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

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

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

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