Prečo lietadlo letí?

Človek už oddávna obdivoval let vtákov a túžil lietať ako ony. A tak objav lietajúcich strojov patril medzi najvzrušujúcejšie objavy ľudstva. Dnes nás už lietadlá neprekvapia. Ale ako vlastne letia? Prečo nespadnú? Nuž samozrejme, vďaka motoru a krídlam. Lenže motor vyvíja ťah hlavne dopredu (či už vrtuľami, alebo ako reakciu prúdu horúcich plynov), a nie smerom hore. Okrem toho existujú aj bezmotorové lietadlá - vetrone či rogalá, ktoré dokážu dlho lietať. Čo je príčinou ich letu?

Skutočná príčina môže byť u rozličných lietajúcich strojov rôzna. Vo všeobecnosti však platí, že ich tiaž je kompenzovaná silou, ktorá ich drží vo vzduchu. Ale aká je to sila? Ako vzniká? U balónov a vzducholodí je všetko jasné. Vztlaková sila, známa z Archimedovho zákona, drží tieto telesá vo vzduchu. U vrtuľníkov je to ťahová sila hlavnej vrtule smerom nahor. Ale ako je to s lietadlami?

Základný princíp, ktorý sa využíva pri opise letu lietadla objavil už roku 1738 švajčiarsky vedec Daniel Bernoulli, keď skúmal pohyb tekutín. Zaujímalo ho, odkiaľ tekutina získa energiu na zvýšenie svojej rýchlosti v zúženom priereze trubice. Zistil, že je to na úkor jej tlakovej energie. Výsledok vlastne predstavuje zákon zachovania energie a pre tekutinu prúdiacu vodorovne môže byť zapísaný v tvare

kde r je hustota tekutiny, v je jej rýchlosť a p jej tlak v danom mieste. Rovnica vyjadruje vlastne to, že pri zvýšení rýchlosti tekutiny v nejakom mieste, súčasne poklesne jej tlak.

Keďže tekutinou môže byť kvapalina alebo aj plyn, pomocou Bernoulliho rovnice sa dá napríklad vysvetliť pokles atmosferického tlaku pri silných víchriciach alebo tornádach. Práve preto dokáže víchrica strhnúť strechy domov. Na strechu totiž pôsobí zhora nižší tlak ako odspodu, čo pri veľkej ploche strechy vyvolá veľkú tlakovú silu smerom nahor.

Tak trochu podobná je situácia aj pri lietadle. Rozhodujúce pre let lietadla sú krídla, ktoré sú tvarované tak, aby vzduch, ktorý obteká krídlo zvrchu prešiel väčšiu dráhu v porovnaní so vzduchom pod krídlom (obr. 1). Tak získa vzduch nad krídlom lietadla väčšiu rýchlosť ako pod ním. Tlak vzduchu nad krídlom je potom podľa Bernoulliho rovnice menší ako pod ním, a vztlaková aerodynamická sila F_y , pôsobiaca na krídlo, smeruje nahor. Jej veľkosť závisí od rozdielu tlakov vzduchu pod krídlom a nad krídlom, a od veľkosti nosnej plochy krídel.

Obr.1. Pohľad na rez krídla lietadla, ktoré letí vodorovne smerom doľava. Pohyb vzduchu okolo krídla je znázornený čiarami. Výsledná aerodynamická sila F smeruje nahor.

            Spôsob a rýchlosť obtekania krídel vzduchom sa dá meniť aj pomocou klapiek na krídlach, ktoré sa môžu sklápať smerom nadol alebo nahor. V skutočnosti je situácia zložitejšia, lebo pri obtekaní krídel vzduchom vznikajú vzdušné víry, ktoré strhávajú vzduch pri krídlach a spôsobujú jeho cirkuláciu. Navyše krídlo býva mierne naklonené smerom dozadu, takže aj vzduch narážajúci na krídlo odspodu ho dvíha smerom nahor.

