Home » Aerodynamika a mechanika » Ptáci, hmyz a lidi v povětří

Ptáci, hmyz a lidi v povětří

Print Friendly, PDF & Email

Jak již snad z názvu plyne nebude zde povídání o jiných uživatelích zemské atmosféry, jimž jsou například netopýři, létající ryby, pavouci na svých pavučinách apod.

V tomto krátkém pojednání se pokusím pouze velmi stručně poukázat na některé okolnosti a zřejmě i skutečnosti z činností souvisejících s pokusy ovládnout vzduch na pevných či pohyblivých křídlech. Některé z nich se udály již tak dávno, že dochované zprávy o nich se vytrácejí z povědomí nejen příznivců letectví. Nezbylo zde již tolik ze starých časopisů, knih, technických zpráv osobních záznamů ústních sdělení kolik by bylo záhodno. Netroufám si však nějak dokonale to napravit. To je mimo můj dosah.

Je to také proto, abychom alespoň nepatrně připomněli podíl těch nadšenců, odvážlivců, naivků, ale i technicky zdatných jedinců a skupin, které vložením vlastních finančních prostředků a obrovského úsilí hraničího s hazardérstvím, ovlivnily v té době velmi perspektivní obor lidské činnosti  a tím bylo a ještě je i bude letectví.  Pokud se týče naivity, nadšení a neznalostí těch, kteří se neustále k letectví přimykají, není ani dnes situace příliš odlišná od té v 19. století.

A také, což je asi hlavní pohnutkou k sepsání, jak se s pohybováním ve vzduchu vypořádala příroda.

Jak to asi mohlo být před několika staletími, když Leonardo fa Vinci na rozhraní 15. a 16. století pozoroval a skicoval lety ptáků na pahorku Monte Ceceri. Protože byl nadobyčej bystrý a vnímavý popsal již tenkrát, že problém letu bude dozajista ovlivňován přítomností odporu, který klade vzduch každému v něm pohybujícímu se předmětu. To bylo zhruba 200 let před Isaacem Newtonem.

George Cayley v Anglii byl na počátku 19. století již na dobré cestě k létání na pevných křídlech. Věděl, že nosná plocha musí mít prohnutý profil s nezbytnou tloušťkou umožňující dostatečně pevnou stavbu. Také vypozoroval mimo jiné z tvaru pstruha jak by mělo asi vypadat těleso s malým odporem. Jeho znalosti a zkušenosti se však mezi tehdejšími pionýry aviatiky příliš nerozšířily nebo je  ignorovali. To byla jejich velká chyba, protože ztratili desítky let a spousty peněz. nepodařilo se mi zjistit proč to tak bylo. Jestli utajení nebo pýcha stavitelů mít za každou cenu svůj vlastní výtvor nebo ještě něco jiného.

Otto Lilienthal, podstatě první úspěšný průkopník létání na svahu, láteřil když zjistil, G.Cayley před asi 80 lety znal mnohé z toho co on musel pracně objevovat  a nakonec  při smělých pokusech v turbulentních povětřích na pahorku, který si nechal uměle vybudovat, se roku 1986 smrtelně zranil. Byl zřejmě první kdo dosáhl na úspěšné lety člověka v povětří.

V Alžíru na pokraji pouště Francouz L.P.Mouillard v roce 1896, rok před tím než zemřel bídou v Káhiře, dospěl zas jako první k použití nakrucování konců křídel pro snazší zatáčení. Zřejmě po vzoru ptáků. To O. Lilienthal neměl. Zatáčel pouze změnou náklonu svého těla ve svých závěsných kluzácích. Bratři Wrightové tuto myšlenku o 5 let později převzali a na svých strojí uplatnili.

Všichni pionýři letectví přebírali od Lilienthala co se dalo. Ať to byl Angličan P.S.Pilcher, Američané -O.Chanute, prof. Langley i Curtis, Rus Žukovskij (spolutvůrce teorie vzniku vztlaku platné dodnes) a mnoho dalších. Včetně mnoha velmi úspěšných Němců a Francouzů. Patřil mezi ně Rakušan Igo Etrich z Trutnova. K takovému přebírání poznatků a zkušeností došlo samozřejmě i v Čechách.

