מדוע המטוס ממריא בכיוון מנוגד לרוח ולא נעזר בה כדי להתרומם? - הרי המטוס מתאמץ מאד להאיץ על המסלול והרוח יכולה הייתה לסייע בכך, לא?

ממש לא. התשובה נעוצה בכוח העילוי הנחוץ לו כדי להמריא. כוח זה מבוסס על הפרש לחץ האוויר בין האזור שמתחת לכנפי המטוס וזה שמעליהן.

בהמראה שמנוגדת לכיוון הרוח נוצר כוח העילוי מהר יותר והיא מאפשרת לו להתנתק מהקרקע מהר יותר ובפחות כוח מנוע מאשר בהמראה עם כיוון הרוח.


הנה סרטון של המראה נגד הרוח:

http://youtu.be/rPJiOareZnA

רבים לא מודעים לכך שמה שמחזיק את המטוס באוויר הוא צורת הכנפיים שלו (Airplane's wing shape), המנצלת את הבדלי לחץ האוויר לטובת כוח העילוי.

איך זה קורה?

בזכות המשטח המקומר שלה, הצורה של הכנף יוצרת את כוח העילוי הדרוש למטוס כדי שלא ליפול. צורת הכנפיים היא שגורמת לאוויר מעליה לזרום במהירות, מה שמוריד את לחץ האוויר מאוד.

במצב כזה לחץ האוויר שמתחת לכנפיים נעשה גדול יותר מלחץ האוויר שמעליהן. המדען ברנולי גילה וקבע את "חוק ברנולי" שאומר שההבדל בלחצי האוויר דוחף כל חפץ כלפי מעלה לכיוון בו לחץ האוויר נמוך יותר.

זה בדיוק מה שקורה לכנפיים, שלחץ האוויר הקטן יותר למעלה מושך אותן כלפי מעלה וביחד איתן מעלה את המטוס כולו.

יש עוד כוחות שמאפשרים את הפלא של הטיסה במטוס, כמו כוח הדחף המניע את המטוס קדימה, בזכות אותו עיקרון של לחץ אוויר נמוך שיוצר המדחף או מנוע הסילון קדימה, כוח הגרר שגורם החיכוך באוויר ומייצר התנגדות לתנועה קדימה וכוח הכבידה, המונע מהמטוס לעלות עוד ועוד.

למעשה, מה שמחזיק את המטוס באוויר הוא הלחצים לכל הכיוונים, שנוצרים בשל ארבעת הכוחות הללו. האיזון ביניהם מאפשר טיסה באוויר ויצירת שינויים בלחצי האוויר באחד הכיוונים הם שמביאים את המטוס להמראה, לטיסה קדימה ולנחיתה על הקרקע.

אבל את כוח העילוי, זה שאחראי לכך שמטוס לא ייפול, יוצרת צורת הכנף שתיארנו. כל עוד לא ידעו זאת מתכנני המטוסים הם לא יכולים היו להרים מטוסים ולהחזיקם למשך זמן רב באוויר. מרגע שהבינו זאת - מטוסים החלו לטוס. בהתחלה לזמן קצר ועם שיפור היחס בין צורת הכנפיים לכוח המדחף המושך קדימה - ליותר ויותר זמן.


כך מחזיקה צורת הכנף את המטוס באוויר ומונעת ממנו מליפול (מתורגם):

https://youtu.be/uJKv5yfecHY


צורת הכנף יוצרת הבדלי לחץ אוויר היא שמאפשרת למטוס להחזיק באוויר, גם כשהוא הפוך (עברית):

https://youtu.be/e-zSVhCCUng


וכוח הכבידה וכיצד הוא פועל:

https://youtu.be/uhS8K4gFu4s

כוח העילוי (Lift) הוא כוח שמחזיק את המטוס באוויר. ידוע שצורתה של כנף המטוס תורמת לכוח העילוי, אך לגבי שיטת הפעולה של כוח העילוי יש סברות והסברים שונים.

