© Getty Images

Unelma muotoutuu -

Ihmiset ovat unelmoineet lentämisestä lintujen tavoin niin kauan kuin historiaa on kirjattu. Jopa Ikaros-myytti kertoo ihmiskunnan varhaisesta halusta nousta taivaalle. Todellinen moottorilento jäi kuitenkin saavuttamatta aina 1800-luvulle asti, jolloin edistysaskeleet loivat pohjan ilmailulle.

© Getty Images

Wrightin veljekset -

Wilbur ja Orville Wright tekivät historiaa 17. joulukuuta 1903 ensimmäisellä hallitulla moottoroidulla lennollaan Kitty Hawkissa Pohjois-Carolinassa. Heidän lentokoneessaan, Wright Flyerissä, käytettiin kevyttä moottoria ja kolmiakselista ohjausjärjestelmää, joka loi perustan nykyaikaiselle ilmailutekniikalle.

© Getty Images

Einsteinin kokeilu ilmailun parissa -

Albert Einstein oli mullistanut fysiikan avaruus- ja aikateorioillaan vuoteen 1917 mennessä. Samana vuonna hän yritti suunnitella lentokoneen siiven, mutta ei kuitenkaan onnistunut siinä. Hänen virheellinen lähestymistapansa johtui puutteellisesta ymmärryksestä lentämisestä, mikä on yhä nykyäänkin harhakäsitysten lähde.

© Getty Images

Loputon mysteeri -

Lentokoneiden tapa tuottaa nostetta ymmärretään usein väärin. Monia virheellisiä selityksiä on edelleen liikkeellä laajoista tutkimuksista huolimatta. Einsteinin virheet antavat käsityksen siitä miten monimutkaista lentämisen tiede on. Hänen virheelliset laskelmansa korostavat miten jopa suuret mielet voivat kamppailla aerodynamiikan kanssa.

© Getty Images

Näkymätön valtameri -

Vaikka emme yleensä ajattele ilmaa nesteenä, ilma käyttäytyy veden tavoin. Siinä on virtauksia, paine-eroja ja kelluvuutta. Lentokoneiden on tuotettava ylöspäin suuntautuva voima, jota kutsutaan ”nosteeksi”, pysyäkseen ilmassa - samaan tapaan kuin veneet kelluvat vedessä kelluvuuden avulla.

© Shutterstock

Siipien rooli -

Lentokoneen siivet tuottavat suurimman osan nosteesta, joka pitää sen ilmassa. Ilman ja siiven pinnan välinen vuorovaikutus luo tarvittavat voimat. Mutta siitä miten tämä noste tarkalleen ottaen syntyy, käydään edelleen keskustelua.

© Shutterstock

Yhtäläisen siirtymäajan teoria -

Erään laajalti levinneen, mutta virheellisen selityksen mukaan siiven kaarevan yläpinnan yli kulkevien ilmamolekyylien on saavutettava siiven takaosa samaan aikaan kuin alapuolella kulkevien molekyylien. Tässä teoriassa oletetaan virheellisesti, että ilman on liikuttava nopeammin yläpuolella, jotta se kohtaisi samaan aikaan, mikä vetää lentokonetta ylöspäin.

© Shutterstock

Ilman liikkumisen todellisuus -

Todellisuudessa siiven yläreunan yli liikkuva ilma saavuttaa takareunan paljon nopeammin kuin siiven alapuolella oleva ilma. Yhtäläinen kulkuaika ei ota huomioon sitä, että siiven yläpuolella oleva ilma kiihtyy paineen ja kaarevuuden muutosten vuoksi.

© Shutterstock

Todellinen aerodynaaminen ymmärrys -

Ymmärtääksemme nostetta meidän on tarkkailtava miten ilma on vuorovaikutuksessa liikkuvan siiven kanssa. Siiven edetessä se vaikuttaa ympäröivään ilmaan, aiheuttaen nopeuden ja paineen vaihtelua.

