Suntem la mai bine de 100 de ani de când zburăm cu avionul, dar o explicație exhaustivă a modului în care un avion se ridică și stă în aer încă nu există. Două teorii oferă o bună parte din răspuns, dar niciuna o explicație completă: 1) teorema lui Bernoulli; 2) principiul al III-lea al mecanicii (al acţiunii și reacţiunii). Inclusiv Einstein și-a „încercat norocul” în a explica zborul avioanelor, fără prea mare succes. Contribuții recente încearcă să acopere golurile din cele două teorii, dar dacă acestea lămuresc pe deplin problema este încă subiect de dezbatere.
*** Portanța se referă la suma tuturor forțelor generate de mișcarea unui fluid în jurul unui corp, mișcare proiectată într-un plan perpendicular pe direcția principală de curgere a fluidului în care se află corpul. În aeronautică aerul este asimilat unui fluid, de aceea în acest articol menționăm în câteva rânduri termenul.
Zborul explicat de teorema lui Bernoulli
Legea lui Bernoulli spune că presiunea unui fluid descrește pe măsură ce viteza acestuia crește și viceversa. Această idee a fost prinsă în tratatul său din 1738, Hidrodinamica, deci cu mult timp înainte ca omul să inventeze aparate care zboară.
Teorema lui Bernoulli explică zborul (portanța) în felul următor:
* aripa avionului are o formă aerodinamică (o curbură; vezi imaginea de mai sus) ce favorizează zborul
* ca urmare a acestei forme specifice a aripii, aerul de deasupra aripii se deplasează cu o viteză mai mare decât aerul de sub aripă
* ca urmare a acestei diferențe de viteză, după cum spune teorema, deasupra aripii există o presiune mai mică decât sub aripă
* această diferență de presiune face ca aripa să se deplaseze spre zona cu presiune mai mică, de deasupra, ridicându-se astfel de pe sol și manevrând prin aer.
Totul pare ok, nu? Mai mult, experimentele de laborator arată că așa stau lucrurile în realitate: aerul de deasupra se deplasează mai repede decât cel de sub aripă, existând o diferență de presiune între „deasupra” și „sub” aripă.
Pentru cei mai puțin familiarizați cu conceptele fizicii, această diferență de presiune poate fi imaginată astfel: dacă într-o parte a aripii presiunea este mai mică, sunt mai puține particule de aer care apasă pe aripă, pe când pe partea unde presiunea este mai mare, sunt mai multe particule care apasă pe aripă. Se apasă, așadar, cu forțe diferite.
Ce nu explică principiul lui Bernoulli?
Iată o serie de considerente pentru care Bernoulli nu explică exhaustiv zborul:
* teorema nu ne spune cum apare viteza mai mare a aerului de deasupra aripii
* presupunerea că porțiunea de aer (particulele care formează aerul) care se sparge în două la lovirea botului avionului trebuie să ajungă în același timp, pe deasupra și pe sub aripă, la coada avionului, nu este corectă: în fapt, aerul de deasupra ajunge mai repede decât cel de sub (vezi imaginea de mai sus).
* nu explică cum și de ce viteza mai mare a aerului de deasupra aripii se traduce într-o presiune mai mică. În fapt, pare mai logic să te aștepți la o presiune mai mare, pentru că forma aripii redirecționează aerul de deasupra aripii pe o traiectorie unde se află deja aer (ceva asemănător cu trecerea mașinilor de pe două benzi pe o bandă).
* nu explică de ce avioanele zboară și invers (răsturnate) sau când aripa nu are acea formă curbată clasică (aripa e dreaptă). Dacă acea formă curbată a aripii e esențială, atunci avionul care zboară invers, cu susul-în-jos, ar trebui să nu fie capabil să manevreze în sus.
Mișcare unui fluid (aerul este tratat ca un fluid) în jurul unui profil aerodinamic
Zborul explicat de principiul al III-lea al mecanicii (Newton)
Principiul al III-lea al lui Newton spune că dacă un corp acţionează asupra altui corp cu o forţă (numită forţă de acţiune), cel de-al doilea corp acţionează şi el asupra primului cu o forță (numită forţă de reacţiune) de aceeaşi mărime şi de aceeaşi direcţie, dar de sens contrar.
Revenind la subiectul nostru, zborul, legea lui Newton se traduce astfel: aripa ține avionul în aer prin împingerea aerului către în jos (vezi imaginea de mai sus). Aerul are masă. În timp ce aripa avionului apasă pe masa de aer în jos pe timpul zborului, masa de aer împinge aripa în sus, cu o forță egală și de sens contrar.
Teoria newtoniană se aplică aripilor de orice formă, evitând problema întâlnită la aplicarea teoremei lui Bernoulli cu forma specifică aerodinamică pe care aceasta o ia în calcul. Nu contează dacă avionul este în poziția normală ori cu susul-în-jos.
Ce nu explică principiul lui Newton?
Și Newton (și el a trăit cu mult înainte de era aviației) eșuează în a explica presiunea mai mică de deasupra aripii avionului (care este prezentă indiferent de forma aripii: curbată ori dreaptă).
Încercarea lui Einstein
Problema portanței l-a atras și pe Einstein. Acesta a publicat o lucrare în 1916 intitulată: Teoria elementară a undelor de apă și a zborului. Einstein începe prin a admite dificultatea problemei: „Nu am întâlnit niciodată un răspuns simplu la ele (întrebările pv portanța. n.n.) nici măcar în literatura de specialitate”.