הסבר אחד לכוח העילוי שפועל על כלי טיס הוא שחלקה הקדמי של כנף המטוס מפצל את האוויר לשניים. הבדלי לחץ-האוויר שבין האוויר שמעל לכנף וזה שמתחתיה, הם הגורמים להיווצרותו של כוח העילוי ולהחזקתו של המטוס באוויר, שכן לחץ האוויר מתחת לכנף גבוה מזה שמעליה ולכן הכנף שואפת לעלות ואיתה המטוס.

הסבר אחר נאחז בעיקרון ברנולי. לפי השערה זו המהירות הגבוהה של האוויר שמעל לכנף היא שגורמת לירידת לחץ האוויר מעל הכנף ובכך יוצרת את של כוח העילוי שבזכותו המטוס נשאר באוויר.

הסבר שלישי טוען שמה שמשאיר את המטוס באוויר, מבלי ליפול, הוא "אפקט קואנדה". לפי "אפקט קואנדה" האוויר, כמו המים, נצמד לפני השטח של כל משטח שהוא זורם על פניו. כך דוחף הקימור של כנף המטוס, את האוויר כלפי מטה ובזכות הדחיפה הנגדית של האוויר את הכנף, מחזיקות הכנפיים את המטוס באוויר, מבלי שייפול.

וזה לא רק כוח העילוי שפועל על המטוס. כוח הכבידה מושך אותו למטה וכוח העילוי - למעלה. כוח הגרר שנגרם מהחיכוך באוויר דוחף אותו כנגד כיוון הטיסה ומקטין את מהירותו של המטוס.

אבל יהיה אשר יהיה ההסבר המדויק לאופן שבו הוא פועל, כוח העילוי הוא הגורם החשוב שמאפשר למטוסים לא ליפול ולציפורים לנדוד למרחקים של אלפי קילומטרים.


הנה הסבר על כוח העילוי שמסביר איך המטוס נשאר באוויר (מתורגם):

https://youtu.be/uJKv5yfecHY


כוח העילוי בהדגמה יפה לתלמידים:

http://youtu.be/cQIvbO5MpQY


מבנה הכנף המותאם לכח העילוי מרים את המטוס למעלה ומדהים שבהרבה מטוסים הוא עובד גם הפוך (עברית):

https://youtu.be/e-zSVhCCUng


כך מחזיק כוח העילוי את המטוס באוויר:

https://youtu.be/MvFKUiW8-tY


וכך ציפורים נעזרות בכוח העילוי כדי לנדוד למרחקים:

http://youtu.be/5dk9m2zgngM

ישנם 4 כוחות (The Four Forces) פיזיקליים, המסייעים למטוסים ולכלי טיס ואפילו לצלחות מעופפות של פריזבי לטוס אל על.

ארבעה הכוחות הללו פועלים על המטוס, כשהשילוב ביניהם הוא שמאפשר לו לטוס באוויר, על כל משקלו האדיר.

ארבעת הכוחות הללו הם כוח העילוי (lift), המשקל (weight), הדחף (thrust) והגרר (drag).

כשהכוחות הללו מאוזנים, כלי הטיס נע ישר. אם נבין את העקרונות הפיזיקליים שמאחורי הכוחות הללו, נבין היטב את נפלאות הטיס או השיוט באוויר.

אז שכשהמנועים דוחפים את המטוס קדימה ויוצרים דחף, כשצורת הכנפיים של המטוס היא שיוצרת עילוי ומחזיקה אותו למעלה, עומדים מול כל אחד משני הכוחות הללו כוחות המתנגדים להם - הגרר שבולם את הדחף והכבידה שבולמת את העילוי - כך מאוזן וטס המטוס באוויר, בגובה ובמהירות נסבלים, שרק הטייס יכול לשנותם.


#כוח העילוי
הכנפיים הן שיוצרות את מרבית כוח העילוי שבו משתמש המטוס. כוח העילוי הוא שמאפשר למטוס להידחף כלפי מעלה ולא ליפול. מבנה וצורת הכנפיים הם שגורמים לדחיפת האוויר שמתחת לכנף כלפי מעלה, בזכות לחץ האוויר הגבוה יותר שנוצר מתחת לכנף. הלחץ הגדול מלמטה יוצר את כוח העילוי, הגורם לכך שהמטוס נדחף למעלה על ידי האוויר.

