Każdego dnia miliony pasażerów poruszają się z prędkością 900 km/h, kilka tysięcy metrów nad Ziemią, nie zastanawiając się jak to możliwe, że ważący 150 ton samolot w ogóle unosi się w powietrze. Wyjaśniamy, dlaczego samolot w ogóle może lecieć i czy powinniśmy bać się turbulencji. W nowej serii artykułów pomożemy Wam zrozumieć latanie.
Jak to możliwe, że samolot lata?
Od pierwszego lotu samolotem minęło już niespełna 117 lat, kiedy to Wilbur Wright uniósł się nad Ziemię i wykonał lot na odległość 36 metrów. Lot ten zakończył się upadkiem i uszkodzeniem samolotu. Maszyna, aby wzbić się w powietrze wykorzystywała siłę nośną, która do dzisiaj dla wielu z Was stanowi zagadkę.
Samolot potrzebuje dwóch sił, żeby wznieść się w powietrze:
1. Siła ciągu
Dzięki tej sile samolot może poruszać się do przodu. W samolotach komercyjnych wytwarzana jest ona przez silniki turbowentylatorowe napędzane naftą lotniczą. Przeciwieństwem siły ciągu jest siła oporu, którą siła ciągu musi przewyższyć, żeby samolot ruszył się z miejsca. To dzięki sile ciągu samolot może osiągnąć prędkość, przy której jego skrzydła wytwarzają odpowiednią siłę nośną, aby wzbić się w powietrze.
2. Siła nośna
Siła nośna jest tajemniczym zjawiskiem, które budzi wiele pytań i wątpliwości. Można ją określić jako wynik różnicy ciśnień działających na powierzchnię skrzydła od góry i od dołu. Warunkiem uzyskania siły nośnej jest wytworzenie warunków, w których ciśnienie nad skrzydłem będzie mniejsze od ciśnienia pod skrzydłem. Przeciwieństwem siły nośnej jest siła grawitacji, która ciągnie maszynę w dół. Wzniesienie się samolotu w powietrze oznacza, że siła nośna przewyższyła siłę grawitacji.
Za wytworzenie siły nośnej odpowiadają głównie dwa czynniki:
a) kąt natarcia skrzydła
b) profil skrzydła
Poniższy obrazek ukazuje kierunki, w których działa każda z tych sił.
By Gang65 z polskiej Wikipedii, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2898751
Podczas lotu samolotu, skrzydło „przecinając” powietrze, kieruje je w dół z powodu kąta natarcia skrzydła. Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona oznacza to, że jeśli skrzydło odpycha powietrze w dół, to powietrze odpycha skrzydło w górę z taką samą siłą. To powoduje uniesienie skrzydła oraz powstanie siły nośnej.
Duże znaczenie ma także profil skrzydła, którego górna część jest wypukła. Kształt ten w połączeniu z odpowiednim kątem natarcia powoduje, że powietrze opływające skrzydło z góry porusza się szybciej niż powietrze opływające skrzydło z dołu. Zgodnie z prawem Bernoulliego oznacza to, że ciśnienie powietrza nad skrzydłem jest mniejsze niż ciśnienie pod skrzydłem. Dzięki tej różnicy ciśnień uzyskujemy siłę nośną poprzez „ciągnięcie” skrzydła ku górze.
Czy należy bać się turbulencji i szarpania samolotem?
Odpowiedź brzmi: NIE.
1. Czym właściwie są turbulencje?
Turbulencjami nazywamy nadmierne i burzliwe ruchy powietrza powodujące nieznaczne zmiany wysokości, kursu oraz drgania samolotu.
Turbulencje występują praktycznie podczas każdego lotu samolotem komercyjnym. Wielu pasażerów czując drgania lub kołysanie samolotu wyobraża sobie biednych pilotów walczących, aby jakimś cudem utrzymać samolot w powietrzu. Przerażenie nasilają historie innych podróżujących o tym, jak lecieli oni samolotem, który podczas turbulencji spadał 100 metrów w dół i prawie obrócił się o 180 stopni. W rzeczywistości turbulencje traktuje się jako dyskomfort, a nie niebezpieczne zjawisko, a zmiany wysokości przelotowej nieznacznie przekraczają kilka metrów. W przypadku zwyczajnych turbulencji żaden pilot nie walczy o to żeby utrzymać samolot w powietrzu, tylko dba żeby pasażerowie nie powylewali swoich napojów i nie nabili sobie guza spacerując do toalety. Dlatego też często słyszymy komunikat o konieczności zapięcia pasów przelatując przez strefę, w której występują turbulencje.
