För en tjugosju timmars flygning, vilket är ungefär hur lång tid det tog mig att komma tillbaka från Nya Zeeland. Där uppe, i de bekväma sätena på Qatar Airways, undrade jag hur vi lyckades flyga så bra utan att falla platt, som Rajoy skulle säga, ”det är sunt förnuft”. Detta är svaren.
Flygplan flyger eftersom det inte finns någon resulterande kraft. Och när en kropp inte utsätts för någon kraft kommer den att stå stilla eller ha konstant hastighet. Isaac Newton fastställde detta redan i sin första lag. Men det betyder inte att det inte finns någon kraft som verkar på planet. Planet har en vikt, passagerarna och deras bagage har en vikt, och varje molekyl i luften som pressas av motorerna eller träffar flygplanskroppen genererar en kraft. Ingenjörerna har lyckats använda en del av dessa stötdämpare för att motverka luftens vikt och motståndskraft.
För att sammanfatta kan man säga att flygplan flyger främst baserat på två teorier som vi lärde oss i gymnasiet, även om vi inte riktigt visste vad de var till för: Venturi-effekten och, ännu viktigare, Newtons tredje lag, även känd som ”lagen om verkan och reaktion”.
Låt oss börja med krafterna i vertikal riktning. Den som drar nedåt är tyngdkraften och den som pekar uppåt är dragkraften. Men varifrån kommer det sistnämnda? Även om det kommer från hela flygplanskroppen, dvs. hela flygplanskroppen (figur 1), kommer det mesta från vingarna, och i båda fallen beror det på Venturi-effekten (figur 2).
Venturi-effekten innebär att när en vätska ökar i hastighet minskar dess tryck. För att dra nytta av detta utformas flygplansvingarna så att den övre delen är mer böjd än den nedre, vilket innebär att den sträcka som luften måste färdas är större i det övre området och att den därför tvingas öka sin hastighet. På grund av Venturi-effekten minskar trycket ovanför vingen (ju högre hastighet, desto lägre tryck). Kort sagt har den nedre delen av vingen ett högre tryck än den övre delen, vilket ger en uppåtriktad dragkraft som hjälper flygplanet att hålla sig i luften.
Den kraft som Venturi-effekten utövar räcker dock inte i sig själv för att hålla planet i luften, och det är här som Newtons tredje lag kommer in i bilden, som säger att om en kraft eller en handling utövas på ett objekt så genererar den i sin tur en reaktion med samma intensitet, men i motsatt riktning (prova att slå huvudet i väggen så vet du vad vi pratar om).
Och hur används denna teori i flygplan? Det beror återigen på vingarnas form och placering, som är utformade så att luften som passerar genom dem drivs nedåt, vilket genererar en nedåtriktad kraft på luften, som enligt Newtons lag som nämns ovan resulterar i en uppåtriktad reaktionskraft på vingen. Naturligtvis är det så att ju snabbare du går, desto mer kraft får du, vilket är anledningen till att flygplan måste nå en mycket hög hastighet först för att lyfta och sedan för att hålla sig i luften.
Ett enkelt sätt att kontrollera vad jag säger är att sticka ut din hand genom bilrutan. Om du i stället för att lägga handen i profil lutar den något för att vända den mot vinden kommer du att förskjuta luften nedåt och känna en uppåtgående kraft som tenderar att lyfta inte bara handen utan hela armen.
Newtons tredje lag får också hjälp av den så kallade Coanda-effekten, ett fysikaliskt fenomen som innebär att en vätska tenderar att hålla sig till och följa banan för ett föremål som den är i kontakt med. När det gäller flygplan tenderar luften (vätskan) att fastna vid flygplanets vinge (det föremål den träffar) och följa dess bana (dvs. följa en nedåtgående riktning). Du kan se ett praktiskt exempel i skeden på fotot eller, ännu bättre, i den här videon.
Och hur genereras den av flygplanskroppen? Det sker genom att luftmolekylerna driver den uppåt. Tack vare dess form är det i rörelse fler molekyler som kolliderar i botten än i toppen (på samma sätt som när du springer i regn är det färre droppar som träffar din rygg) och de som kolliderar i toppen kolliderar med mycket lägre hastighet än de som kolliderar i botten, vilket genererar en tryckskillnad som är det som lyfter planet (figur 1).
Nu, på den horisontella axeln, har vi en kraft som pressar planet bakåt. Denna kraft är luftmolekylerna som kolliderar med flygplanet. För att motverka denna kraft är det motorerna som driver luftmolekylerna bakåt genom att snurra snabbt med sina blad. Stora och få i propellerflygplan och många och små i turbinflygplan.