Přikládám několik nahodile vybraných obrázků  z tisíců uskutečněných staveb letounů o tom jak to tenkrát ledaskde probíhalo.

 

Otto Lilienthal na jednom ze svých prvních kluzáků v roce 1894

 

Rumun Vuia No 1

Santos Dumontova Demoiselle z roku 1908

 

Marquis d´Ecquevilly v roce 1908

 

Wilbur Wright v Le Mans v roce 1908

 

 

     Vyskočilův kluzák z roku 1925

 

Protože tohle není historická studie, ani bych si na ni netroufal, tak přesto nebo právě proto se vraťme toho, kdy lety ptáků a hmyzu nemohly nechat přemýšlivé jedince, v touze ovládnout vzduch podobně jako oni, chladnými. Ta lidská závist či jen touha něco objevit kopírováním toho co je v přírodě a ve vesmíru kolem nás, trvá dodnes a snad je to i správné. Oboje jsou to nevyčerpatelné zdroje inspirací pro cokoliv pokud to dobře pochopíme. Jde to pomalu, ale posun kupředu je nadějně permanentní.

Významně z davu lidí vyčnívají jeho velikáni jako byl třeba G. Galilei, který svou intelektuální bravurou napověděl například před mnoha staletími jak působí zemská tíže na tělesa ve vzduchoprázdnu.

Vraťme se teď k pohybu všelikých tvorů vzduchem, protože jsme stoupenci aviatiky. Jak je tomu například u v přírodě u ptáků, kteří se vyvinuli z ještěrů na což spotřebovali pár set milionů let. Jejich poměrně dobře viditelné proměny tvarů, velikostí a prohnutí křídel jsou úžasné. A to nemluvíme o jejich svalové soustavě a ovladatelným potahem jejich peří.

Dalších obrázcích jsou některé z nesčetných příkladů z ptačí říše uvedeny.

 

To je jeden z čeledi albatrosů.

 

 

A tohle je zase zástupce jiné skupiny úžasných ptačí letů – rorýs.

 

A pak je tu uskupení jeho per jejichž velikosti a uspořádání napovídají, že jsou v souladu okolnostmi souvisejícími s generovat takový vztlak v poměru k jejich odporu, aby dosažené výkony i letové vlastnosti byly optimální pro danou letovou situaci.

Ptáci a stejně tak i hmyz pochopili již dávno, že je nutné a i možné, pokud chtějí dobře létat, tomu vhodně přizpůsobit stavby svých těl, křídel, celkových hmotností, neskutečně skvěle propracované ovládací mechanizmy svalů a kloubů atd. Jejich letové výkony a vlastnosti jsou úžasné. A několikanásobné změny zatížení jejich křídel při transportu s kořistí  vzduchem jsou neuvěřitelné.

Hmyzí zástupci vybaveni vedle blanitých křídel také „krovkami“, což bychom mohli s přimhouřením jednoho oka nazvat jakýmisi napodobeninami „flaperonů“, to ale zase nemají úplně jednoduché při pohybu povětřím. Koncepce takto jejich kombinovaných nosných ploch je ve srovnání například s vážkami či albatrosy poněkud méně inovativní. Přesto nějak, a zas ne tak úplně špatně, létají.

Netopýři, obdařeni svým radary  se pohybují stejně bravurně a úžasně atmosférou Země při honbách za kořistí a dosahují údajně rychlostí i nad 150 km/h.

Poněkud hůře jsou na tom létající ryby, které se pohybují těsně nad zvlněnou hladinou oceánů, aby unikly svým predátorům. Je to jen jakýsi delší skok díky známému přízemnímu  efektu, kdy letadla ve výškých menších než asi polovina jejich rozpětí dosahují lepších klouzavostí, protože jejich celkový aerodynamický odpor se zmenšil. Anebo je to tak zvané dynamické plachtění?!

Asi ještě méně efektivní jsou například skoky veverek nebo některých malých primátů, kteří se snaží překonat větší vzdálenosti než odpovídají jejich tělesným možnostem při skocích do dálky.

Ostatně „rogala“ neměla také v počátcích jejich rozvoje kdoví jaké výkony. Jejich klouzavosti nebyly větší než asi 10.