#כוח הכבידה
משקלו של המטוס הוא מה שמושך אותו לקרקע. הכבידה היא הכוח המושך כל דבר וגם את המטוס לכיוון האדמה, אחרת המטוס היה עולה למעלה עוד ועוד. משקל הוא תוצאה של הכבידה.

#כוח הדחף
כוח זה מושג בזכות המנועים והוא שדוחף את המטוס קדימה. הדחף נוצר בעזרת מדחף, רקטה או מנוע סילון. מי שמכיר את מייבש השיער הביתי יודע שהוא דוחף אוויר לקדימה, לאחר שמשך אותו מאחור.

#כוח הגרר
כוח הגרר הוא הכוח שמתנגד לדחף ויוצר את ההתנגדות לתנועה קדימה. גרר הוא תוצאה של חיכוך והפרשי לחץ אוויר. מי שרוצה לחוות כוח גרר שייזכר את הדחיפה אחורה של היד, כשמוציאים אותה מחלון המכונית הנוסעת.


הנה סרטון על ארבעת הכוחות היוצרים את השיוט באוויר:

https://youtu.be/zhWDnWaI5TE


כוח העילוי שמעלה למעלה (עברית):

https://youtu.be/dYZg1AgVBUU


כוח הכבידה שמאזן את העילוי ומושך למטה לפי המשקל (מתורגם):

https://youtu.be/uhS8K4gFu4s


כוח הדחף שדוחף כלי טיס קדימה ומעיף אנשים מאחורי המטוס:

https://youtu.be/GqVjD3nBSQg


כוח הגרר שבולם את הדחף:

https://youtu.be/BnmZ94eIdNE


והתעופה של פריזבי באוויר בעזרת ארבעת הכוחות הללו:

https://youtu.be/jJtQjc32aT8

"מכונות מעופפות כבדות מהאוויר אינן אפשריות" אמר הלורד קלווין בשנת 1895.

זה לא לקח הרבה זמן עד שהתבדה הלורד המכובד. 8 שנים לאחר דבריו, בחודש דצמבר 1903, הצליחו האחים רייט להתרומם עם המטוס הראשון לאוויר.

כעבור 15 שנה מטוסים כבר ביצעו משימות קרביות במלחמת העולם השנייה. מסתבר שהמשקל אינו הדבר היחיד שקובע, אלא גם כוח העילוי, הבדל לחצי אוויר, מנועי המטוס ועוד דברים שיודעים להרים ולהטיס גם מכונות כבדות מאוד באוויר ולמרחקים אדירים, כולל בחלל.

אז כבוד הלורד קלווין, אולי צדקת שמכונות מעופפות הן כבדות מהאוויר, אבל אם יש להן כנפיים בצורה מסוימת, הן יוכלו לעוף. כי צורת כנף עם משטח מקומר יכולה ליצור כוח עילוי. צורת הכנפיים הזו גורמת ללחץ האוויר שמתחת לכנפיים לגדול יותר מלחץ האוויר שמעליהן וזה מה שדוחף את הכנפיים כלפי מעלה ויחד איתן את המטוס כולו.


כך המטוס טס, אפילו כשהוא הפוך, בזכות צורת הכנף היוצרת הבדלי לחץ אוויר (עברית):

https://youtu.be/e-zSVhCCUng


וסרטון אנימציה על תולדות התעופה:

http://youtu.be/GLAreFQ3G5k

עקרונות אווירודינמיים שונים עובדים כדי לאפשר למטוס להישאר באוויר. נהוג לומר שכוח העילוי הוא שמחזיק את המטוס באוויר, אבל יש ויכוחים לגבי איך הדברים עובדים בדיוק. בכל מקרה ניתן לומר שצורתה של כנף המטוס תורמת לכוח העילוי, יהיה אשר יהיה ההסבר לאופן שבו הוא פועל.

הסבר אחד של כוח העילוי הפועל על כלי טיס הוא שהחלק הקדמי של כנף המטוס מפצל את האוויר לשניים. עד שהאוויר ייפגש שוב, בחלק האחורי של הכנף, יווצרו הבדלי לחץ אוויר בין האוויר שמעל הכנף וזה שמתחתיה.

