Ένα μεγάλο επιβατικό αεροπλάνο μπορεί να ζυγίζει δεκάδες ή ακόμη και εκατοντάδες τόνους και παρ’ όλα αυτά να παραμένει για ώρες στον αέρα. Δεν υπάρχει κάποιο «μυστικό» πίσω από αυτό: η πτήση προκύπτει από την αλληλεπίδραση του αέρα με τα φτερά, την ώθηση των κινητήρων και τον προσεκτικό έλεγχο της κίνησης του αεροσκάφους.
Η αεροδυναμική εξηγεί πώς δημιουργείται η άντωση, γιατί το σχήμα και η γωνία των φτερών έχουν σημασία και πώς οι τέσσερις βασικές δυνάμεις της πτήσης συνεργάζονται από την απογείωση μέχρι την προσγείωση.
Οι 4 δυνάμεις που καθορίζουν κάθε πτήση
Κάθε αεροπλάνο που κινείται στον αέρα επηρεάζεται από τέσσερις βασικές δυνάμεις.
- Άντωση (Lift): η αεροδυναμική δύναμη που δρα κυρίως προς τα πάνω και παράγεται κυρίως από τα φτερά.
- Βάρος (Weight): η δύναμη της βαρύτητας που τραβά το αεροσκάφος προς τη Γη.
- Ώση (Thrust): η δύναμη που παράγουν οι κινητήρες ή οι έλικες και κινεί το αεροσκάφος προς τα εμπρός.
- Αντίσταση (Drag): η αεροδυναμική δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση του αεροσκάφους μέσα στον αέρα.
Σε σταθερή οριζόντια πτήση χωρίς επιτάχυνση, η άντωση είναι περίπου ίση με το βάρος και η ώση περίπου ίση με την αντίσταση. Αν το αεροπλάνο αρχίσει να ανεβαίνει, να κατεβαίνει ή να επιταχύνει, αυτή η ισορροπία αλλάζει.
Πώς δημιουργείται πραγματικά η άντωση;
Η άντωση είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης της πτέρυγας με τον αέρα που περνά γύρω της. Καθώς το αεροπλάνο κινείται προς τα εμπρός, η πτέρυγα αλλάζει την ταχύτητα και την κατεύθυνση της ροής του αέρα.
Αυτό δημιουργεί διαφορετική πίεση σε διάφορα σημεία γύρω από την πτέρυγα. Όταν αθροιστούν όλες αυτές οι διαφορές πίεσης πάνω και κάτω από το φτερό, προκύπτει μια συνολική αεροδυναμική δύναμη. Το μέρος της που δρα κάθετα στη ροή ονομάζεται άντωση.
Πού μπαίνει η αρχή του Bernoulli;
Η αρχή του Bernoulli περιγράφει τη σχέση ανάμεσα στην ταχύτητα και την πίεση ενός ρευστού. Σε περιοχές όπου η ροή του αέρα επιταχύνεται, η στατική πίεση μπορεί να είναι χαμηλότερη.
Πάνω από μια πτέρυγα που παράγει άντωση, ο αέρας συχνά κινείται ταχύτερα και η πίεση είναι χαμηλότερη από ό,τι σε άλλες περιοχές γύρω από την πτέρυγα. Αυτή η κατανομή πίεσης αποτελεί βασικό μέρος της άντωσης.
Δεν είναι όμως σωστό να λέμε ότι ο αέρας πάνω από το φτερό «πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση και να συναντήσει ξανά τον αέρα της κάτω πλευράς στο πίσω μέρος». Τα δύο ρεύματα αέρα δεν έχουν καμία υποχρέωση να φτάσουν ταυτόχρονα στο χείλος εκφυγής.
Και τι σχέση έχει ο Νεύτωνας;
Η ίδια διαδικασία μπορεί να περιγραφεί και με τους νόμους του Νεύτωνα. Η πτέρυγα εκτρέπει συνολικά τη ροή του αέρα προς τα κάτω. Σύμφωνα με την αρχή δράσης και αντίδρασης, ο αέρας ασκεί αντίθετη δύναμη στην πτέρυγα προς τα πάνω.