Ptáci a asi i netopýři se stali nejvhodnějšími objekty pro snění o tom jak by se mohl člověk dostávat úspěšně do povětří a bezpečně se na zemský povrch zase vrátit.

Všimněme si ale také hmyzu a v něm úžasných letců – vážek.

Pokusím se upozornit na okolnosti související jednak s konstrukcí jejich křídel a také na to jak asi mohou probíhat jevy související s jejich výkony a letovými vlastnostmi.

 

Jakl je to asi s konstrukcí křídel vážek jejichž povrch působí zdánlivě jako průsvitný jednoduchý potah?? Tento potah je však dostatečně tuhý a zároveň pružný, je dvouvrstvý a ještě je vyztužen systémem mnoha žilek, jež zde zastupují nám známé nosníky z konstrukcí letadel. Je to „sanwich“ není to „sandwich“ ??? Těžko napovědět. Povšimněte si také hmotového vyvážení každé poloviny křídla na jejich okrajích. A rovněž systému rozmístění žilnatých výztuh.

 

Vzhledem k tomu, že křídla vážek jsou schopna údajně generovat vztlak i dvacetinásobně větší než je jejich celková  letová hmotnost, dochází velmi pravděpodobně k výrazným změnám zakřivení jejich profilů a také jejich velikostí. Nemluvě o neskutečných změnách úhlů náběhu při mávání a to jak při pohybu vpřed i vzad a samozřejmě i do stran. To by asi jednoduchý potah, jakkoliv vyztužený, nedokázal. A to všechno při velmi nízkých Reynoldsových číslech, kdy proudění kolem ploch je velmi nestabilní a svérázné.

Pokud se týče křídla(křídel) používá se například u skutečných letounů Prandtlovy teorie nosného víru a dvou vírů okrajových a je zavedena cirkulační soustava proudění kolem křídla, která popisuje průběh okolního rychlostního pole. Ještě je třeba znát u tvaru křídla průběh rozložení jeho hloubek a úhlů náběhu podél jeho rozpětí. A následně použít další početní metody k potvrzení očekávaného výsledku. K tomu je nyní poměrně dostatek výpočtových programů.

To vážky a ani jiný hmyz zřejmě neznaly a výpočtové programy k dispozici také neměly.

Jejich nosné plochy a s tím spojené výkony a úžasné letové vlastnosti jsou ve známé přírodě zřejmě bezkonkurenční.

Současné postupy v navrhování letadel a k tomu žádoucí materiálové možnosti jsou poněkud pozadu. I když zase mnohé výsledky zejména rychle létajících letounů jsou ve srovnání s hmyzími možnostmi hodně vepředu.

 

Jak to je třeba s pohyby hmyzích křídel? Jejich kmitání jsou úžasná. Například ta protivná octomilka využívá kmitočet kolem 250 cyklů za sekundu a potřebuje tak pro jedno kmitnutí pouze 0,004 sekundy. Při tom se jejich křídla ještě překlápí před dosažením úvrati. Křídla čmeláka kmitají „pouze“ s frekvencí 150 kmitů za sekundu.

Když se jedná o hmyz čtyřkřídlý tak ten má možnost jakéhosi časování pohybu jednotlivých křídel, která se mohou například ještě pohybovat protiběžně a to vpřed i vzad. Při překlápění ještě víry tento druhotný pohyb provázející generují značné zvýšení vztlaku.

To jsou okolnosti pro „člověčí“ letouny s pevnými či rotujícími křídly zatím nepřestavitelné.

Ptáci, hmyz, netopýři a snad trochu i létající ryby je stali inspirací k uplatnění lidského intelektu, který se jim snaží v jejich miliony trvajícím vývoji v leteckých dovednostech přiblížit. Někdy to jde nadějně jindy zase pomalu.

Jak se o to snaží například někteří stoupenci „malé aviatiky“, to jest leteckého modelářství, uvedu na dvou z mnoha dostupných příkladů dále.

Vložím je sem nyní. Jsou to například modely letadel kategorie F1D, jejichž hmotnosti při rozpětích kolem 3/4 metru nepřesahují cca 5 gramů.