הפרשי לחץ אלו הם הגורמים להיווצרות כוח עילוי. הוא שמחזיק את המטוס באוויר.

יש הסבר שנאחז בעיקרון ברנולי כדי לומר שמהירות הגבוהה של האוויר שמעל לכנף גורמת לירידת לחץ האוויר שם ולהיווצרות של כוח עילוי המחזיק את המטוס.

חוקרים אחרים גורסים שמה שגורם למעשה למטוס להישאר באוויר ולא ליפול הוא "אפקט קואנדה". אפקט זה מצביע על הנטייה של האוויר (כמו גם מים) להיצמד לפני השטח של כל משטח שהוא זורם על פניו. כך דוחף לדבריהם הקימור של כנף המטוס, את האוויר כלפי מטה ובזכות הדחיפה הנגדית של האוויר בחזרה את הכנף, מחזיקות הכנפיים את המטוס באוויר.

יש עוד הסברים אבל נעצור כאן הפעם.


הנה כוח העילוי שמחזיק את המטוס באוויר (מתורגם):

https://youtu.be/uJKv5yfecHY


צורת הכנפיים יעילה מאוד בניצול כוח העילוי לצורך החזקת המטוס באוויר. בהרבה מטוסים היא עובדת גם כשהמטוס הפוך (עברית):

https://youtu.be/e-zSVhCCUng


הנה 4 הכוחות שפועלים על המטוס והאווירודינמיות שמקנה לו את יכולת הטיסה (מתורגם):

https://youtu.be/Gg0TXNXgz-w


וכוח העילוי שמסייע להחזיק את המטוס באוויר:

https://youtu.be/MvFKUiW8-tY

כשהאוויר מתחמם, גדל הנפח שלו. כשהנפח שלו גדל, יורד המשקל של יחידת נפח זהה. מבחינה מדעית ניתן לומר שככל שגז חם יותר, יש לחלקיקים שבו מרווח תנועה גדול יותר.

אבל כאן מגיע הקטע המעניין. כי היות וחלקיקי הגז החם הם צפופים פחות, הגז הזה נעשה יותר קל. הדבר גורם להיווצרות של כוח עילוי, שגורם לאוויר החם לעלות מעל לאוויר הקר.

גם בטבע יש זרמי אוויר חם. זרם אוויר חם או תרמיקה הוא זרם אוויר שעולה במעין "עמוד" אוויר.


הנה חימום האוויר בבלונים הפורחים לפני שהם עולים לשמיים:

http://youtu.be/wrzpaVbfyd8


סרטון אנימציה שמציג כיצד מחממים את האוויר בכדור פורח, כדי שיעלה למעלה:

http://youtu.be/3meVRG5qQEw


וכך מחממים כדור פורח כדי לרדת לטוס לתוך מערה גדולה בקרואטיה:

http://youtu.be/b0RtZL06EbI

דאונים הם מטוסים ללא מנוע. אלו הם כלי טיס כבדים מן האוויר, שלא כוללים מנוע או אמצעי הנעה אחר משלהם. הדאון ממריא בעזרת מטוס או כלי רכב שגוררים אותו, כדי להתחיל את הטיסה, או גולש ממישור גבוה ומשופע לעבר עמק.

הדאון שומר על יכולתו להמשיך ולעוף בזכות משקלו הקל ויכולתו של הטיס לתפוס זרמי אוויר חם. אוויר חם תמיד שואף לעלות למעלה ולכן זרמי האוויר החמים הללו הם שמעלים את הדאון כלפי מעלה ומאפשרים לו לטוס כך זמן רב ולמרחקים ארוכים יחסית.

לדאונים יש כנפיים גדולות ביחס לגוף הדאון. מבנה זה מאפשר לדאון לנסוק למעלה, על אף מהירותו הנמוכה. על אף המסורת, מוצעים כיום גם דאונים חדישים עם מנוע קטן שמאפשר להמריא או לסייע לדאון בטיסות ארוכות.

