TEEMAOSIO

Linnun siipien muoto tuottaa lentämiseen tarvittavan nosteen. Lintu liikkuu eteenpäin (työntövoima) liikuttamalla siipiään ylös ja alas kiertävän liikkeen avulla. Liitäessään se käyttää painoaan avuksi liukumiseen säästäen näin energiaa. Purjelentokoneet ja lennokit käyttävät lisäksi hyväkseen nousevia ilmavirtauksia, joita syntyy vuorten ja vaarojen rinteillä tai ilmassa esiintyvien lämpötilaerojen seurauksena.


Lentokoneissa käytetään lintujen lennosta tuttuja aerodynamiikan periaatteita. Lentämisen salaisuus paljastuu kantopintojen muodosta ja rakenteesta: siipien yläpuoli on kaareva ja takareuna hyvin terävä. Siivet ovat myös hieman vinossa siten, että etureuna on hieman takareunaa korkeammalla. Näistä seikoista johtuen lentokoneen lähtiessä liikkeelle siiven takareunaan syntyy niin sanottu jättöpyörre. Samalla koko siiven ympärille kehittyy jättöpyörteeseen nähden vastakkaiseen suuntaan pyörivä ilmavirtaus. Tällöin ilman virtaus nopeutuu siiven yläpuolella ja hidastuu siiven alapuolella. Tästä seurauksena paine on pienempi siiven yläpuolella verrattuna siiven alapuoleen. Tämä aiheuttaa nostovoiman, joka pitää lentokoneen ilmassa.

Se, että ilman nopeamman virtauksen ansiosta paine pienenee siiven yläpuolella, paljastui ihmiskunnalle varsin myöhään. Vasta 18. vuosisadalla sveitsiläinen matemaatikko ja fyysikko Daniel Bernoulli keksi, että virtaavien nesteiden ja kaasujen paine on pienempi kuin paikallaan olevien. Mitä suurempi virtausnopeus, sitä pienempi paine.

Tästä ilmiöstä alettiin käyttää nimitystä Bernoullin efekti. Lintujen ja lentokoneiden siipien ja kantopintojen rakenne saa ilman virtaamaan nopeammin niiden yläpinnoilla. Lentokoneen jättöpyörre jää kuitenkin kiitoradalle, jossa se sitten vähitellen häviää. Tästä johtuen lentoonlähtöjen välillä täytyy olla pieni tauko.


"Siivet ovat taideteos", kertoo Lufthansa Technikin projektijohtajana työskentelevä Christian Eickhoff. "Jotta lentokone voisi nousta ilmaan 250 km/h nopeudessa ja pystyisi myös lentämään taloudellisesti nopeudella 800 km/h, sen siivet on varustettu etureunasiivekkein(slats) ja laskusiivekkein (flaps). Siivekkeitä voi siirtää sisään ja ulos, ja niiden avulla saadaan aikaan sopiva nostovoima eri nopeuksissa." Jotta lentokone voisi lentää, tekniikan ja taloudellisten tekijöiden tulee olla tasapainossa. "Ensimmäiset kysymykset kuuluvat seuraavasti: Montako matkustajaa haluan kuljettaa? Ja mikä on lennettävän matkan pituus?" jatkaa Eickhoff. Jotta investoinnit olisivat kannattavia, on matkustajien lukumäärä, polttoaineen tarve ja huoltokustannukset otettava huomioon ja laskettava tarkasti.

Lentokone tuo mukanaa myös runsaasti tekniikkaan liittyvää laskentaa. Virtapiireistä kaapelieristyksiin ja matkustajien ruokien painoon - mikään näistä tekijöistä ei voi jäädä arvailujen varaan. Laskenta yksinään ei kuitenkaan riitä. Lentokoneen kestävyyttä ja soveltuvuutta vaativiin olosuhteisiin tutkitaan lisäksi laajoilla testeillä peilaten tuloksia tiukkoja vaatimuksia vasten. Ilmassa suunnistaminen on tärkeätä lentäjille, mutta se tarjoaa myös mielenkiintoisen aiheen oppitunneille. Kuinka jyrkästi lentokoneen on noustava, jotta se lentäisi riittävän etäältä ympäristön korkeista rakennuksista? Törmääkö se vastaantulevaan lentokoneeseen, mikäli se pitää nykyisen lentosuuntansa? Minkä korkeuden lentokone on saavuttanut kymmenen minuutin kuluttua? Tämän tyyppiset lentoskenaariot tarjoavat havainnollisia esimerkkejä vektoreilla ja kulmilla laskemisesta. Vihje: grafiikkalaskimella voidaan helposti havainnollistaa lentoratojen korkeusasemia ja sijaintipisteitä. Näin on mahdollista yrittää löytää ratkaisuja tehtäviin myös kokeilujen kautta. Pienet kynttiläkäyttöiset Kong-Ming-lyhdyt valaisivat taivasta Kiinassa jo 2000 vuotta sitten. Nämä pienet lyhdyt eivät kuitenkaan ole voineet nostamaan ihmistä ilmaan. Vasta vuonna 1783, noin sata vuotta ennen Lilienthalin liitolentokokeiluja, veljekset Joseph ja Jacques Mongolfier rakensivat ensimmäisen kuumailmapallon Ranskassa. Kuumailmapallon lento perustuu siihen, että pallon sisällä oleva lämmitetty ilma on kevyempää kuin sen ympärillä oleva ilma. Tämä aiheuttaa nostovoiman. Kun nostovoima on suurempi kuin pallon painovoima, pallo nousee ilmaan. Zeppelin-ilmalaivoissa käytettiin samaa periaatetta. Tätä kutsutaan sen keksijän mukaan Arkhimedeen periaatteeksi. Ilmapallolentoja voidaan käyttää matematiikan opetuksessa erilaisiin laskutehtäviin. Oppilaat voivat esimerkiksi laskea ilmapallon kiihtyvyyden sen massan ja tilavuuden sekä sen sisällä olevan lämpötilan ja ympäröivän lämpötilan perusteella. Numeerisen integroinnin ja esim. dynaamisen geometriasovelluksen avulla voidaan laskea ja havainnollistaa likiarvokuvaajia korkeuden muutokselle ja nousunopeudelle.