Cum zboară un avion de 400 de tone?
Un avion mare de pasageri, plin, poate cântări cât câteva sute de mașini. Și totuși stă în aer ore întregi. Nu e magie. E aer, împins cu socoteală.
Aerul nu e „nimic”
Aerul pare gol, dar e făcut din molecule care au masă. Un metru cub de aer, cât o cutie mare, cântărește cam 1,2 kilograme. Aerul dintr-o cameră obișnuită cântărește cât un copil sau chiar cât un adult.
Nu-l simți pentru că te apasă din toate părțile la fel. Când se mișcă repede, îl simți imediat: e vântul care îți întoarce umbrela pe dos.
Patru forțe, trase în patru părți
Asupra unui avion trag mereu patru forțe. Greutatea îl trage în jos. Portanța, făcută de aripi, îl împinge în sus. Tracțiunea, făcută de motoare, îl împinge înainte. Rezistența aerului îl frânează.
Ca să urce, avionul are nevoie de o portanță mai mare decât greutatea. Portanța crește când avionul merge mai repede și când aripa e înclinată puțin mai mult față de aerul care vine din față.
Unghiul dintre aripă și aerul care vine se numește unghi de atac. Dacă îl mărești prea mult, aerul nu mai poate urma forma aripii, se desprinde de ea în vârtejuri, iar portanța scade brusc. Piloții numesc asta „angajare” (în engleză, stall) și se antrenează ca s-o recunoască și s-o evite.
Ce face, de fapt, aripa
Privită din lateral, aripa e rotunjită în față, subțire în spate și puțin curbată. Când trece prin aer, îl abate în jos. Iar după o lege a lui Isaac Newton, dacă împingi ceva într-o parte, ești împins în partea opusă. Aripa împinge aerul în jos, aerul împinge aripa în sus.
În același timp, deasupra aripii aerul curge mai repede și apasă mai slab, iar dedesubt apasă mai tare. Sunt două feluri de a descrie același lucru, nu două forțe diferite.
Legătura dintre viteza aerului și presiune poartă numele lui Daniel Bernoulli. Inginerii nu calculează portanța dintr-o frază, ci din ecuațiile curgerii, rezolvate pe calculator și verificate în tunele aerodinamice.
Un avion de linie zboară, de obicei, la 10-12 kilometri înălțime. Acolo afară sunt cam -50 °C, iar aerul e atât de rarefiat încât un om n-ar putea respira. De aceea cabina e presurizată.
Multe cărți spun că aerul de deasupra merge mai repede „ca să ajungă în același timp” cu cel de dedesubt. Sună frumos. E fals. Îți arăt la „Fapt sau legendă?”.
Primii oameni în aer
În 1783, frații Montgolfier au ridicat în Franța un balon cu aer cald. Primii pasageri au fost o oaie, o rață și un cocoș, care au aterizat teferi. În 1903, frații Wright au făcut în America primul zbor controlat cu un avion cu motor: 12 secunde și aproximativ 37 de metri.
În 1906, la Paris, Traian Vuia a decolat cu un aparat care a pornit singur pe roți, cu motorul lui, fără catapultă. În 1910, Aurel Vlaicu a zburat cu primul lui avion, construit de el.
Fapt sau legendă?
„Aerul de deasupra aripii merge mai repede ca să se întâlnească, la coadă, cu aerul de dedesubt.”
„Un avion poate zbura și cu susul în jos.”
„În 1910, Henri Coandă a zburat cu primul avion cu reacție din lume.”
Experiment: fâșia de hârtie
Explicația experimentului e mai încâlcită decât pare. Jetul de aer urmărește forma curbată a hârtiei și e abătut, iar presiunea de deasupra fâșiei scade. Fizicienii încă discută cât contează fiecare parte. E un exemplu bun că și un experiment simplu poate avea o explicație complicată.
Nu se știe încă
Când aerul curge haotic, în vârtejuri care se rup în vârtejuri tot mai mici, calculele devin uriașe. Ecuațiile care descriu curgerea sunt cunoscute de aproape 200 de ani, dar matematicienii încă nu au dovedit dacă au mereu o soluție. E una dintre cele șapte Probleme ale Mileniului, cu un premiu de un milion de dolari.
Testul lui Kokodel
- NASA Glenn Research Center. Beginner's Guide to Aeronautics: Incorrect Lift Theory (Equal Transit).
- Anderson J. D. Introduction to Flight. McGraw-Hill.
- Babinsky H. How do wings work? Physics Education 38, 2003.
- Clay Mathematics Institute. Millennium Prize Problems: Navier-Stokes Equation.