Senki sem érti, hogy miért maradnak a repülők a levegőben

Hiába képes már 117 éve az ember a levegőnél nehezebb repülőgépekkel is a magasba emelkedni, az ebben kulcsszerepet játszó felhajtóerőt még mindig nem vagyunk képesek egzakt módon, matematikai eszközökkel leírni. Két rivális elmélet is próbálja magyarázni az aerodinamikai felhajtóerőt, de egyiknek sem igazán sikerül, és a tudományterület kutatói között sincs róla egyetértés. Ez nem kis frusztrációt okoz némely aerodinamikával foglalkozó mérnököknek, de még inkább a fizikusoknak.

Természetesen mindezt nem úgy kell érteni, hogy a megtervezett, majd megépített repülőkről nem jogosan gondolják azt, hogy repülni fognak. A felhajtóerő “értésének” mérnöki és matematikai szintje ugyanis az elmúlt száz évben meglehetősen elvált egymástól. Míg a mérnöki megoldások (amelyeket fizikailag is létező prototípusokon tesztelnek) működnek,

A felhajtóerőt magyarázó elméletek közül a legnépszerűbb Daniel Bernoulli 18. századi svájci matematikus nevéhez fűződik. Bernoulli (akinek felmenői között a legnagyobb matematikusokat találjuk, többen is közreműködtek az analízis kidolgozásában, egyikük alkotta meg az integrál kifejezést), nagyon leegyszerűsítve azt fedezte fel, hogy ha az áramlási sebesség nő, akkor a nyomás csökken.

A repülőgépek szárnykeresztmetszetén látjuk, hogy a szárny felső felülete lekerekített, ezért annak mentén gyorsabban áramlik a levegő, mint az alsó, lapos felület alatt. Emiatt a felső gyorsabb levegő nyomása lecsökken, és a szárny (jó esetben a repülővel együtt) a kisebb nyomás felé mozdul el, vagyis emelkedik.

Az tény, hogy a legömbölyített felület mentén gyorsabban áramlik a levegő, de ennek okát nem igazán értjük. Úgy tűnik, hogy a szárny fölött és alatt áramló levegőnek egyszerre kell elérnie a szárny hátsó éléig, és az ívelt felületen haladó légtömeg ezért ugyanannyi idő alatt hosszabb utat tesz meg. De miért kell a kettéválasztott légtömegnek újra ugyanazokkal a gázrészecskékkel egyesülnie, amelyekkel korábban együtt volt? Passz.

Ahogy azt sem értjük, hogy a gyorsabb mozgás miért eredményez kisebb nyomást. Mindkettő igaz, csak nem világos, hogy mi az összefüggés. Aztán ott van a fejjel lefelé repülő repülők problémája. Vannak repülőgépek, amelyek képesek fejjel lefelé is repülni, miközben a szárnyukat nem fordítják meg. Vagyis ilyenkor a legömbölyített felület lesz lefelé, aminek – ha a Bernoulli-törvény teljesen megmagyarázná a felhajtóerőt – lefelé kellene húznia a gépet.

A felhajtóerőben Newton 3. törvénye is közrejátszik, mert ahogy a ferdén álló szárnyak lefelé tolják a levegőt, az azonos mértékű, felfelé irányuló tolóerőt fejt ki a szárnyakra, és a gép megint csak felfelé emelkedik. Természetesen sem Bernoulli, sem Newton nem azt akarta megmagyarázni elméleteikkel, hogy a repülő miért marad a magasban, mert mindketten évszázadokkal a Wright fivérek repülése előtt éltek. Ők mindössze egy fizikai jelenséget vizsgáltak, amely

A modern elméleti kutatás a felhajtóerő természetéről a repülés korának kezdete után indult. 1916-ban maga Einstein is foglalkozott rövid ideig a kérdéssel, és keserűen vallotta be a Die Naturwissenschaften folyóiratban közölt tanulmányában, hogy “E kérdést sűrű homály veszi körül... bevallom, hogy még a szakirodalomban sem találtam rá egyszerű választ”.

Einstein egyébként a Bernouilli-elmélet mellett tette le a voksát, és még ennek megfelelő szárnyprofilt is tervezett, amelyet macskahátszárnynak (Katzenbuckelflache) is neveznek, mert az íve egy macska hátára hasonlít. El is vitte a terveket egy német repülőgépgyárba, akik meg is építették, de a tesztpilóta véleménye szerint a repülő úgy viselkedett tőle,

mint egy terhes kacsa.

Einsteing később ifjúkori ostobaságnak nevezte az aerodinamikába tett kiruccanását. A számítási kapacitás exponenciális növekedésével mára azonban eljutottunk oda, hogy szimulációinkban már viszonylag realisztikusan tudjuk modellezni a valós levegő viselkedését, és nem kell olyan durva egyszerűsítéseket tennünk, mint amelyekkel a korábbi korok kutatói szenvedtek. Így a modern modellek már képesek számolni a levegő tényleges viszkozitásával és egy sor más fizikai jellemzőivel, így talán egyre közelebb kerülünk ahhoz, hogy tényleg magyarázatot adjunk a felhajtóerő létezésére.

A modern repülőket már e komputációs folyadékdinamikai (CFD) elméletek alapján tervezik, amelyek sokkal valósághűbb és részletesebb előrejelzéseket adnak a levegő mozgásáról, nyomáskülönbségeiről, viszkozitásáról és így tovább. Azt azonban továbbra sem állíthatjuk, hogy egzakt magyarázatot adnának a felhajtóerőre. Ugyanakkor a sejtéseink egyre jobbnak tűnnek, és ezek a sejtések konzisztensek a Bernoulli-törvénnyel.

A szárny körül kialakuló, rendkívül komplex áramlási viszonyok révén valóban mindig alatta lesz a nagy nyomású zóna, és felette a kis nyomású terület. Ez nem (vagy legalábbis nem teljesen) függ a szárny alakjától, tehát ha a gép fejjel lefelé száll, akkor is alatta marad a nagyobb nyomás.

(Borítókép:  A NASA mérnökei az 1903-as Wright Flyer százéves másolatát tesztelik a Kaliforniai Ames Kutatóközpontban / Fotó: Smith Collection/Gado / Getty Images)