Idei geniale care au schimbat omenirea – Profilul aerodinamic

0
21

Poate că nu există nici o idee mai simplă sau mai elegantă decât profilul aerodinamic. Şi ce idee este!

O simplă curbă uşoară, o curbă ce formează o aripă – şi pe aceste aripi putem zbura prin cer mult deasupra pământului, putem plana deasupra munţilor înalţi, putem traversa marile oceane ale lumii în doar câteva ore.

Chiar şi pentru cei obișnuiți cu zborul, momentul în care avionul în acceleraţie atinge viteza de decolare este unul copleşitor. Cum poate un obiect atât de greu încât ar fi nevoie de o macara ca să fie ridicat să devină brusc uşor ca un fulg, să sfideze atât de mult gravitaţia, încât să îşi poată susţine nu doar propria greutate, ci şi pe a dumneavoastră şi a pasagerilor de la bord, deplasându-se rapid prin aer?

Pare ceva magic. Magia, desigur, constă în interacţiunea fizică dintre aripi şi aer. Dacă forma aripii – profilul aerodinamic – este dreaptă şi avionul se deplasează suficient de rapid, aripa este împinsă prin aer şi îl taie. Acest lucru pare magic, deoarece creierul nostru mult prea prozaic ne spune că aerul este invizibil, prin urmare, lipsit de substanţă. Dar aerul nu este deloc așa; aerul este o substanţă, un întreg plin de gaz.

Gândiţi-vă la o aripă ce pătrunde prin apă, nu prin aer şi vă veți putea imagina modul în care aerul poate oferi o împingere în sus pe care oamenii de ştiinţă din aeronautică o numesc „decolare“. Cheia ridicării profilului aerodinamic este fluxul de aer din jurul acestuia. Desigur, aerul calm nici nu se mişcă, nici nu pluteşte; aerul curge în jurul profilului aerodinamic, deoarece acesta se mişcă, la fel cum prova unei bărci creează un curs pe apa stătătoare.

Ceea ce contează este modalitatea prin care forma curbată a profilului aerodinamic deviază fluxul din jurul acestuia. Pentru a vedea într-adevăr de ce, puteţi să vă jucaţi cu o lingură şi cu un cuţit sub jetul de apă de la robinet. Ţineţi un cuţit drept sub jet şi apa va curge direct şi netulburată peste lamă.

Întoarceţi uşor lama la un unghi către jet şi veți vedea cum începe să blocheze şi să scindeze jetul, formând vârtejuri turbulente – veți observa că această turbulenţă creşte pe măsură ce măriţi unghiul cuţitului. Ţineţi o lingură în schimb sub jet, şi se va întâmpla cu totul altceva. Spre deosebire de cuţitul drept, lingura abate apa, dar nu o tulbură. Trebuie să răsuciţi lingura la un unghi mult mai ascuțit pentru ca aceasta să tulbure jetul.

Asemenea curbei lingurii, curba profilului aerodinamic asigură că fluxul de aer din jurul acestuia este abătut, dar nu tulburat.

Esenţial este modul în care este proiectat fluxul să se curbeze la fel ca profilul aerodinamic. Mult peste sau dedesubtul profilului aerodinamic, fluxul de aer este netulburat, însă, cu cât este mai aproape de profilul aerodinamic, cu atât fluxul este mai curbat pentru a urma forma profilului. Pe măsură ce fluxul îşi modifică direcţia, acesta începe să împingă în alt sens şi, cu cât se curbează mai mult, cu atât este mai mare schimbarea.

Imediat deasupra şi dedesubtul profilului aerodinamic, presiunea acestuia se întoarce practic la unghiuri drepte, împingând profilul în sus şi creând o ridicare. Deoarece modalitatea prin care este deviat fluxul de aer este ceea ce creează ridicarea, este clar că modelul de deviere a fluxului de aer este important.

Acest lucru depinde de unghiul la care se mişcă prin aer profilul aerodinamic – „unghiul său de atac“. Cu cât este mai ascuțit unghiul de atac, cu atât mai mare este ridicarea, până în „punctul mort“ în care unghiul este atât de adânc, încât fluxul de aer este întrerupt în totalitate şi ridicarea nu mai are loc.

Forma profilului aerodinamic este, de asemenea, crucială. O curbă uşoară, lină, oferă cea mai bună ridicare, iar aceasta este forma aripilor păsărilor şi forma pe care o au aripile flexibile ale deltaplanelor şi avioanelor mici. Însă este greu să construieşti o aripă mare suficient de puternică, având această formă.

Aşadar, aripile celor mai multe aeronave mari au forma unei lacrimi înguste din profil. Aceasta nu oferă o ridicare prea mare, de aceea aripile trebuie să fie uriaşe, extrem de puternice; iar spaţiul gol dinăuntrul aripii oferă un loc de depozitare a combustibilului. Flapsurile de la capătul aripilor se balansează în sus sau în jos pentru a schimba curbura profilului aerodinamic şi unghiul său efectiv de atac, prin urmare îi permit pilotului să varieze mişcările de ridicare şi de coborâre. Desigur, aripile păsărilor au constituit sursa de inspiraţie pentru profilul aerodinamic.

Nenumăraţi gânditori din trecutul îndepărtat trebuie să fi rămas uimiți privind cum planează păsările pe cer şi au ghicit că acestea erau susţinute în aer de aripile lor întinse. Şi, poate, unii au ghicit chiar şi faptul că forma aripilor este esenţială, cum a fost filosoful grec din secolul al V-lea Architas, despre care se spune că a construit o pasăre mecanică în stare să zboare. Pionieri curajoşi precum Abbas ibn-Firnas, care a trăit în Cordoba în secolul al IX-lea, au fost suficient de îndrăzneţi (sau nebuni) încât să îşi ataşeze aripi artificiale la braţe şi să sară din locuri înalte.

