Následující povídání bude o třech silách provázejících všechny létající stroje s pevnými či pohyblivými nosnými plochami při jejich pohybu ovzduším Země. Zveřejňujeme toto pojednání proto, že mnozí moudřejší zastánci zastávají názor, a to i podle nás, které připomíná   oprávněnost opakování, jako matky moudrosti. Budeme si tak počínat i v budoucnu, i když mnozí návštěvníci těchto stránek v nich nenajdou pro sebe příliš nového, což nám nebudou zajisté přičítat k dobru.

Takže jak to například asi vypadá v okolí letounu se silami kolem něj se nacházejícími a na něj působícími je zachyceno zjednodušeně v následujícím obrázku.

Odpor je  při pohybu silou neopomenutelnou, tak říkajíc věčně působící a snižuje vždy účinnost vložené energie pod 100%.

Vztlak naproti tomu můžeme občas odstranit úplně, ale zároveň o něj na druhé straně zase velmi stojíme, neboť bez něj by nebylo létání dost dobře možné.

Tíha naproti tomu je stálá „potížistická“ síla stejné hodnoty, která působí nezávisle na tom je-li jakékoliv těleso v klidu nebo pohybu.

Vztlak i odpor jsou silami aerodynamickými, vzniklými během pohybu vhodně i méně vhodně tvarovaných těles (létajících strojů) tekutinami, tedy i atmosférou Země.

Zatímco vztlak je pro létání silou příznivě působící, jsou odpor a tíha silami tento pohyb znesnadňující.

Síly od případných pohonných jednotek ponecháme v této populárně podané úvaze stranou.

Aby čtenáři těchto řádků získali z nich co nejvíce, je vhodné připomenout ještě následující důležitou okolnost. A tou je stav, kdy v tekutině (tou je zde míněn samozřejmě i vzduch) dojde k nějakému pohybu a její částice začnou měnit svoje původní polohy.

V tom okamžiku se rozdělí uvnitř této tekutiny její původní tlak na dvě části, ačkoliv jeho celková hodnota se nezmění. Dovolíme si nyní malé zjednodušení v tom, že zanedbáme ztráty energii k nimž během pohybu dochází. Není to správné, ale snad to nebude v takto populárně laděném povídání smrtelný hřích.

Jestliže jsme byli schopni změřit celkovou hodnotu vnitřního tlaku tekutiny, která nebyla v pohybu, což není zas tak obtížné, tak u pohybující se tekutiny zjistíme, že se tato hodnota nyní zmenšila. A zmenší se tím více, čím bude rychlost pohybu větší.

Takže nyní je k dispozici ještě jedna a sice zmenšená hodnota tlaku, kterou jsme schopni také poměrně snadno změřit a pro ni použijeme  názvu tlak statický. 

Pro rozdíl mezi původní celkovou hodnotou tlaku tekutiny a nově zjištěným-nižším statickým tlakem použijeme názvu tlak dynamický. 

Změna vnitřního tlaku tekutiny je přímo úměrná rychlosti proudění(nebo letu) a sice její druhé mocnině.

Součtem tlaku statického a tlaku dynamického je pak samozřejmě tlak celkový(původní). A to je, ač se to mnohým stoupencům letectví nemusí líbit, protože nejsou nadšenými zastánci teorií, jinak vyjádřený zákon o zachování energie v proudící tekutině. Neboli Bernoulliho rovnice (Švýcar Daniel Bernoulli žil v letech 1700 až 1780), která prostupuje veškerou aerodynamiku a hydrodynamiku.

No a co z toho?! Mohl by se leckdo zeptat.

Pokud se nechceme zabývat okolnostmi provázejícími létání, pak se o to dále nemusíme zajímat. Ale protože nás to, na rozdíl od jiných, pro něž je létání obestřeno „tajemstvími a nepřirozenými lidskými činnostmi“, zajímá tak připomenu:

velmi zajímavým se pro nás stává tlak dynamický, který je polovičním součinem hustoty(měrné tíhy) vzduchu a druhé mocniny rychlosti proudění(letu). 

Ten působí v bezprostředním okolí všech těles se v něm nacházejících, jestliže je buď tekutina v pohybu a těleso v klidu nebo opačně. Což jsou  jakékoliv létající stroje, ať malé či velké.

Tato skutečnost je nazývána principem relativnosti proudění. Podle něj je jedno zdali je tekutina v pohybu a těleso v klidu nebo tekutina v klidu a těleso v pohybu. Vzájemná působení tekutin a těles jsou v obou případech stejná.

A teď ještě malé upozornění na to co může vzniknout, jestliže se na povrchu nějakého tělesa změní tlak okolní tekutiny (důsledky znají všichni, kdo se například setkali s jakýmikoliv účinku větru na lidi, stromy, budovy, ….).

Tlak, obecněji řečeno tlakové pole, vzniká působením nějaké síly na povrch tělesa. Jestliže pak známe hodnotu tlaku a nosnou plochu létajícího stroje, můžeme snadno vypočítat na něj působící sílu.

Když například budeme znát celkový součet tlaků na horní a spodní straně křídla(nosné plochy) letounu a jeho plochu, spočítáme jeho vztlak. Vztlak totiž vzniká působením tlakových sil.

Obdobně tak vzniká i odpor. K jeho celkové velikosti však ještě přispívají i síly třecí. To je však na jiné delší povídání.

