איך מטוס ששוקל מאות טונות מצליח לעוף?

מטוס נוסעים גדול יכול לשקול יותר מ־300 טונות. זה בערך כמו 50 פילים אפריקאיים, מאות נוסעים, מזוודות, אלפי ליטרים של דלק והמון מתכת, והכול מתחבר למכונה אחת.
ובכל זאת, אחרי ריצה קצרה יחסית על המסלול, הענק הזה פשוט מתנתק מהקרקע. הוא מטפס לגובה של כ־11 קילומטרים, חוצה אוקיינוסים שלמים ונשאר באוויר שעות ארוכות.
איך הפיזיקה מאפשרת לדבר כזה לקרות? איך משהו כל כך כבד מצליח להתגבר על כוח הכבידה?
התשובה נמצאת בכנפיים. הן מייצרות את כוח העילוי, הכוח שמתגבר על כוח הכבידה ומאפשר למטוס להמריא ולהישאר באוויר. אבל לפני שנבין איך זה קורה, צריך להיפרד מאחד ההסברים המפורסמים ביותר בעולם, הסבר שרבים מאיתנו למדנו בבית הספר.

המיתוס שכולנו למדנו

ההסבר הקלאסי נשמע הגיוני מאוד.

החלק העליון של הכנף קמור יותר מהחלק התחתון. כאשר האוויר מגיע לקדמת הכנף הוא מתפצל לשני זרמים. מכיוון שהדרך מעל הכנף ארוכה יותר, אנחנו נוטים לחשוב שהאוויר חייב לנוע מהר יותר כדי להגיע לקצה האחורי יחד עם האוויר שעבר מתחת לכנף.
לפי עקרון ברנולי, אוויר שנע מהר יותר יוצר לחץ נמוך יותר. לכן, לפי ההסבר הזה, מעל הכנף נוצר לחץ נמוך, מתחתיה לחץ גבוה יותר, והפרש הלחצים מרים את המטוס.
יש רק בעיה אחת.
ההנחה שמובילה את כל ההסבר הזה פשוט אינה נכונה. ניסויים במנהרות רוח הראו שאין שום חוק פיזיקלי שמחייב את שני זרמי האוויר להגיע לקצה הכנף באותו הזמן. למעשה, האוויר שעובר מעל הכנף מגיע לקצה האחורי מוקדם יותר מהאוויר שעובר מתחתיה.

כלומר, ההסבר המקובל אינו מסביר נכון מדוע האוויר מאיץ מעל הכנף.
אז מה באמת קורה?

חוזרים לניוטון

כדי להבין את העילוי, כדאי לרגע להניח בצד את ברנולי ולחזור לעיקרון בסיסי יותר, החוק השלישי של ניוטון:
לכל פעולה קיימת תגובה שווה והפוכה.
זה בדיוק מה שעושה הכנף.
המהנדסים תכננו ומיקמו את הכנף בזווית כזו, שהיא מסיטה כמויות עצומות של אוויר כלפי מטה. בתגובה, האוויר מפעיל כוח שווה בכיוון ההפוך, כלומר כלפי מעלה.
קוראים לכוח הזה כוח העילוי (Lift), והוא זה שמחזיק את המטוס באוויר.
אפשר להרגיש את העיקרון הזה גם בלי להיות טייס.
אם אי פעם הוצאתם את כף היד מחלון של מכונית נוסעת והטיתם אותה מעט, ודאי הרגשתם שהאוויר דוחף אותה כלפי מעלה וגם מעט לאחור. באותו רגע היד שלכם שימשה ככנף קטנה: היא שינתה את כיוון זרימת האוויר, והאוויר הפעיל עליה כוח בכיוון ההפוך.
במטוס העיקרון זהה, רק בקנה מידה עצום. הכנפיים מסיטות מסה אדירה של אוויר בכל שנייה, וכך הן מייצרות כוח גדול מספיק כדי להחזיק באוויר מטוס השוקל מאות טונות.

אז מה עם הפרש הלחצים?

כאן מסתתר אחד הבלבולים הנפוצים ביותר.
הפרש הלחצים מעל ומתחת לכנף הוא אמיתי לחלוטין. מעל הכנף אכן נוצר לחץ נמוך יותר, ומתחתיה לחץ גבוה יותר.
הטעות הייתה בניסיון להסביר מה גורם להפרש הלחצים הזה. כאשר הכנף מסיטה את זרימת האוויר כלפי מטה, היא גם משנה את התפלגות הלחצים סביבה. לכן, דחיפת האוויר כלפי מטה והפרש הלחצים אינם שני הסברים שונים או מתחרים, אלא שתי דרכים לתאר את אותה תופעה פיזיקלית.
אפשר לומר שהכנף מעבירה תנופה לאוויר, ואפשר לומר שנוצר הפרש לחצים. שני התיאורים נכונים, וכל אחד מהם מתאר את אותו מנגנון מזווית אחרת.

זווית ההתקפה: המפתח לעילוי

לכנף יש זווית שבה היא פוגשת את זרם האוויר. זווית זו נקראת זווית ההתקפה.
כאשר הטייס מגדיל אותה במידה הנכונה, הכנף מסיטה יותר אוויר כלפי מטה ומייצרת יותר כוח עילוי. זו אחת הסיבות לכך שבזמן ההמראה אף המטוס מתרומם.
אבל גם כאן יש גבול.
אם זווית ההתקפה גדולה מדי, זרימת האוויר כבר אינה נשארת צמודה לכנף. במקום זרימה חלקה נוצרים מערבולות, כוח העילוי פוחת במהירות והמטוס נכנס למצב הנקרא הזדקרות (Stall).
זו הסיבה שטייסים לומדים לזהות את המצב הזה ולהימנע ממנו, ויצרני מטוסים מודרניים מתקינים בהם מערכות התרעה המזהירות מפני הזדקרות.

שלוש עובדות שאולי יפתיעו אתכם

הכנפיים מתכופפות בכוונה-

במהלך הטיסה קצות הכנפיים של מטוס בואינג 787 יכולים להתרומם בכשלושה מטרים ואף יותר. התופעה הזו אינה מעידה על תקלה, אלא מהווה חלק מהתכנון ההנדסי שמאפשר לכנפיים להתמודד עם עומסים ומערבולות אוויר.

גם מטוס שטס הפוך יכול להישאר באוויר-

מטוסי פעלולים מסוגלים לטוס כשהם על הגב. הטייס משנה את זווית ההתקפה כך שהכנף עדיין מסיטה את האוויר כלפי מטה. זו אחת ההוכחות לכך שצורת הכנף לבדה אינה מסבירה את תופעת העילוי.

בלי מהירות אין עילוי-

כדי שהכנפיים יוכלו להסיט מספיק אוויר, חייבת להיות זרימת אוויר מהירה סביבן. לכן הטייס מאיץ את מהירות המטוס לאורך המסלול לפני ההמראה מהקרקע.

אתגר קטן למחשבה

עכשיו כשאתם מבינים איך הכנף באמת מייצרת עילוי, נסו לפצח את השאלה הבאה:
מדוע מטוס נוסעים ענק זקוק לכנפיים גדולות בהרבה ממטוס קטן וקל? ומה הקשר בין גודל הכנף, משקל המטוס ומהירות הטיסה?

רמז: כדי להחזיק מטוס באוויר צריך להסיט כמות מספקת של אוויר כלפי מטה בכל שנייה. אפשר להשיג את זה באמצעות כנפיים גדולות יותר, באמצעות מהירות גבוהה יותר, ולפעמים בשילוב של השניים.