Motor lietadla potom vlastne iba vyvíja silu smerom dopredu potrebnú na prekonanie sily odporu vzduchu F_x . Čím väčšia je rýchlosť lietadla, tým väčší bude pretlak medzi spodnou a hornou časťou krídla, ktorý podľa Bernoulliho rovnice závisí od rozdielu druhých mocnín rýchlostí nad krídlom a pod krídlom. Preto lietadlá potrebujú pri svojom štarte získať veľkú rýchlosť. A aj preto stačia rýchlym stíhačkám relatívne malé krídla, a niektoré moderné lietadlá majú dokonca možnosť meniť sklon a tvar krídel počas letu.

A prečo lietadlo nespadne pri leteckej akrobacii, keď letí ”hore nohami”? Veď pred chvíľou sme si vysvetlili, že na lietadlo vďaka tvaru krídel pôsobí sila smerom nahor, a keď sa lietadlo otočí ”hore nohami”, sila by mala smerovať nadol. Nuž nespadne preto, lebo pri takýchto manévroch sa buď mierne zdvihne predok lietadla, alebo sa vysunú klapky na krídlach lietadla smerom nadol. Tým sa dosiahne, že vzduch prúdiaci ponad krídla je zase rýchlejší ako vzduch pod nimi, a tak výsledná sila smeruje nahor.

Pri lete vtákov je situácia o niečo zložitejšia. Na prvý pohľad sa zdá, že pri mávaní krídel sa tieto pohybujú po zložitej krivke, a tlačia vzduch nadol a dozadu. V skutočnosti tu hrá dôležitú úlohu perie, ktoré sa vo vzduchu stáča a plní podobnú funkciu ako vrtule lietadla. Avšak pri plachtení vtákov sa už Bernoulliho princíp jednoznačne uplatňuje. Vtáky pritom, podobne ako rogalá či vetrone, využívajú aj vzostupné prúdy teplého vzduchu.

Aj pri lete šarkanov sa využíva Bernoulliho princíp. Sklonom šarkana možno dosiahnuť, že vzduch nad šarkanom sa pohybuje rýchlejšie ako pod ním. Nastavenie správneho sklonu šarkana závisí od rýchlosti vetra. Pri slabom vetre musí byť sklon väčší, aby väčšia časť prúdu vzduchu pôsobila silou nahor. Ten správny uhol sklonu pomáha udržiavať chvosta šarkana, ktorý tiež plní funkciu stabilizátora.

Podobne tento princíp platí napríklad aj pri hode disku, keď disk vo vzduchu ”plachtí” pomerne veľkú dráhu. Z iných telies spomenieme aspoň bumerang. Aj tu sú okrem iného Bernoulliho rovnica a tvar bumerangu zodpovedné za jeho návrat späť. Profil jeho ramien, ktoré nie sú symetrické, má podobný tvar ako krídla lietadla. Preto ich vzduch obteká rôznymi rýchlosťami zľava a sprava, a tak tlaková sila vychyľuje bumerang z pôvodnej roviny napríklad doprava. Ak dosiahneme, aby os bumerangu vykonala počas letu práve jednu otáčku, bumerang sa vráti späť.

Napokon aj dosiahnutie falšu pri lete lopty v mnohých športoch využíva rovnaký princíp. Na obr. 2. je zobrazený pohľad zhora na loptu, ktorá letí smerom doprava pričom rotuje okolo vlastnej osi. Lopta sa pri svojom lete odkláňa od svojho pôvodného smeru. Prečo? Lebo nie je dokonale hladká, a tak roztáča v smere svojej rotácie tenkú vrstvu vzduchu okolo seba. Výsledná rýchlosť vzduchu pri lopte je potom rovná súčtu rýchlosti otáčania a rýchlosti relatívneho pohybu vzduchu voči lopte. Preto vzduch prúdi okolo lopty rýchlejšie na tej strane, kde je rotácia v smere pohybu prúdu vzduchu (v bode B), a pomalšie na opačnej strane (v bode A). Tak vzniká rozdiel tlakov medzi bodmi A a B, a výsledná sila napokon spôsobí stáčanie lopty.

Obr. 2. Pohľad na loptu, ktorá: a) sa pohybuje voči vzduchu bez rotácie, b) rotuje okolo svojej osi a pohybuje sa doprava. Pohyb vzduchu okolo lopty je znázornený čiarami doľava.