Ibn-Firnas a reuşit (sau a fost suficient de norocos) să planeze prin aer zece minute înainte să se prăbuşească şi să fie pe punctul de a-şi rupe gâtul.

Totuşi, prima persoană care a început să exploreze cu adevărat metodic forma aripilor a fost inginerul britanic Sir George Cayley (1773–1857), iar acestuia îi datorăm ideea profilului curbat.

Născut la Yorkshire, Cayley a fost un om extraordinar şi inventiv, fiindu-i atribuite inventarea bărcii de salvare autoredresoare, a roții cu spiţe, a centurii de siguranţă şi chiar a unui motor cu combustie internă.

Însă a rămas cunoscut mai ales ca „părintele aviaţiei“, deoarece a fost un pionier al celor mai multe teorii despre zbor. Cayley a desfăşurat numeroase experimente cu aripi pe braţe rotitoare pentru a descoperi forţele care acţionau asupra acestora şi a vedea ce forme şi unghiuri produc cea mai mare ridicare.

În analizele sale, el a denumit cele patru forţe esenţiale implicate în zbor: greutatea, portanța, rezistența la înaintare și tracțiunea – utilizate și astăzi de oamenii de ştiinţă. Zborul însuşi implică un echilibru între aceste forţe.

Cayley nu a fost însă doar teoretician. La începutul anilor 1800, construia planoare-model pentru a-şi testa ideile. Apoi, în 1849, a construit un biplan în miniatură în care se spune că ar fi zburat un băiat de zece ani pe o distanţă scurtă, utilizând „aripioare“ pentru a se propulsa.

Totuşi, cel mai faimos moment a fost cel din 1853, când Cayley, care pe atunci avea 80 de ani, a construit un planor la dimensiune reală, în care se spune că a fost lansat vizitiul sau majordomul său înfricoşat, peste Brompton Dale, lângă Scarborough, pe moşia lui Cayley.

Majordomul a supravieţuit şi, astfel, a fost cel care a făcut primul zbor din lume cu aeroplanul. Cayley stăpânea deja foarte bine portanța, însă pentru ca un aeroplan să fie reuşit, e nevoie atât de forţă, cât şi de control; acesta este motivul pentru care a mai fost necesar să treacă încă jumătate de secol înainte ca fraţii Wright să facă primul lor zbor istoric la Kittyhawk, la 17 decembrie 1903.

Evoluția călătoriilor aeriene, începând cu acea zi de pionierat, a fost uimitoare. Potrivit organizaţiei de turism IATA, numai în anul 2009 au zburat 2,3 miliarde de oameni în 35 de milioane de zboruri.

Este o modalitate remarcabil de sigură de a călători. Din aceste 35 de milioane de zboruri, doar 19 s-au sfârșit cu accidente şi mai puţin de 700 dintre aceşti 2,3 miliarde de pasageri au fost ucişi în accidente aeriene – cu alte cuvinte, o rată de 1 la 30 de milioane. Zborul a transformat modul în care vedem lumea.

Aceasta pare un loc mai mic, mai conectat şi mulţi dintre noi vizitează frecvent acum, în vacanţe scurte şi în călătorii de afaceri, locuri în care, înainte de călătoriile cu avionul, am fi putut merge probabil doar o dată în viaţă.

De exemplu, milioane de britanici se urcă în avioane pentru a petrece sfârşitul de săptămână în oraşe europene sau călătoresc în jurul lumii pentru o scurtă vacanţă în Thailanda.

Nenumărați oameni obişnuiţi află despre multe locuri şi culturi străine nu doar pentru că le-au căutat pe internet sau le-au văzut într-un documentar TV, ci pentru că au reuşit să ajungă acolo cu avionul.

Călătoriile aeriene nu sunt esenţiale. Într-adevăr, sunt numeroşi critici care susţin că sunt un lux extravagant, iar polemica despre încălzirea globală şi-a concentrat atenţia asupra numărului de zboruri pe care ar trebui să le facem. Din cauza costului mare cu energia pe care îl presupune ridicarea unui avion în aer, aceste călătorii contribuie foarte mult la gazele cu efect de seră care produc încălzirea globală.

Avioanele sunt, de asemenea, foarte zgomotoase, așa cum poate depune mărturie oricine trăieşte lângă un aeroport. Totuşi, indiferent de nivelul de zbor care se dovedeşte până la urmă acceptabil, nu există nici un dubiu că simpla formă a profilului aerodinamic a introdus un lucru remarcabil în vieţile noastre.

Ne-a oferit ocazia de a beneficia de o experienţă magică. Platon scria cu mult timp înaintea inventării profilului aerodinamic: „Funcţia naturală a aripii este să se îndrepte în sus şi să poarte o greutate până în punctul în care se apropie de zei. Mai mult decât orice alt lucru care aparţine corpului, ea aminteşte de natura divinului.“

Pentru aviatorul pionier Charles Lindbergh, calitatea divină a fost poate prea mult: „Uneori, zborul pare prea divin pentru a fi realizat de om. Uneori, lumea pare de sus prea frumoasă, prea minunată, prea distantă pentru a fi văzută de ochii umani.“ (Spirit of St Louis, 1953)

50 de idei geniale care au schimbat omenirea – John Farndon. Traducere Grall Soft. Editura Litera, 2012