Δεν πρόκειται για δύο ανταγωνιστικές εξηγήσεις. Η κατανομή της πίεσης γύρω από το φτερό και η εκτροπή της ροής προς τα κάτω είναι διαφορετικοί τρόποι να εξετάσουμε το ίδιο αεροδυναμικό φαινόμενο.
Γιατί η γωνία προσβολής είναι τόσο σημαντική;
Η γωνία προσβολής είναι η γωνία ανάμεσα στη χαρακτηριστική γραμμή της πτέρυγας και στον αέρα που έρχεται προς αυτήν. Ακόμη και μια σχετικά επίπεδη ή συμμετρική πτέρυγα μπορεί να δημιουργήσει άντωση όταν συναντά τη ροή με κατάλληλη γωνία.
Όσο αυξάνεται η γωνία προσβολής μέσα σε φυσιολογικά όρια, συνήθως αυξάνεται και η άντωση. Αν όμως η γωνία γίνει υπερβολικά μεγάλη, η ομαλή ροή αποκολλάται από την επιφάνεια της πτέρυγας και η άντωση μειώνεται απότομα.
Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται απώλεια στήριξης ή stall. Δεν σημαίνει ότι σταματούν οι κινητήρες· αφορά κυρίως την αεροδυναμική συμπεριφορά της πτέρυγας.
Τι επηρεάζει το πόση άντωση παράγουν τα φτερά;
Η άντωση δεν εξαρτάται μόνο από το σχήμα της πτέρυγας. Επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες μαζί.
- Ταχύτητα: όσο αυξάνεται η ταχύτητα μέσα στον αέρα, τόσο μπορεί να αυξηθεί σημαντικά η άντωση.
- Πυκνότητα του αέρα: ο πυκνότερος αέρας επιτρέπει μεγαλύτερη άντωση υπό ίδιες συνθήκες.
- Εμβαδόν της πτέρυγας: μεγαλύτερη επιφάνεια μπορεί να παράγει μεγαλύτερη συνολική δύναμη.
- Σχήμα της αεροτομής: επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο κινείται ο αέρας γύρω από την πτέρυγα.
- Γωνία προσβολής: μεταβάλλει την κατανομή πίεσης και την εκτροπή της ροής.
Γι’ αυτό ένα αεροσκάφος αλλάζει ταχύτητα και διαμόρφωση πτέρυγας στις διαφορετικές φάσεις της πτήσης.
Τι κάνουν τα flaps κατά την απογείωση και την προσγείωση;
Στο πίσω μέρος πολλών πτερύγων υπάρχουν κινούμενες επιφάνειες που ονομάζονται flaps. Όταν κατεβαίνουν, αλλάζουν το σχήμα και συχνά το αποτελεσματικό εμβαδόν της πτέρυγας.
Έτσι το αεροπλάνο μπορεί να παράγει περισσότερη άντωση σε χαμηλότερες ταχύτητες, κάτι ιδιαίτερα χρήσιμο κατά την απογείωση και κυρίως κατά την προσγείωση. Ταυτόχρονα όμως αυξάνεται και η αντίσταση.
Υπάρχουν επίσης slats στο μπροστινό μέρος ορισμένων πτερύγων, τα οποία βοηθούν την πτέρυγα να λειτουργεί σε μεγαλύτερη γωνία προσβολής πριν εμφανιστεί stall.
Γιατί οι κινητήρες είναι απαραίτητοι;
Οι κινητήρες δεν «σηκώνουν» συνήθως το επιβατικό αεροπλάνο απευθείας προς τα πάνω. Παρέχουν την ώση που χρειάζεται ώστε το αεροσκάφος να κινείται γρήγορα μέσα στον αέρα και τα φτερά να παράγουν την απαιτούμενη άντωση.
Στα περισσότερα σύγχρονα επιβατικά αεροσκάφη χρησιμοποιούνται κινητήρες turbofan. Ένας μεγάλος ανεμιστήρας στο μπροστινό μέρος επιταχύνει μεγάλη ποσότητα αέρα προς τα πίσω, δημιουργώντας ώση προς τα εμπρός.