במלחמת העולם השנייה השתמשו בדאונים כדי לשלוח אספקה לכוחות המנותקים מהכוח העיקרי או כדי להנחית חיילים בשטח אויב. אך הדאון התגלה ככלי טיס מוגבל ביכולותיו הצבאיות והסתבר שקל לאויב לפגוע בו. החיילים נהגו אז לכנות אותו "ארון קבורה מעופף". לכן לא משתמשים בימינו בדאונים בצבא וכיום הם משמשים בעיקר לספורט והנאה.


הנה כתבה על חובבי הדאונים בישראל (עברית):

http://youtu.be/jt8nwED1vxo


סרטון שמראה כיצד מרימים את הדאון לאוויר:

http://youtu.be/KlovGBcJSBA


טיסה בדאון מודרני:

http://youtu.be/kqawMYEHW2c


הדאון במלחמת העולם השנייה:

http://youtu.be/YpttD-LXYuo


וכך נראית הטיסה בתוך דאון:

http://youtu.be/vLAbjLFnw6E

כדור פורח הוא כלי טיס המורכב מבלון גדול, מלא באוויר חם או גז לצורך עילוי. הכדור הפורח והבלון הפורח מתרוממים משום שהאוויר החם שבתוכם קל יותר מהאוויר הקר שבחוץ. בתחילת ימי הכדורים הפורחים, חומם האוויר שבהם על ידי תנור, שמילא את הכדור באוויר חם והעלה אותו לשמיים. כל עוד נשאר האוויר חם, המשיך הכדור לטוס גבוה. בהפסקת חימום האוויר ירד הכדור הפורח לאדמה.

הכדורים הפורחים הראשונים היו התבססו על אוויר חם, עם להבה שיצרה עשן חם בתחתיתם. הסכנה בהם היתה גדולה בשל נטייתם לעלות באש בזמן הנחיתה. כיום נוטים להשתמש בגז שהוא מסוכן פחות מאוויר חם ולהבת אש.


הנה סרטון שמסביר כיצד כדור פורח עף:

http://youtu.be/VLlJXfPWbV8


חוויית הכדורים פורחים שמעל 100 מהם עפים בכל בוקר בחבל קפדוקיה שבתורכיה:

http://youtu.be/QyxOP3uK1U4


טיסה בכדור פורח בישראל:

http://youtu.be/OQZwstB0M5s


וראו כיצד יוצרים כדור פורח משקית ואוויר חם (עברית):

https://youtu.be/1xXA7zPKemQ


ובואו לעוף בכדור פורח:

http://youtu.be/0RPurvYriHI?qr=yes

אחת התופעות המרתקות בהנדסה היא של מטוסים במשקל אדיר, שטסים באוויר, במטוסים חזקים זה בזכות הכוח שיוצר זרם הסילון שנפלט מהמנועים הסילוניים החדישים והחזקים כל כך.

במטוסים קטנים או ישנים יותר, בעיקר אלו שלפני מלחמת העולם השנייה, הייתה זו תנועת האוויר שמייצרים המַדְחֵפים שלהם, שהחזיקה אותם באוויר.

אבל מהו המַדְחֵף? איך הוא מצליח לייצר כוח כה גדול עד שמטוסים במשקל חצי טון נשארים בזכותו באוויר ולא נופלים?

המדחף, באנגלית פרופלור (Propeller) או הרוטור במסוקים, הוא מנגנון המחובר למנוע וכולל להבים או מעין כנפיים שצורתם מיוחדת. בסיבוביהם המהירים יכולים הלהבים לייצר זרם אוויר כה חזק עד כדי כך שהם דוחפים את המטוס קדימה.

אפשר לראות במדחף סוג של כנף שמסתובבת ומייצרת את מה שהציפורים מייצרות בנפנוף כנפיהן והוא "עילוי קדימה". כוח העילוי הזה הוא שדוחף את המטוס קדימה.

למעשה, תפקיד המדחף הוא להפוך את התנועה הסיבובית של המנוע לתנועת דחף של המטוס. את המדחף מרכיבים כמה להבים, שניים או יותר, כשכל להב היא כנף מסתובבת שיוצרת זרימה של אוויר בכיוון הטיסה - לפי מהירות סיבוב המדחף.