Einstein propune o explicație care ia în calcul un fluid ideal (fără frecare), propune o aripă cu o formă pronunțat curbată în partea de sus și explică faptul că presiunea de deasupra aripii este mai mică decât cea de sub (ideea lui Bernoulli, deși nu-l menționează).
Și-a dus proiectul de aripă la o companie aviatică germană din Berlin, LVG (Luftverkehrsgesellschaft), care i-a pus în practică propunerea. Pilotul de încercări s-a arătat dezamăgit: „avionul se comportă ca o rață însărcinată”.
Ulterior, în 1954, Einstein a catalogat această încercare de a explica zborul drept „o nebunie a tinereții”.
Spre o teorie definitivă a zborului: dinamica computerizată a fluidelor
Designerii de aripi de avion folosesc astăzi simulări computerizate pentru a identifica cele mai bune forme și ecuațiile Navier-Stokes, luând în calcul, printre altele, vâscozitatea reală a aerului. Dar aceste instrumente moderne, deși utile în proiectarea și fabricarea mijloacelor de zbor, nu ne oferă o explicație conceptuală a portanței.
Teoria lui Doug McLean
McLean, inginer o bună parte a vieții la Boeing, a publicat în anul 2012 o carte, „Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics”, unde, în secțiunea 7.3.3, încearcă să explice portanța într-un limbaj simplu, fără ecuații și limbaj tehnic excesiv (în care restul cărții excelează).
Iată explicația lui McLean:
* aerul din jurul aripii se comportă ca un material continuu care se deformează pentru a urma conturul aripii
* aripa afectează presiunea într-o zonă în jurul aripii denumită „câmp de presiune”
* se formează un „nor” difuz de presiune mică deasupra aripii și un „nor” difuz de presiune mare sub aripă
* când cei doi nori „ating” aripa se formează diferența de presiune care duce la portanță (la ridicarea în aer a avionului)
* aripa împinge aerul în jos, rezultând un curent de aer îndreptat către în jos
* aerul de deasupra aripii este accelerat în acord cu principiul lui Bernoulli
* așadar, sunt patru componente care explică portanța: (1) împingerea în jos a curentului de aer (de către aripă), (2) creșterea vitezei curentului de aer de deasupra aripii, (3) zona de presiune scăzută (de deasupra aripii) și (4) zona de presiune mai mare (de sub aripă). Aceste patru elemente se sprijină unele pe altele, într-o relație de tip cauză-și-efect.
Ce justifică această interacțiune între cele patru elemente? Principiul al II-lea al mișcării (Newton), care spune că forța care acționează asupra unui corp este egală cu produsul dintre masa corpului şi accelerația imprimată, iar vectorul forţă are aceeaşi orientare cu vectorul accelerație.
Aplicat la discuția noastră: atunci când o diferență de presiune impune o forță netă asupra unei zone de fluid, va genera o modificare a vitezei ori/și a direcției.
Ce nu explică convingător McLean?
Acesta nu oferă un răspuns mulțumitor la vechea problemă: ce face să existe o diferență de presiune între partea de sus și partea de jos a aripii? Acesta revine cu un articol în care spune că forma aripii explică diferența, dar lucrurile par că au rămas fără explicația așteptată...
Aerul de deasupra aripii urmează forma acesteia. De ce?
Și ce ar putea explica diferența de presiune între partea de sus și cea de jos a aripii?
În laborator s-a observat că aerul de deasupra aripii urmează îndeaproape forma acesteia. De ce nu se mișcă aerul de deasupra aripii într-o traiectorie dreaptă?
Mark Drela, profesor de dinamica fluidelor la MIT a încercat o explicație pentru acest fenomen:
* dacă aerul de deasupra s-ar mișca în linie dreaptă, asta înseamnă că s-ar forma între această masă de aer și aripă o zonă de presiune foarte scăzută (un fel de vid)
* acest vid ar duce la atragerea aerului din jur către aripa avionului
* acest vid are rolul de a atrage permanent masa de aer de deasupra, ducând la traiectoria curentului de aer care urmează forma aripii
* această atragere a masei de aer de deasupra duce la rarefierea aerului (presiunea scăzută)
* această rarefiere face ca masa de aer ce vine dinspre botul avionului să se deplaseze mai repede către coada avionului (traversând o zonă cu o densitate mai scăzută). Viteza mai mare a aerului de deasupra aripii este, așadar, un efect secundar al presiunii scăzute generate de atracția aerului către aripă (ca urmare a vidului care are tendința a se forma în apropierea aripii).
Dar e și aici o problemă: uneori curentul de aer se separă de suprafața aripii, ceea ce intră în conflict cu expunerea lui Drela.
Așadar, nu există nicio explicație simplă la această problemă, vorba lui Einstein... Deși ingineria avitatică este destul de avansată, după cum ați putut vedea, o explicație conceptuală definitivă și completă se lasă însă așteptată. Dar chiar și așa, sperăm că ați învățat mai multe despre cum e posibil zborul decât în toate celelalte articole pe care le-ați citit pe acest subiect până acum :)
Sursa: The enigma of aerodynamic lift, Scientific American, februarie 2020