Οι βασικοί τύποι κινητήρων
- Turbofan: ο πιο συνηθισμένος τύπος στα σύγχρονα επιβατικά αεροσκάφη, με καλή απόδοση στις υποηχητικές ταχύτητες.
- Turbojet: χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές όπου ενδιαφέρουν υψηλότερες ταχύτητες, αλλά είναι λιγότερο αποδοτικός για τις περισσότερες επιβατικές πτήσεις.
- Turboprop: αεριοστρόβιλος που κινεί έλικα και χρησιμοποιείται συχνά σε μικρότερα αεροσκάφη και μικρότερες αποστάσεις.
Μπορεί ένα αεροπλάνο να πετάξει αν σβήσουν οι κινητήρες;
Ναι, ένα συμβατικό αεροπλάνο δεν πέφτει κατακόρυφα επειδή σταμάτησαν οι κινητήρες. Όσο εξακολουθεί να κινείται μέσα στον αέρα με κατάλληλη ταχύτητα και γωνία προσβολής, τα φτερά μπορούν να συνεχίσουν να παράγουν άντωση.
Το αεροσκάφος τότε κατεβαίνει σταδιακά ανταλλάσσοντας ύψος με ταχύτητα, όπως ένα ανεμόπτερο. Η απόσταση που μπορεί να διανύσει εξαρτάται από τον τύπο του αεροσκάφους, το ύψος, την ταχύτητα και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες.
Γιατί το κέντρο βάρους είναι κρίσιμο;
Το κέντρο βάρους είναι το σημείο στο οποίο μπορούμε να θεωρήσουμε ότι συγκεντρώνεται το συνολικό βάρος του αεροσκάφους. Η θέση του πρέπει να βρίσκεται μέσα σε συγκεκριμένα όρια που έχει ορίσει ο κατασκευαστής.
Αν βρίσκεται υπερβολικά μπροστά, το αεροσκάφος μπορεί να απαιτεί μεγαλύτερες δυνάμεις ελέγχου και να έχει χειρότερη απόδοση. Αν βρίσκεται υπερβολικά πίσω, μπορεί να μειωθεί σημαντικά η διαμήκης σταθερότητα και να γίνει δυσκολότερη η ανάκτηση από ορισμένες ανεπιθύμητες καταστάσεις πτήσης.
Γι’ αυτό πριν από κάθε πτήση υπολογίζονται το βάρος και η κατανομή επιβατών, αποσκευών, φορτίου και καυσίμου.
Πώς ελέγχει ο πιλότος το αεροπλάνο;
Ένα αεροσκάφος μπορεί να περιστραφεί γύρω από τρεις βασικούς άξονες. Οι κύριες επιφάνειες ελέγχου επιτρέπουν στον πιλότο ή στο σύστημα αυτόματου ελέγχου να μεταβάλλει αυτή την κίνηση.
- Ailerons: βρίσκονται συνήθως προς τις άκρες των φτερών και ελέγχουν την κλίση του αεροσκάφους δεξιά και αριστερά, δηλαδή το roll.
- Elevator: βρίσκεται στην οριζόντια ουρά και ελέγχει κυρίως το pitch, δηλαδή αν η μύτη ανεβαίνει ή κατεβαίνει.
- Rudder: βρίσκεται στο κάθετο ουραίο πτερύγιο και ελέγχει το yaw, δηλαδή την περιστροφή της μύτης δεξιά ή αριστερά.
Τι κάνει πραγματικά ο αυτόματος πιλότος;
Ο αυτόματος πιλότος δεν είναι ένας «ρομποτικός πιλότος» που αναλαμβάνει μόνος του ολόκληρη την πτήση. Είναι μέρος ενός συστήματος αυτόματου ελέγχου που μπορεί να διατηρεί συγκεκριμένο ύψος, πορεία, ταχύτητα ή άλλες παραμέτρους που έχουν επιλέξει οι χειριστές.
Στα σύγχρονα αεροσκάφη συνεργάζεται με αισθητήρες, συστήματα πλοήγησης, υπολογιστές πτήσης και συστήματα διαχείρισης κινητήρων. Οι πιλότοι παραμένουν υπεύθυνοι για την παρακολούθηση και τη διαχείριση της πτήσης.