Vi vet mer eller mindre varför ett flygplan flyger, men varför flyger det så högt? De flesta trafikflygplan flyger på en höjd av nästan 35 000 fot, cirka 10,6 kilometer. Om man tänker efter så är det mycket höjd. Varför inte flyga bara ett par kilometer över marken, vilket är mer än tillräckligt för att planet inte ska få problem med strukturer som torn eller skyskrapor? Om man försöker undvika berg, även om alla berg i världen vore lika höga som Everest (8,8 kilometer), varför då ta nästan 2 000 meter mer säkerhetsmarginal?
För det första är den höjd som de flesta flygplan flyger på inte ett godtyckligt val. Det finns mycket goda skäl till det. Följande är de viktigaste.
En av de viktigaste orsakerna till att trafikflygplan flyger så högt är luftmotståndet. Ju högre du kommer upp över marken, desto tunnare blir atmosfären och desto mindre motstånd finns det mot flygplanets flygning. Flygplan har flugit på denna höjd sedan jetmotorerna uppfanns (flygplanen använder inte längre de ursprungliga jetmotorerna, de använder nu turbofläktar). Dessa motorer, som mer liknar raketjetsystem, har en högre specifik impuls eftersom det finns mindre luft. De behöver dock syre från atmosfären för att kunna förbrännas.
I vilket fall som helst, ju fler luftmolekyler som flygplanet måste rensa ut i sin väg, desto mer energi krävs, desto mer bränsle förbrukas och desto högre blir driftskostnaderna. På grund av det lägre luftmotståndet på högre höjder flyger kommersiella flygplan med minimal bränsleförbrukning. Därför kallas 35 000 fot för ”marschhöjd”, där man uppnår en balans mellan driftskostnader och bränsleeffektivitet.
Ett annat viktigt skäl är att atmosfären på marschhöjd är stabilare och man behöver vanligtvis inte oroa sig för moln och andra väderfenomen som t.ex. åskväder. Flygplan kan navigera genom moln och åskväder utan större problem, men när de gör det är turbulens oundviklig, vilket förutom att vara obekvämt för passagerarna kan orsaka panik i cockpit.
En tredje och uppenbar anledning är att ta bort hinder. Om du flyger ett flygplan på konsolen eller datorn kan du flyga lågt, göra kullerbyttor, flyga mellan byggnader, genom raviner och så vidare. Men det är inte verkligheten. Om detta är för farligt även för ett litet jakt- eller uppvisningsflygplan är det praktiskt taget omöjligt för ett stort kommersiellt flygplan. Med ett litet fordon kan till och med jag göra manövrer som är omöjliga för en stadsbuss.
På samma sätt är terrängen, som alla vet, inte som en handflata, utan ovanför havsytan finns det en mängd landformer, så flygplanet klättrar till en höjd som är tillräckligt hög för att hålla sig borta från alla typer av landformer. Och om landformer ska undvikas garanterar flygning på 35 000 fot också att flygplanet befinner sig långt ovanför de flesta fåglars flygning. Det är mycket viktigt, eftersom fågelstötar kan vara mycket mer än bara ett missöde eller ett irritationsmoment.
Det har förekommit många fall av fågelstötar, men det som fick mest uppmärksamhet var fallet med US Airways flight 1549. Den 15 januari 2009 gjorde ett flygplan (Airbus 320) en mirakulös motorlös landning i Hudsonfloden efter att ha träffats av en flock fåglar strax efter starten från LaGuardia-flygplatsen i New York. Otroligt nog fanns det inte ett enda dödsoffer. Det är därför som den guppiga, lyckliga landningen – som har gjorts i filmen Sully, regisserad av Clint Eastwood och med Tom Hanks i huvudrollen – är känd som ”miraklet på Hudson”.
Antag att du flyger ett kommersiellt passagerarflygplan bara en kilometer ovanför marken och att något går fel. Planet börjar störtdyka. Du vet att du kan åtgärda problemet som gör att planet sjunker snabbt, men det sjunker för snabbt och du har helt enkelt inte tillräckligt med tid för att åtgärda problemet. Då tänker du: ”Om jag bara hade haft mer tid…”. Det är ett annat skäl till att trafikflygplan flyger på en höjd av cirka 11 km, en höjd som fungerar som en ”säkerhetskudde” och ger piloterna tid att åtgärda saker och ting om något går fel.