© Shutterstock

Ilman pakotettu kiertotie -

Kun ilma kohtaa siiven etureunan, se jakautuu eri reiteille. Ylempi virtaus seuraa siiven ääriviivoja ja kiihtyy liikkuessaan kaarevan pinnan ympäri. Tämä kiihtyvyys johtaa paineen alenemiseen, mikä on ratkaisevan tärkeää nosteen synnyttämiseksi.

© Shutterstock

Keskipakovoiman kiihtyvyys -

Siiven yli liikkuva ilma kokee keskipakokiihtyvyyden, joka on samanlainen kuin auton kääntyminen jyrkästi kaarevalla tiellä. Tämä kiihtyvyys lisää ilman nopeutta ja vähentää siiven yläpintaan kohdistuvaa painetta. Tämä puolestaan lisää nostetta ja vetää vielä enemmän ilmaa virtaviivaisen virtauksen sisään.

© Shutterstock

Paineen dynamiikka -

Samalla kun yläpuolinen ilma kiihtyy ja paine laskee, siiven alapuolella oleva ilma muuttuu paljon vähemmän. Paine siiven alapuolella pysyy korkeampana kuin yläpuolella. Tämä paine-ero luo nosteen.

© Shutterstock

Nopeus -

Mitä nopeammin lentokone liikkuu ilmassa, sitä suurempi on paine-ero siiven yli. Tämä lisäys voimistaa nostovoimaa, jolloin lentokone voi lopulta voittaa painovoiman ja nousta ilmaan.

© Shutterstock

Liian suuri kaarevuus -

Vaikka siiven kaarevuus voi auttaa luomaan nostetta, liiallinen siiven kaarevuus voi kostautua. Jos siipi on liian kaareva tai liian jyrkkä, ilmavirta voi irrota sen pinnasta, mikä johtaa turbulenssiin. Tämä ilmiö häiritsee nostetta ja voi aiheuttaa vaarallista aerodynaamista epävakautta.

© Shutterstock

Keskiaikainen fysiikka -

Mielenkiintoista on, että suuri osa siitä mitä tiedämme aerodynamiikasta, on peräisin englantilaiselta matemaatikolta ja fyysikolta Sir Isaac Newtonilta, joka loi klassisen mekaniikan lait 1600-luvulla.

© Getty Images

Liikkeen perusta -

Newtonin vuonna 1687 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica -teoksessaan julkaisemat liikkeen lait mullistivat käsityksemme liikkeestä. Nämä lait kuvaavat miten kappaleet ovat vuorovaikutuksessa voimien kanssa, ja ne ovat fysiikan ja aerodynamiikan perustekijöitä vielä nykyäänkin.

© Getty Images

Newtonin ensimmäinen laki -

Levossa oleva kappale pysyy levossa, ja liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa. Tämä tarkoittaa sitä, että jos mikään voima ei vaikuta, kappale liikkuu loputtomiin tai pysyy täysin liikkumattomana.

© Shutterstock

Inertia -

Jos lentokone yhtäkkiä pysähtyisi, matkustajat kaatuisivat eteenpäin, koska heidän kehonsa vastustavat liikkeen muutosta. Vastaavasti pöydällä oleva kirja ei liiku, ellei sitä työnnetä. Tämä osoittaa miten kappaleet vastustavat liiketilan muutoksia.

© Shutterstock

Newtonin toinen laki -

Newtonin toinen laki sanoo, että kappaleeseen kohdistuva voima riippuu sekä sen massasta ja kiihtyvyydestä. Painavampien esineiden liikuttamiseen tarvitaan suurempi voima, kun taas kevyempien esineiden liikuttamiseen tarvitaan pienempi voima saman kiihtyvyyden saavuttamiseksi.

© Shutterstock

Raskaammat esineet -

Tyhjän ostoskärryn työntäminen on helpompaa kuin täyden kärryn työntäminen, koska suurempi massa vaatii enemmän voimaa. Samoin lentokoneet tarvitsevat valtavia määriä työntövoimaa, jotta niiden paino saadaan ilmaan, mikä havainnollistaa täydellisesti Newtonin toista lakia.