 

Jsou to gumovým svazkem poháněné vrtulové pohonné jednotky jež jsou schopny při uvedených rozměrem a tíze dosahovat ve velkých místnostech časů i 10 minut. Rychlejší pohyby mas vzduchu v těchto prostorách nejsou však příliš žádoucí. Ve větrném počasí jsou však tyto neřízené modely prakticky nepoužitelné.

Druhým příkladem, jehož náčrt je uveden v dalším obrázku je řízený model kluzáku – „ELASTO“, jehož nosná plocha  může měnit během letu podle požadavků modeláře, který model dálkově ovládá, svůj tvar a tím i její vlastnosti.

 

Zde je však vhodné něco málo poznamenat o pružnosti a pevnosti těles. Na každé těleso působí vnitřní a vnější síly, které jsou schopny přetvářet jeho tvar, velikost a tím i jeho vlastnosti. Tato přetvoření mohou být pružná, jestliže se těleso po jejich působení vrátí do původního stavu nebo trvalá, když působení sil pomine. Důležitými vlastnostmi těles jsou jejich pružnost a pevnost.

A tohle , jak jsem již napověděl dříve zvládají bravurně například ptáci podobně dobře jako hmyz. Což se lidé snaží napodobit ze všech svých intelektuálních sil.

Kluzák Elasto jedné slovenské firmy, stále zřejmě ještě ve vývoji, je takovým příkladem. Je to kompozitový klkuzák se stíhlým křídlem o rozpětí 3,8 m, s nosnou plochou 73 dm², hmotností kolem 1,5 kg, s uspořádáním ocasních ploch do „V“, malým vzepětím dvoudílného křídla s možností spojité změny zakřivení profilů podél rozpětí a tím získání požadované geometrie stroje umožňující dosažení optimálních výkonů a vlastností pro zvolený letový režim.

 

 

Tyto změny jsou zajišťovány soustavou pák s serv s pružnými uloženími jednotlivých částí po rozpětí, jež fungují  nezávisle na sobě. Přední části nosné plochy do hloubek kolem 30% jsou pevné.

Tradiční uspořádání klapek, křidélek, flaperonů či aileronů je u této koncepce opuštěno. Mávání křídlem či změna jeho šípovitosti  není zde také použito.

A jak to třeba vypadá u skutečných kluzáků a jejich nosných ploch je uvedeno v dalších náčrtcích.

ovládání  VOP část soustavy řízení 

 

konstrukce křídla kluzáku FOKA

Zkuste porovnat jen koncepce, nikoliv konstrukční a funkční detaily, toho co aviatičtí profesionálové i amatéři tvořili dříve a ještě mnohdy i dnes. Ptáci, netopýři i hmyz jsou v tom pořád mnohdy ještě před námi.

Ještě přiložím dva obrázky o tom jaké létající stroje tvořil a neustále, což je dozajista správné, tvoří člověk. A nezřídka se mu to i vede.

Je to případ slavného Američana Paul Mac Creadyho, který nejprve se svými týmy několikrát pokořil Kramerovy ceny vypsané za úspěšné lety lidskou silou. Aby koncem minulého tisíciletí dokázal nejprve se šestimotorovým létajícím „prknem“ o rozpětí 28,5 metrů s názvem „PathFinder“, pak s jeho zvětšeninou z názvem „PathFinder-Plus o rozpětí 36,3 metry, následovaný dalším bezpilotním  letounem na sluneční pohon s názvem „Centurion“ o rozpětí 31,8 metrů až byl tento úžasný projekt dokončen čtvrtým bezpilotním letoun na sluneční pohon s názvem „Helios“ o rozpětí 76,8 metrů a hmotností  740 kg, který dosáhl v roce 2001 výšky 29 km s užitečným zatížením 100 kg.

To byla „létající prkna“ Paul Mac Creadyho s týmem společnosti Aero Vironmenmt Inc. z Monrovie v Californii.

Zde je ještě americký konvertoplan Bell-Boeing V-22 Osprey.

Každý návštěvník našeho magazínu nechť si vezme z tohoto příspěvku co uzná za vhodné.

28. 7. 2018 © Jaroslav Lněnička


Leave a comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Archiv