Boeing 747 nazývaný populárně Jumbo Jet, váží plně naložený přes 350 tun. Přesto se dostane do vzduchu a udrží se v něm. Jak to, že dokáže vzlétnout a letět? Klíčem je profil křídla – tvar jeho příčného průřezu. Vpředu, na náběžné hraně, je zaoblený, zespodu poměrně plochý, nahoře naopak značně vyklenutý; dozadu se jeho výška rychle zmenšuje – horní a dolní povrch se vzadu sbíhá do ostré odtokové hrany. Profil křídla, má aerodynamický tvar, umožňuje letadlu, aby se samo vzneslo od země. Při dopředném pohybu křídlo rozráží vzduch, který proudí nad a pod ním. Protože horní strana profilu je vyklenutá (a tedy delší než spodní), musí se při dané rychlosti letadla vzduch kolem ní pohybovat rychleji než kolem spodní strany. Podle Bernoulliovy rovnice klesá v rychlejším proudu vzduchu tlak – nad křídlem vzniká sání (podtlak), pod křídlem přetlak. Tento rozdíl – vztlak – se s rostoucí rychlostí zvětšuje a křídlo nadnáší. Vztlak a tíha jsou dvě z hlavních opačně orientovaných sil, které působí na letoun. Další dvě jsou tah – dopředná síla, vytvářená motory – a odpor, způsobovaný vzduchem, v němž se letadlo pohybuje.
Rozložení sil na křídle.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Vztlak vyvíjený křídlem roste s rychlostí. Vztlak rovněž vzrůstá se zvětšováním nosné plochy (půdorysné plochy křídla) a větším zakřivením (klenutím) profilu. Pomalá letadla proto potřebují pro vytvoření dostatečného vztlaku rozměrné křídlo se značně klenutým profilem. Rychlým letadlům naopak postačí menší křídlo s málo vyklenutým profilem.
Opačný význam mají křídla u závodních automobilů. Mají obrácený tvar než křídla letadlová a jejich úkolem je přidržet auto při velké rychlosti na vozovce.
Zdroj: www.freedigitalphotos.net.
Vztlak je významně ovlivňován úhlem, pod nímž se křídlo setkává s okolním vzduchem – úhlem náběhu. Letadla jsou konstruována tak, že jejich křídla jsou ve vodorovném letu nastavena vůči vzduchu v malém úhlu náběhu (jednotky stupňů). Klesá–li rychlost letu, lze vznikající ztrátu tlaku a tedy i klesání vyrovnávat postupným zvedáním přídě stroje – zvětšováním úhlu náběhu křídla vůči proudu vzduchu. Pokud se tento úhel zvětší na více než patnáct stupňů, přiléhající proud vzduchu se od horní strany křídla odtrhne, proudění okolo profilu se poruší a dojde ke ztrátě vztlaku. Letadlo klesá. Rychlost, při níž k tomuto jevu dojde, se nazývá pádová rychlost.
Při popisu pohybu letadla se zavádí souřadnice. Osa z směřuje zepředu dosadu, osa x nahoru a osa y z boku. Všechny tři osy se potkávají v těžišti letadla. Pohyb kolem osy z se nazývá klopení, kolem osy x zatáčení, kolem osy y stoupání/klesání. K zatáčení slouží kormidlo, ke klopení výškové kormidlo a ke klonění křidélka. Kormidla fungují tak, že jejich vychýlením dochází ke vzniku aerodynamické síly, jejíž moment vzhledem k osám letadla uvede letadlo do žádaného směru.
K vytvoření tahu je letadlo osazeno jedním nebo více motory. Malá letadla jsou většinou poháněna spalovacími, vzduchem chlazenými pístovými motory. Posuvný pohyb pístu se přeměňuje na rotační pohyb vrtule. Vrtule má několik listů, které podobně jako křídlo mají v průřezu aerodynamický profil. Na listu roztočené vrtule vzniká vztlak stejně jako na křídle. Vztlak působí ve směru osy otáčení vrtule. Název vrtule souvisí se slovy vrat a vrut, neboť letečtí průkopníci si představovali, že se zavrtává do vzduchu jako šroub do dřeva. Vrtule pomocí motoru uvádí do axiálního pohybu (ve směru osy) vzduch a tím vzniká hnací síla. Aby účinnost přenosu kinetické energie z vrtule na vzduch byla co největší, mění se úhel náběhu (tj. úhel mezi tětivou profilu a obvodovou rychlostí) v závislosti na poloměru rotace – se vzrůstající obvodovou rychlostí se úhel náběhu zmenšuje tak, aby rychlost proudu vzduchu byla přibližně stejná v celém průřezu vrtulového proudu vzduchu. U dokonalých vrtulí, které mají proměnné nastavení listů se pro zvýšení účinnosti natáčí list vrtule tak, že se zvětšující se rychlostí letadla se celkově zmenšuje úhel náběhu.
List vrtule.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Větší letadla používají reaktivní motory. Většina letadel dneška je poháněna proudovými motory, které vytvářejí tah spalováním leteckého oleje (kerosinu) a vyfukováním spalin vysokou rychlostí. Proud plynů tryská dozadu a letoun je reaktivní silou hnán vpřed. Představa, že se spaliny "opírají" o vzduch a odstrkují se od něj, je zcela mylná – naopak okolní vzduch snižuje tah tryskového motoru tím, že snižuje výtokovou rychlost spalin. I to je důvod, proč se létá vysoko, kde je vzduch řidší. V současné době se používají převážně dva typy turbínových proudových motorů – jednoproudové a dvouproudové, zvané také turbodmychadlové. V jednoproudovém motoru je vzduch nasáván a stlačován přímo ve vstupním kompresoru. Ve spalovací komoře je palivo, rozprášené do stlačeného vzduchu, zapáleno. Žhavé plyny se rozpínají, roztáčejí turbíny a odcházejí dozadu do výtokové trysky motoru. Turbína pohání kompresor. Dvouproudový (turbodmychadlový) motor pracuje na stejném principu, má však před kompresorem navíc další stupeň – dmychadlo. To žene vzduch druhým proudem okolo motoru. Turbodmychadlový motor urychluje větší objem vzduchu při menší rychlosti než jednoproudový, a je proto účinnější a ekonomičtější pro pomalé stroje, jako jsou třeba větší dopravní letouny. Jednoproudové motory jsou zase vhodnější pro rychlejší letouny, jako jsou stíhačky či nadzvukový Concorde.
Letadla nejsou jedinými létacími stroji těžšími než vzduch. Vrtulníky a vírníky využívají také aerodynamický vztlak, ale záskávají jej pomocí rotoru. Vrtulníky se horizontálně pohybují díky naklápění náběhové hrany listů rotoru. K vykompenzování kroutícího momentu hlavního rotoru mají vrtulníky pomocný rotor, který řídí otáčení kolem svislé osy. U většiny vrtulníků je pomocný rotor umístěný na ocasu. Pokud vrtulník pomocný rotor ztratí, začne se otáčet kolem svislé osy a zřítí se. Vrtulník se zvedne do vzduchu díky tomu, že nosný rotor je poháněn motorem. Naproti tomu u vírníku se rotor roztáčí díky aerodynamické síle vznikající při dopředném pohybu. Ten je zajištěn stejně jako u letadla motorem s tažnou či tlačnou vrtulí. První vírník sestrojil v roce 1923 Juan de la Cierva. Po druhé světové válce je vytlačily daleko praktičtější vrtulníky.
