2020 van, és még mindig nem értjük teljesen, miért maradnak a gépek a levegőben
Komor vagy sem, mindannyian alkalmanként elfordultunk a repülőgép ablaka elől, amikor láttuk, hogy a repülőgép szárnyai többször rángatóztak, és véleményünk szerint a szükségesnél jobban mozogtak. Igen, több százszor hallottuk, hogy a repülőgép a legbiztonságosabb közlekedési eszköz a világon; hogy minden 2,4 millió járatból csak egy végződik tragédiával, és hogy a turbulencia legalább 40 év alatt nem okozott balesetet.
Akkor miért zavar minket annyira a szárnyak hirtelen mozgása? Mint sok más esetben, a válasz abban is rejlik, hogy nem tudunk arról, hogy egy repülőgép miként marad a levegőben. Ezért kérdeztük magunktól; Milyen furcsa erő teszi lehetővé a repülőgép számára, hogy 10 000 méteres magasságban tartsa fenn több ezer kilométeren keresztül, anélkül, hogy erőszakos lökés a legkisebb veszélyt jelentené a pilótázásra?
Ha nem tudja, hogyan válaszoljon erre a kérdésre biztosan, ne aggódjon; a tudományos közösség sem.
És ez az, hogy bár a repüléstechnikai mérnökök több mint képesek repülésre alkalmas repülőgépek építésére (amint ezt a repüléstörténet elmúlt 80 éve bizonyítja), nem annyira, hogy elmagyarázzák, hogy az aerodinamikai lift pontosan hogyan jön létre, vagy a felfelé irányuló erő, amely körülbelül 100 tonnás fémváznak a levegőben való tartózkodását teszi lehetővé.
Különböző elméletek léteznek ebben a tekintetben, amelyek ugyan eléggé megalapozott magyarázatot kínálnak arra, hogy ez az erő miért keletkezik, de az évek során hibásnak vagy legalábbis elégtelennek minősítették őket, mivel sok végét kötetlenül hagyják. Bár teljesítik tájékoztató funkciójukat (és ezért szerepelnek a kevésbé képzett olvasóknak szóló tankönyvekben és enciklopédiákban), ezen egyetemes magyarázatok egyike sem önmagában érvényes magyarázat.
Hogyan tervezzünk repülésre alkalmas repülőgépeket, ha nem tudjuk megmagyarázni, hogyan csinálják?
Ezen a ponton elgondolkodhat azon, hogyan lehet egy tökéletesen működő kereskedelmi repülőgépet megtervezni, és ugyanakkor, nem képes szigorúan megmagyarázni, hogyan keletkezik az az erő, amely a sík felszállása során felemelkedik.
Nagyon könnyű; a fizika (és különösen a folyadékmechanika) kiemelkedően kísérleti tudomány, amelyben sokszor kísérletek megelőzik az elméletet. Először megfigyelnek egy jelenséget és elvégeznek méréseket; később kísérleteket hajtanak végre és matematikai modelleket dolgoznak ki a kísérletek által szolgáltatott adatok magyarázatára, végül elméletek és törvények dolgoznak ki.
Más szavakkal, a 18. és 19. századi fizikusok és matematikusok vizsgálati munkája olyan matematikai képleteket nyújtott számunkra, amelyek kísérletekkel (Navier-Stokes-egyenletek) képesek nagyon pontos és kimutatható jóslatok megfogalmazására. Sokszor azonban nem vagyunk képesek ilyen hatékony és egyértelmű matematikai nyelv fordítására, a szemünk számára érthető és ésszerű nyelvre, gyakran korlátozza az, amit szabad szemmel megfigyelhetünk, és mi nem.
Hagyományos magyarázatok, vagy mit mondanak a középiskolai tankönyvek
Mindenekelőtt arra kell emlékezni a levegő folyadék és mint ilyen, bizonyos ellenállást mutat az ellene ható szilárd testekkel szemben, hasonlóan a tengervízhez, amikor egy hajó ütközik ellene (ennek a másodpercnek egyszerűen nagyobb a sűrűsége).
Gyakran azt gondolják, hogy ami a repülőgépet a levegőben tartja, az a motor ereje, de még mindig hipotetikus és valószínűtlen esetben, ha a motor meghibásodik, a gép nem zuhan le. Míg a motor ellensúlyozza az elölről (ellenállás) generált ellenállást, addig a szárnyak ellensúlyozzák a lefelé keletkező ellenállást (súly).
Vagyis a motor teljesítménye lehetővé teszi a gép számára, hogy elérjen egy bizonyos sebességet, de a szárnyak azok, amelyek sajátos alakjukból adódóan elegendő erőt generálnak ahhoz, hogy ellensúlyozzák a sík és a benne tartózkodók súlyát (kb. 100 tonna). Végül ahhoz, hogy a repülőgép a levegőben maradjon, tökéletes egyensúlyt kell kialakítani négy egymással szemben álló erő (súlyemelés és tolóhúzás) között. Amikor ez az egyensúly bekövetkezik, a repülőgép belép az utazási szakaszba.
A lényegi hagyományos magyarázat az Bernoulli tétele, holland-svájci matematikus, statisztikus, fizikus és orvos, aki a 18. században élt. E magyarázat szerint a légmolekulák, amikor találkoznak a szárnnyal, kénytelenek elválni. A szárny alakja miatt (vastagabb és elöl lekerekített) a szárnyon haladó molekuláknak annak érdekében, hogy újra találkozhassanak az alján utazó molekulákkal, rövidebb idő alatt ugyanolyan távolságot kell megtenniük, ami növeli a sebesség. Bernoulli törvénye szerint minél nagyobb a sebesség, annál alacsonyabb a nyomás, ami azt jelenti, hogy alacsony szárnyú területünk van a szárnyon, és alatta van egy nagynyomású terület, amely felfelé hajtja a szárnyat.
Bernoulli tétele azonban túl nagy jelentőséget tulajdonít a szárny görbületének és a sík helyzetének., figyelmen kívül hagyva, hogy vannak olyan repülőgépek, amelyek képesek teljesen lapos szárnyakkal repülni, és repülés közben 180 fokkal elfordulni, és a levegőben maradni. Ezenkívül számos vizsgálat kimutatta, hogy a repülőgép szárnyán áthaladó levegő a szárny alatt haladó levegő előtt eléri a szárny végét, és ezzel a másodperccel nem csatlakozik újra.