2. Co powoduje turbulencje?
Głównymi przyczynami turbulencji są masy powietrza a także uskoki wiatru, dzięki czemu turbulencje można podzielić na kilka najważniejszych kategorii:
a) Mechaniczne
Powodem turbulencji mechanicznych jest nierówne podłoże, dlatego najczęściej występują ponad szczytami górskimi lub wysokimi budynkami. W tych miejscach przepływ powietrza zostaje zaburzony. Tego typu turbulencje są łatwe do zlokalizowania, dlatego piloci często mają możliwość ich ominięcia.
b) Termiczne
Powodem tych turbulencji są prądy konwekcyjne, czyli pionowe ruchy powietrza. Powstają one w strefach niskiego ciśnienia, podczas migracji chłodnego powietrza lub w skutek nierównomiernego nagrzewania się terenu.
c) W śladzie aerodynamicznym
Te turbulencje występują najczęściej podczas startu lub lądowania, kiedy samolot leci wolno i nisko. Są wynikiem zawirowań powietrza pozostawionych przez poprzedni samolot. Tworzą się one na końcówkach skrzydeł, ze względu na fakt, że ciśnienie pod skrzydłem jest wyższe niż ciśnienie nad nim. Powoduje to, że wysokie ciśnienie spod skrzydła unosi się w górę, co owocuje powstaniem mocnego wiru powietrza ciągnącego się daleko za nim. Oczywiście wraz z upływem czasu wiry te słabną i opadają. Aby uniknąć występowania tych turbulencji kontrolerzy ruchu dostosowują odstęp między samolotami w zależności od ich rozmiarów, ponieważ duże samoloty powodują większe wiry, które mogłyby być niebezpieczne dla małych maszyn.
d) Turbulencje czystego nieba (CAT)
Są to potocznie mówiąc „dziury w powietrzu” występujące na wysokościach powyżej 10km przy bezchmurnym niebie. Występują zazwyczaj w pobliżu prądów strumieniowych oraz Cumulonimbusów, czyli chmur burzowych. Oba te zjawiska wywołują różnice prędkości wiatru czego efektem są nagłe i gwałtowne zawirowania powietrza. Powszechnie uważa się, że jest to najbardziej niebezpieczny rodzaj turbulencji, jednakże samoloty komercyjne są wyposażone w systemy ich wykrywania, dzięki czemu omija się miejsca ich występowania.
3. Jak przewoźnicy radzą sobie z turbulencjami?
Wiedząc co jest powodem turbulencji, przemysł lotniczy od wielu lat stosuje środki zapobiegawcze, żeby ich uniknąć. Z tego powodu pilotom dostarcza się informacje na temat warunków pogodowych, a także wskazówki dotyczące prędkości oraz wysokości przelotowej. WIeża kontroli lotów wyznaczy odstępy pomiędzy startującymi i lądującymi samolotami tak, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia turbulencji w śladzie aerodynamicznym.
4. Podsumowanie
Nie dajmy się zwariować. Turbulencje nie są dla nas zagrożeniem, pomimo tego, że często media lubią rozdmuchiwać jakiekolwiek incydenty związane z lotnictwem. Dlatego często możemy przeczytać informacje o pasażerach, którzy „ledwo uszli z życiem”, bo tak trząsło samolotem. W 90% przypadków jednak nikomu nie zagrażało żadne niebezpieczeństwo.
Przygotowując artykuł korzystaliśmy z ciekawych źródeł, które mogą Was zainteresować:
- Smith, P. (2019). Pilot Ci tego nie powie. Wydawnictwo Muza. S. A.
- http://www2.wt.pw.edu.pl/~akw/METEO_cw_11_wiatr_turbulencje_SWL.pdf,
- https://www.samoloty.pl/156-archiwum-sp-844/15185-jak-powstaja-turbulencje.
A jeśli podczas kwarantanny nudzicie się w domu, to w poprzednim poście, znajdziecie listę ciekawych filmów podróżniczych, które każdy z nas musi obejrzeć.