זרימת האוויר הזו יוצרת שני כוחות: כוח עילוי אופקי, שמחזיק את המטוס באוויר וכוח דחף הדוחף אותו קדימה. שני הכוחות הללו מתגברים על שני כוחות שלכאורה מונעים מהמטוס לטוס. הראשון הוא כוח הכבידה שדווקא מושך אותו לאדמה והשני - כוח הגרר, שמתנגד לתנועה שלו קדימה.

אגב, לכל להב יש פיתול בקצהו. זאת כדי למנוע את שבירתו בקצה הלהב, בשל האופן בו משתנה כוח העילוי בחלקים השונים של הלהב.


מטוסי הפרופלור כיום הם נדירים מאוד, בעיקר כי הם איטיים:

https://youtu.be/gkGEeLr7yEo


הכוחות הפועלים על המטוס, כשהמדחף אחראי לכוח שדוחף אותו קדימה:

https://youtu.be/wFTHh-6jIT8


את המדחף החליף עם השנים מנוע הסילון (עברית):

https://youtu.be/fP8892AsAiM


וכך פועל המדחף גם בצוללות:

https://youtu.be/ON_irzFAU9c

אווירודינמיות (Aerodynamics), או אירודינמיות, היא תכונה שמאפשרת לגוף נייד, כמו מטוס, ציפור, מכונית או אפילו דג, להתגבר על התנגדות האוויר בעת התנועה.

כללית, צורת הכנף היא שמאפשרת למטוסים מטוס ולא ליפול. צורת הכנף יוצרת כוח עילוי בזכות המשטח המקומר שלה. צורת הכנפיים היא שגורמת ללחץ האוויר שמתחת להן לגדול יותר מלחץ האוויר שמעליהן וזה מה שדוחף את הכנפיים וביחד איתן את המטוס כולו, כלפי מעלה.

אווירודינמיות מתאפשרת לרוב גם תודות לצורה מעוגלת בקצה האחד של הגוף ומחודדת בקצה האחר. תורם לה גם שטח הפנים החלק והאחיד שלו, שמזכיר צורה של טיפה.

את תכונת האווירודינמיות ניתן למצוא בטבע בצורתם של ציפורים ודגים. היא אומצה בהנדסה המודרנית לגופים נעים, כמו מטוסים, מכוניות, צוללות וכדומה.

ארבעה כוחות פועלים על המטוס. השילוב ביניהם וההתגברות על כוח הכבידה, הם שמאפשרים לו לטוס ולא ליפול.

ארבעת הכוחות הללו הם עילוי, דחף, גרר ומשקל. המשקל הוא כוח הכבידה כמובן והוא דווקא מושך אותו לאדמה. העילוי מאפשר לו להידחף כלפי מעלה, הדחף שמושג בזכות המנועים דוחף את המטוס קדימה והגרר הוא ההתנגדות המסוימת וההכרחית לתנועה קדימה.

אז ברור שהמנועים דוחפים אותו קדימה, אבל צורת הכנפיים של המטוס היא שמחזיקה אותו למעלה. מבנה הכנפיים גורם לדחיפת האוויר שמתחת לכנף כלפי מעלה, בזכות לחץ האוויר הגבוה יותר מתחת לכנף. זה יוצר את כוח העילוי, כלומר גורם לכך שהמטוס "מורם" למעלה על ידי האוויר. גאוני.


הנה הסבר על האווירודינמיות שמקנה למטוס את יכולת הטיסה (מתורגם):

https://youtu.be/Gg0TXNXgz-w


כך מטוסים טסים בזכותה:

https://youtu.be/YyeX6ArxCYI


ולא רק טסים אלא גם טסים הפוך ולא נופלים (עברית):

https://youtu.be/e-zSVhCCUng


על טייס שהצליח להטיס ולהנחית פנטום פגוע ללא חרטום ובניגוד לחוקי האווירודינאוטיקה (עברית):

https://youtu.be/daEt-KhS3xY


גם מכוניות מרוץ ובכלל מתוכננות עם אווירודינמיות:

https://youtu.be/TKH1DyV9vNU


וסרטון הסבר על הכוחות שפועלים על המטוס ומאפשרים לו לטוס במקום ליפול:

https://youtu.be/5ltjFEei3AI?long=yes