie jak Everest (8,8 km), po co brać prawie 2000 metrów więcej marginesu bezpieczeństwa?
Po pierwsze, wysokość, na której lata większość samolotów nie jest arbitralnym wyborem. Istnieją ku temu bardzo dobre powody. Poniżej przedstawiono główne z nich.
Jednym z głównych powodów, dla których samoloty komercyjne latają tak wysoko, jest opór powietrza. Im wyżej nad ziemią, tym atmosfera staje się cieńsza, a więc tym mniejszy jest opór dla lotu samolotu. Samoloty latają na tej wysokości od czasu wynalezienia silników odrzutowych (samoloty nie używają już oryginalnych silników odrzutowych, teraz używają turbowentylatorów). Silniki te, jako bardziej zbliżone do systemów odrzutowych rakiet, mają wyższy impuls właściwy, ponieważ jest w nich mniej powietrza. Mimo to, potrzebują tlenu atmosferycznego w celu utrzymania spalania.
W każdym razie, im więcej cząsteczek powietrza samolot musi oczyścić na swojej drodze, tym więcej energii wymaga, tym więcej paliwa zużywa i tym wyższe koszty operacyjne będą w rezultacie. Ze względu na mniejszy opór powietrza na większych wysokościach, samoloty komercyjne latają przy minimalnym spalaniu paliwa. To dlatego 35,000 stóp jest znany jako „wysokość przelotowa”, gdzie równowaga między kosztami operacyjnymi i wydajność paliwa jest osiągnięta.
Innym ważnym powodem jest to, że na wysokości przelotowej, atmosfera jest bardziej stabilna i zazwyczaj nie muszą się martwić o chmury i inne zjawiska pogodowe, takie jak burze. Samoloty mogą nawigować przez chmury i burze bez większych problemów, ale kiedy to robią, turbulencje są nieuniknione, które, oprócz tego, że są niewygodne dla pasażerów, mogą powodować panikę w kokpicie.
Usuwanie przeszkód jest trzecim i oczywistym powodem. Jeśli lecisz samolotem na konsoli lub komputerze, możesz latać nisko, robić salta, przelatywać między budynkami, przechodzić przez wąwozy i tak dalej. Ale to nie jest rzeczywistość. Jeśli jest to zbyt niebezpieczne nawet dla małego myśliwca lub samolotu pokazowego, to dla dużego samolotu komercyjnego jest to praktycznie niemożliwe. Z małym pojazdem, nawet ja mogłem wykonywać manewry niemożliwe dla autobusu miejskiego.
Dodatkowo, jak każdy wie, teren nie jest na wyciągnięcie ręki, ale nad poziomem morza jest mnóstwo form ukształtowania terenu, więc samolot wznosi się na wysokość wystarczająco dużą, aby nie wchodzić w różnego rodzaju formy ukształtowania terenu. A jeśli trzeba omijać ukształtowanie terenu, lot na wysokości 35 000 stóp zapewnia, że samolot znajduje się znacznie powyżej lotu większości ptaków. To jest kluczowe, jak strajki ptaków może być znacznie więcej niż zwykły mishap lub annoyance.
Było wiele przypadków incydentów uderzenia ptaków, ale jeden, który otrzymał najwięcej uwagi był przypadek US Airways lotu 1549. W dniu 15 stycznia 2009 r. samolot (Airbus 320) cudownie wylądował bez silnika w rzece Hudson po tym, jak został uderzony przez stado ptaków krótko po starcie z lotniska LaGuardia w Nowym Jorku. Co niewiarygodne, nie było ani jednej ofiary śmiertelnej. To dlatego wyboiste, szczęśliwe lądowanie – nakręcone w filmie Sully, w reżyserii Clinta Eastwooda i z Tomem Hanksem w roli głównej – znane jest jako „cud na Hudson”.
Załóżmy, że lecisz komercyjnym samolotem pasażerskim zaledwie kilometr nad ziemią i coś idzie nie tak. Samolot zaczyna opadać w dół. Wiesz, że możesz rozwiązać problem, który powoduje, że samolot gwałtownie się obniża, ale spada zbyt szybko i nie masz wystarczająco dużo czasu, aby go rozwiązać. W tym momencie można by pomyśleć: „Gdybym tylko miał więcej czasu…”. Jest to kolejny powód, dla którego samoloty komercyjne latają na wysokości około 11 km, która działa jak „poduszka bezpieczeństwa” i daje pilotom czas na naprawienie sytuacji, jeśli coś pójdzie nie tak.