Siła nośna

Wstęp — jak to możliwe, że samolot lata?

Duży samolot pasażerski waży nawet kilkaset ton — tyle co kilkadziesiąt ciężarówek! A mimo to wznosi się w powietrze i leci tysiące kilometrów.

Popatrz też na ptaki, które szybują bez machania skrzydłami, albo na latawiec, który sam „ciągnie" sznurek do góry. Co je wszystkie trzyma w powietrzu?

W tej lekcji dowiesz się:

• czym jest siła nośna i skąd się bierze,
• jakie cztery siły działają na lecący samolot,
• dlaczego balon lata inaczej niż samolot,
• dlaczego samolot musi się rozpędzić przed startem.

Co to jest siła nośna?

Siła nośna to siła skierowana do góry, która powstaje, gdy powietrze opływa skrzydło. To ona przeciwstawia się sile ciężkości i utrzymuje samolot w powietrzu.

Oznaczmy siłę nośną jako $F_n$, a siłę ciężkości jako $F_c$. Żeby samolot leciał poziomo (ani nie spadał, ani się nie wznosił), obie siły muszą się równoważyć:

$$F_n = F_c$$

Objaśnijmy symbole:

Symbol	Co oznacza	Jednostka
$F_n$	siła nośna — działa do góry	niuton $\text{N}$
$F_c$	siła ciężkości — działa w dół	niuton $\text{N}$

Gdy $F_n$ jest większa niż $F_c$ — samolot się wznosi. Gdy $F_n$ jest mniejsza niż $F_c$ — samolot opada.

Skąd się bierze siła nośna?

Sekret tkwi w kształcie skrzydła. Skrzydło samolotu nie jest płaską deską — ma specjalny, opływowy kształt (z góry wypukły) i jest lekko pochylone do przodu i w górę.

Gdy samolot pędzi, powietrze opływa skrzydło z obu stron:

• Nad skrzydłem powietrze płynie szybciej. A szybciej płynące powietrze słabiej naciska — jego ciśnienie jest mniejsze.
• Pod skrzydłem powietrze płynie wolniej i naciska mocniej.

Powietrze pod skrzydłem pcha mocniej w górę, niż powietrze nad skrzydłem pcha w dół. Ta różnica nacisków wypycha skrzydło do góry — i to właśnie jest siła nośna!

Jest też drugi, prostszy sposób, żeby to zrozumieć: pochylone skrzydło odpycha powietrze w dół — a powietrze w zamian odpycha skrzydło w górę. Podobnie gdy odpychasz się od ściany — ściana „odpycha" Ciebie. W fizyce mówimy, że każda akcja ma swoją reakcję.

Rys. 1. Powietrze nad skrzydłem płynie szybciej i słabiej naciska. Różnica nacisków wypycha skrzydło do góry.

Cztery siły działające na samolot

Na lecący samolot działają aż cztery siły naraz:

Rys. 2. Cztery siły działające na lecący samolot.

Siła	Kierunek	Co robi
Siła nośna	do góry	unosi samolot — tworzą ją skrzydła
Siła ciężkości	w dół	Ziemia przyciąga samolot
Ciąg silnika	do przodu	silniki pchają samolot naprzód
Opór powietrza	do tyłu	powietrze hamuje samolot

Zauważ ważną rzecz: silniki nie pchają samolotu w górę! Pchają go do przodu. Dopiero dzięki szybkiemu ruchowi skrzydła wytwarzają siłę nośną, która unosi maszynę.

A co z balonem?

Balon na ogrzane powietrze nie ma skrzydeł — a też lata! Jak to możliwe?

Balon unosi inna siła — siła wyporu. Znasz ją z wody: piłka wypływa na powierzchnię, bo woda ją wypycha. Powietrze działa tak samo, tylko dużo słabiej.

Palnik ogrzewa powietrze w balonie. Ciepłe powietrze jest rzadsze i lżejsze od zimnego — dlatego zimne, cięższe powietrze dookoła „wypycha" balon do góry. Dokładnie tak, jak woda wypycha piłkę.

Rys. 3. Balon unosi siła wyporu — ciepłe powietrze w środku jest lżejsze od zimnego na zewnątrz.

Zapamiętaj: balon unosi siła wyporu, a skrzydło samolotu — siła nośna. To dwie różne siły, ale obie działają do góry!

Warunek lotu — dlaczego samolot się rozpędza?

Siła nośna ma jedną bardzo ważną cechę: im szybciej porusza się skrzydło, tym jest większa.