© Shutterstock

Newtonin kolmas laki -

Jokaiseen toimintaan liittyy yhtä suuri ja vastakkainen reaktio. Tämä tarkoittaa sitä, että kun yksi esine kohdistaa voiman toiseen esineeseen, toinen esine työntyy takaisin yhtä suurella voimalla vastakkaiseen suuntaan.

© Shutterstock

Toiminta-reaktio -parit -

Kun hyppäät veneestä laiturille, vene liikkuu taaksepäin. Tämä johtuu siitä, että kun työnnät veneen pois (toiminta), vene työntyy takaisin samalla voimalla (reaktio), jolloin se ajautuu vastakkaiseen suuntaan.

© Shutterstock

Aerodynamiikka -

Lentokoneet lentävät työntämällä ilmaa alaspäin siipiensä avulla (toiminta), jolloin ilma työntää siipiä ylöspäin (reaktio), mikä synnyttää nostetta. Vastaavasti suihkumoottori työntää kaasua taaksepäin, mikä puolestaan kuljettaa lentokonetta eteenpäin.

© Shutterstock

Nykyaikaisen tekniikan muotoutuminen -

Newtonin lait ovat aerodynamiikan kannalta perustavanlaatuisia. Ensimmäinen laki selittää miksi lentokone jatkaa eteenpäin lentoonlähdön jälkeen. Toinen laki auttaa insinöörejä laskemaan voiman, joka tarvitaan nosteen tuottamiseen ja painovoiman voittamiseen. Kolmas laki on avainasemassa työntövoiman ja nosteen ymmärtämisessä.

© Shutterstock

Kun fysiikka taistelee vastaan -

Lentokoneet tukeutuvat täysin Newtonin lakeihin pysyäkseen ilmassa, liikkuakseen ja laskeutuakseen turvallisesti. Kun nämä perusperiaatteet häiriintyvät (joko mekaanisen vian tai huonon aerodynamiikan vuoksi), tulokset voivat olla katastrofaalisia. Näiden vikojen syntymisen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää lentoturvallisuuden kannalta.

© Shutterstock

Inertia jätetään huomiotta -

Newtonin ensimmäisen lain mukaan liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa. Jos lentokoneen jarrujärjestelmä pettää laskeutuessa tai jos lentäjät eivät pysty käyttämään riittävästi vastavoimaa käännöksen aikana, lentokone voi ylittää kiitotien tai jopa menettää hallinnan ilmassa.

© Shutterstock

Työntövoiman ja noston epäonnistuminen -

Newtonin toisen lain mukaan voima on yhtä suuri kuin massa kertaa kiihtyvyys. Jos lentokone ei tuota riittävästi voimaa (riittämättömän työntövoiman tai moottorihäiriön vuoksi), se ei kiihdy tai pysy korkeudessa, jolloin se ei pysty ylläpitämään hallittua lentoa.

© Shutterstock

Kuollettavat seuraamukset -

Newtonin kolmannen lain mukaan jokaisella toiminnalla on yhtä suuri ja vastakkainen reaktio. Jos kone ylittää rakenteelliset rajansa, tämä laki ilmenee tuhoisalla tavalla. Liian suuri nopeus tai turbulenssi voi aiheuttaa voimia, jotka ylittävät lentokoneen rakenteen ja johtavat katastrofaaliseen vikaan.

© Shutterstock

Seuraava raja-alue -

Jokainen lentokoneonnettomuus tai toimintahäiriö opettaa insinööreille ja lentäjille, miten lentoturvallisuutta voidaan parantaa. Tekniikan kehittyessä ymmärryksemme aerodynamiikasta kehittyy jatkuvasti. Lentokoneiden tulevaisuus muuttuu jatkuvasti, ja ehkä tulevaisuudessa ihmiset koskettaa taivaita eri tavoin.

Lähteet: (NASA) (TED-Ed) (HowStuffWorks) (Scientific American)

© Shutterstock