Tlakové pole  působící na profil  není však rozloženo rovnoměrně podél jeho hloubky a nepůsobí ve stejném směru(smyslu). A tak se občas stává, že na horní straně profilu(křídla) působí stejně velká tlaková síla jako na straně spodní, jenže s opačným znaménkem. Takže výsledek a tedy i vztlak je roven nule.

To je sice zvláštní, ale velmi důležitý stav, který vzniká na křídlech letounů vždy, když pro to jsou vytvořeny podmínky. Velmi důležitým předpokladem pro tento jev je poloha nosné plochy vůči směru letu.

Každá z prve uvedených tlakových  sil však působí na horní a spodní straně profilu(křídla nekonečného rozpětí) v jiných vzdálenostech od náběžné hrany a tak vzniká známý případ dvojice sil, jehož výsledkem je klopivý moment. 

Ten se snaží nosné plochy opatřené  profily s jednoduchými prohnutími překlápět proti směru hodinových ručiček. Samotné křídlo s takovýmto profilem se pak překlápí prudce „na hlavu“, až skončí v letu „na zádech“. Kdo nevěří ať to zkusí, je to velmi poučné.

U profilů souměrných působí obě síly, horní i spodní, přibližně ve stejném místě hloubky profilu a klopivý moment u nich proto nevzniká nebo je opravdu velmi malý.

U profilů s dvojitým prohnutím střední křivky, ve tvaru „S“, jsou to tak zvané profily „autostabilní“, vzniká obvykle menší klopivý moment, ale ten překlápí zase profil opačným směrem. Tak zvaně „těžký na ocas“, to jest přídí letounu vzhůru.

V následujícím obrázku je zjednodušené schéma působících aerodynamických sil  a klopivého momentu na profilu.

Takže jakési dílčí shrnutí může nyní být následující:  jsou to  tlakové a třecí síly, které určují nejen velikost obou aerodynamických sil(vztlaku a odporu) a klopivého momentu, ale ovlivňují i jejich velikosti a tím i výkony letadel(včetně jejich modelů), jež se mohou během letů   významně měnit.

A co má na velikost těchto dvou aerodynamických sil a s nimi souvisejícího klopivého momentu vliv zásadní uvádím nyní podrobněji:

1. Je to především rychlost letu a z ní pak odvozená její druhá mocnina.

2. Pak je to velikost ploch, především ploch nosné(křídla),jež jsou ve styku se vzduchem obtékajícím létající stroj, jejich tvary, drsnosti povrchů, všeliké nechtěné štěrbiny, výstupky a prohlubně apod.

3. Velmi důležitá je poloha jakou zaujímá pohybující se letoun vůči směru letu. Mám tím na mysli nejméně dva úhly sevřené mezi směrem letu a jeho nosnou plochou(ale nejenom s ní). Je to úhel náběhu pod nímž přichází do styku nosná a ocasní plochy letounu  s nabíhajícím proudem vzduchu. Pak je to úhel vybočení, který je sevřený mezi směrem letu a podélnou osou letounu, takže všechny jeho plochy jsou obtékány přicházejícím povětřím nesouměrně.

4. A nakonec to je působení fyzikálních vlastností ovzduší Země. Z nich pak především jeho hustota(měrná tíha) a viskozita. Obě se mění  v závislosti na atmosférické teplotě a  tlaku, které panují v určitých výškách nad Zemí. Nemalý vliv na provoz jakýchkoliv létajících strojů, ať malých či velkých, mají i teploty blízko zemského povrchu, které se mění především v závislosti na ročních obdobích. Teploty vzduchu nad 30ºC mohou způsobit značné potíže nejen modelům letadel, ale i jejich velkým vzorům.

Vliv atmosférických srážek: deště, sněhu, jinovatky, námrazy apod. ponecháme nyní stranou, i když působí na létání vesměs negativně.

Právě teď mě napadlo, že by to již o vztlaku, odporu a momentu mohlo stačit.

Abychom však nezůstali příliš dlužni nic ani tíhám letounů a jejich modelů, připomenu stručně, že je zásadní stavět a provozovat je co nejlehčí, pokud k tomu není zvláštní důvod.

Pro posouzení letových výkonů a vlastností strojů má totiž nemalý význam hodnota zatížení nosné plochy.

Je to podíl celkové tíhy letounu a jeho nosné plochy. Čím je tato hodnota větší, tím je například minimální bezpečná rychlost letů vyšší, což je málokdy žádoucí. Zároveň se zvyšují i nároky na výkony pohonných jednotek.

Kluzáky však mnohdy záměrně zvyšují zatížení svých nosných ploch přidáváním dodatečné zátěže, aby získaly příznivé výkony i při vyšších rychlostech letu. Je to samozřejmě na úkor ztráty výšky, protože ta je u nich, společně s případně příznivě působícími vzestupnými proudy vzduchu, jediným zdrojem energie pro let.

Často je proto nutné použít úprav nosných ploch, využít všeliké druhy vztlakových klapek v jejich zadních či předních částech, umožňujících zvětšování jejich ploch a zakřivení jejich profilů. A to za letu, nejčastěji při startech a přistáních.

Tak a to by mohlo být, společně s doprovodnými obrázky, dostatečně instruktivní pro značnou část leteckých nadšenců, aniž bychom použili jakékoliv matematické formule a složitější objasňování fyzikálních příčin a následků, bez nichž se profesionální výklad  neobejde. Snad se to trochu povedlo, přestože již to bylo mnohokrát jinde a jindy popsáno.

25. 8. 2013 © Jaroslav Lněnička