• Samolot stojący na pasie ma siłę nośną równą zero — powietrze nie opływa skrzydeł.
• Dlatego przed startem samolot rozpędza się na pasie startowym. Dopiero przy dużej prędkości siła nośna staje się większa od ciężaru — i samolot odrywa się od ziemi!
• W locie samolot nie może za bardzo zwolnić. Gdy prędkość spada, siła nośna maleje — i maszyna zaczyna opadać.

Sprawdź to w naszej symulacji! Rozpędź samolot suwakiem i zobacz, kiedy siła nośna pokona ciężar:

Przykłady z życia

• Suszarka i piłeczka. Skieruj strumień suszarki do góry i połóż na nim lekką piłeczkę (np. pingpongową). Piłeczka unosi się w strumieniu powietrza! To pokrewne zjawisko — szybko płynące powietrze inaczej naciska.
• Dłoń za oknem auta. Gdy pochylisz dłoń w pędzie powietrza, poczujesz, jak powietrze unosi ją do góry — jak małe skrzydło. Uwaga: rób to tylko za zgodą rodzica i wyłącznie przy bardzo wolnej jeździe!
• Latawiec. Pochylony latawiec odpycha wiatr w dół, a wiatr wypycha latawiec w górę.
• Ptaki szybujące. Bocian czy myszołów potrafią długo krążyć bez machania skrzydłami — ich rozpostarte skrzydła cały czas wytwarzają siłę nośną.
• Dron. Śmigła drona dmuchają powietrze w dół — a powietrze odpycha drona w górę.

Zadania krok po kroku

Zadanie 1

Dlaczego samoloty startują pod wiatr?

Krok 1. Przypomnijmy: siła nośna zależy od tego, jak szybko powietrze opływa skrzydło.

Krok 2. Gdy samolot leci pod wiatr, prędkość powietrza względem skrzydła jest większa — do prędkości samolotu dodaje się prędkość wiatru.

Krok 3. Większa prędkość powietrza przy skrzydle → większa siła nośna.

Odpowiedź: Startując pod wiatr, samolot szybciej uzyskuje siłę nośną większą od ciężaru — może oderwać się od ziemi przy mniejszej prędkości i na krótszym pasie.

Zadanie 2

Dlaczego papierowy samolocik w końcu opada na podłogę?

Krok 1. Po wyrzuceniu z ręki samolocik leci szybko — jego skrzydła wytwarzają siłę nośną.

Krok 2. Opór powietrza stopniowo hamuje samolocik — jego prędkość maleje.

Krok 3. Mniejsza prędkość → mniejsza siła nośna. W końcu $F_n$ staje się mniejsza niż $F_c$.

Odpowiedź: Samolocik opada, bo zwalnia — a przy małej prędkości siła nośna jest mniejsza od siły ciężkości.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Samolot trzyma się w powietrzu, bo silniki pchają go w górę." Nieprawda! Silniki pchają samolot do przodu. W górę wypycha go skrzydło, które przy dużej prędkości wytwarza siłę nośną.
2. „Balon i skrzydło latają dzięki tej samej sile." Nieprawda! Balon unosi siła wyporu (ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego), a skrzydło — siła nośna (powstaje z ruchu powietrza wokół skrzydła).
3. „Bez powietrza samolot też by latał." Nieprawda! Bez powietrza nie ma siły nośnej — skrzydła nie miałyby czego „odpychać". Dlatego w kosmosie latają rakiety, które działają zupełnie inaczej i nie potrzebują powietrza.
4. „Skrzydło może być płaską deską — ważne, żeby było duże." Kształt skrzydła ma ogromne znaczenie! Opływowy, wypukły z góry profil wytwarza siłę nośną dużo lepiej niż płaska płyta.

Podsumowanie

• Siła nośna działa do góry i powstaje, gdy powietrze opływa skrzydło.
• Żeby samolot leciał poziomo, siła nośna musi równoważyć siłę ciężkości: $F_n = F_c$.
• Powietrze nad skrzydłem płynie szybciej i słabiej naciska; pod skrzydłem naciska mocniej — różnica nacisków wypycha skrzydło w górę.
• Na lecący samolot działają cztery siły: nośna (góra), ciężkości (dół), ciąg (przód), opór powietrza (tył).
• Im większa prędkość, tym większa siła nośna — dlatego samolot rozpędza się przed startem.
• Balon unosi siła wyporu — to inna siła niż nośna, ale też działa do góry.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — cztery siły działające na samolot, warunek lotu $F_n = F_c$ oraz czym balon różni się od samolotu: Siła nośna — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Siła ciężkości — siła, którą musi pokonać każdy samolot.
• Siła tarcia — dlaczego sanki w końcu się zatrzymują?
• Siła sprężystości — co „oddaje" trampolina?