...  a víznél súlyosabbak pedig elmerülnek – ezek a megfigyelések egészen sokáig tartották magukat, és bár a hajózást már sok ezer éve megoldottuk, és az ún. statikus repülést is kipipálhattuk 1783-ban, a Montgolfier-testvérek hőlégballonjának levegőbe emelkedésével, azért a mai értelemben vett (dinamikai, erőelvű) repülés felfedezése váratott magára egészen a huszadik század elejéig (említsük meg őket is persze, megérdemlik: Wright-testvérek, 1903). Jobb későn, mint soha, mert különben itt vége is lenne ennek a blognak, vagy kínomban posztolhatnék vicces képeket, esetleg lengén öltözött lányokat.

Nem lenne illendő azonban egy repüléssel foglalkozó blogon legalább érintőlegesen ne beszélni a repülés fizikájáról.

Repülésfizika és aerodinamika három percben

Az internet közszáján forog egy kissé elnagyolt ábra arról, mitől is tud repülni egy repülőgép:

Az ábrán (elnézést, nem fordítom le) igazság szerint minden fontos részlet szerepel, de remélem, többen érzik, hogy ez a magyarázat azért nyitva hagy néhány fontos kérdést.

Egy repülőgép repülés szempontjából legfontosabb része a szárnya. Meglehetősen leegyszerűsítve és éppen csak a szükséges tudományossággal: a szárny körül áramló levegő kettéválik a szárnyprofil mentén, egy része a szárny felett, másik része pedig a szárny alatt halad végig. A szárny felett elhaladó levegőben az áramvonalak (bocsánat, muszáj: zavartalan, állandósult áramlásban az egymástól egyenlő távolságra lévő, az áramlással párhuzamos vonalak) összesűrűsödnek, a szárny alatt elhaladók pedig eltávolodnak egymástól.

Az ún. folytonossági törvény kimondja, hogy a gázok (és folyadékok) sebessége lelassul, ha az áramlás keresztmetszete nő, és felgyorsul, ha a keresztmetszet csökken (ez belátható, hiszen egységnyi idő alatt azonos térfogatú anyagnak kell áthaladnia). Az áramvonalak sűrűsödése és ritkulása is ilyen keresztmetszet-változás, hiszen a levegő nem keresztezi az áramvonalakat, eképpen a szárny felett végighaladó levegő felgyorsul, az alatta végigfutó pedig lelassul. Ettől önmagában még nem keletkezne felhajtóerő, viszont Bernoulli törvénye alapján tudjuk, hogy az áramló gáz vagy folyadék (statikus) nyomása lecsökken, ha sebessége megnő és fordítva: megnő a sebesség csökkenésével. Ennek megfelelően a szárny felett kialakul egy lecsökkent légnyomású réteg, ami a szárnyat felfelé húzza; a szárny alatt pedig magasabb lesz a légnyomás, ez a szárnyat felfelé fogja tolni.

A kialakuló felhajtóerő a következő tényezőktől függ (csak azért sem írok képletet):

• a levegő sűrűségétől;
• az áramlás sebességétől (ráadásul négyzetesen);
• a szárnyfelület nagyságától és
• egy dimenzió nélküli alaki tényezőtől, amelynek fontos eleme az ún. állásszög.

Az állásszög (Angle of attack, AoA) alatt a szárny síkjának az áramlással bezárt szögét értjük. A leggyakrabban használt (és az ábrákon is látható) ívelt, aszimmetrikus szárnyprofilnál már 0° állásszögnél is kialakul felhajtóerő, hiszen az íveltség miatt nyomáskülönbség ébred (műrepülő gépeknél szokás szimmetrikus profilt használni, mert háton repüléskor az íveltség miatt kialakuló felhajtóerő a Föld felé húzná azokat).

Az állásszög növelésével a felhajtóerő egy ideig egyenletesen nő, majd a növekedés lelassul, végül vissza is fordul, ahogy az ellene dolgozó légellenállás egyre növekszik. Ennek az az oka, hogy a szárny felett végighaladó levegő egyre inkább elkezd leválni a szárnyról, és egyrészt örvényeket kelt, másrészt az a rész már nem vesz részt a felhajtóerő ébresztésében. Ez a leválás először a szárnyprofil végén (az ún. kilépőélnél) kezdődik, és az állásszög növelésével folyamatosan halad előre a szárny éle felé, mígnem eljön az a pillanat, amikor már egyáltalán nem áramlik levegő a szárny mentén. Ezt a (szerencsétlen esetben váratlanul) bekövetkező veszélyes jelenséget hívjuk átesésnek: ilyenkor, mivel már egyáltalán nem képződik felhajtóerő, amíg újra ki nem alakítjuk az áramlást a szárnyak mentén a gép megfelelő helyzetbe hozásával, a gép meglehetősen „repülőgépszerűtlenül” repül (magyarul rohamosan veszít a magasságából).

Legyen most ennyi elég, egyelőre semmi többre nincs szükségünk. Akit jobban érdekel a téma, a bejegyzés végén összegyűjtöttem némi olvasnivalót. Az itt leírt folytonossági és Bernoulli-törvény ma már nem a hivatalos tudományos elmélet, de mivel érthető, és jól leírja a jelenséget, fogadjuk el magyarázatként.

Érdekességek:

• az átesés (bár jellemzően alacsony sebességnél jelentkezik) nem függ a sebességtől, csakis az állásszögtől;
• a felhajtóerő nagyságát mutató ábrán jól látszik, hogy a közhiedelemmel ellentétben a repülőgép nem „támaszkodik” a levegőre, hanem „függeszkedik” a levegőn;
• az áramló levegő nyomáscsökkenése miatt tudja a szél letépni egy ház tetejét, és kevéssé azért, mert alákap. A tetőn végigfutó levegő nyomása alacsonyabb, mint az épület belsejében lévő, így felfelé mutató erőhatás ébred a tetőszerkezetben;
• A Bernoulli-törvényt kísérletileg is könnyen ellenőrizhetjük, ha két, egymáshoz közel, függőlegesen felfüggesztett papírlap közé fújunk. Az áramló levegő nyomáscsökkenése a két papírlapot egymás felé fogja mozdítani.

Olvasnivaló

• wikipedia: Lift (force)
• wikipedia: Angle of attack