Πώς αντιμετωπίζει το αεροπλάνο τις αναταράξεις;
Οι αναταράξεις είναι μεταβολές στη ροή και στην ταχύτητα του αέρα. Το αεροσκάφος μπορεί να δεχτεί στιγμιαίες αλλαγές στην άντωση, στην ταχύτητα και στη στάση του.
Η βασική σταθερότητα προέρχεται από τον ίδιο τον αεροδυναμικό σχεδιασμό του αεροσκάφους. Παράλληλα, τα συστήματα ελέγχου, ο αυτόματος πιλότος και, σε πολλά σύγχρονα αεροσκάφη, τα ηλεκτρονικά συστήματα fly-by-wire μπορούν να βοηθούν στη διατήρηση της επιθυμητής στάσης και πορείας.
Δεν υπάρχουν απλώς «αισθητήρες ανύψωσης και αντίστασης». Τα αεροσκάφη χρησιμοποιούν πολλές διαφορετικές μετρήσεις, όπως ταχύτητα αέρα, πίεση, υψόμετρο, επιτάχυνση, γωνιακή κίνηση και γωνία προσβολής.
Τι είναι τα winglets στις άκρες των φτερών;
Πολλά σύγχρονα αεροπλάνα έχουν στις άκρες των φτερών μικρές κάθετες ή καμπύλες προεκτάσεις, γνωστές γενικά ως winglets. Σκοπός τους είναι να μειώνουν μέρος της επαγόμενης αντίστασης που συνδέεται με τους στροβίλους στις άκρες των πτερύγων.
Η μικρότερη αντίσταση μπορεί να βελτιώσει την αεροδυναμική απόδοση και να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου σε κατάλληλες συνθήκες πτήσης.
Συχνές ερωτήσεις για το πώς πετούν τα αεροπλάνα
Το Bernoulli ή ο Νεύτωνας εξηγεί την άντωση;
Και οι δύο προσεγγίσεις περιγράφουν πλευρές του ίδιου φαινομένου. Η κατανομή πίεσης γύρω από την πτέρυγα μπορεί να αναλυθεί με τις αρχές της μηχανικής των ρευστών, ενώ η εκτροπή της ροής και η αντίδραση της πτέρυγας είναι συμβατές με τους νόμους του Νεύτωνα.
Πρέπει η πάνω πλευρά του φτερού να είναι πάντα κυρτή;
Όχι. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές αεροτομές, ακόμη και σχεδόν συμμετρικές. Το σχήμα, η γωνία προσβολής και οι συνθήκες ροής συνεργάζονται για τη δημιουργία άντωσης.
Τι συμβαίνει όταν το αεροπλάνο πετά ευθεία με σταθερή ταχύτητα;
Σε ιδανική σταθερή και οριζόντια πτήση, η άντωση εξισορροπεί περίπου το βάρος και η ώση εξισορροπεί περίπου την αντίσταση.
Τι είναι το stall;
Είναι η σημαντική απώλεια άντωσης που συμβαίνει όταν η γωνία προσβολής ξεπεράσει ένα κρίσιμο όριο και η ροή αποκολληθεί σε μεγάλο βαθμό από την πτέρυγα. Δεν σημαίνει απαραίτητα βλάβη ή σβήσιμο των κινητήρων.
Οι κινητήρες κρατούν το αεροπλάνο στον αέρα;
Οι κινητήρες παρέχουν κυρίως την ώση που χρειάζεται ώστε το αεροσκάφος να διατηρεί την απαιτούμενη ταχύτητα μέσα στον αέρα. Η περισσότερη άντωση στα συμβατικά αεροπλάνα παράγεται από τα φτερά.
Το εντυπωσιακό στην πτήση δεν είναι κάποιος κρυφός μηχανισμός, αλλά το πόσο καλά συνδυάζονται οι νόμοι της φυσικής με τη μηχανική. Τα φτερά διαμορφώνουν και εκτρέπουν τη ροή του αέρα, οι κινητήρες εξασφαλίζουν την απαιτούμενη ταχύτητα και τα συστήματα ελέγχου κρατούν το αεροσκάφος μέσα στα σωστά όρια.
Πηγές:
