Prúdenie vzduchu a jeho energia

Pri uskutočňovaní dlhších letov na bezmotorových lietadlách sme odkázaní na získavanie energie z prúdiaceho vzduchu. Sú možné tri spôsoby: svahové lietanie a lietanie vo vlne, lietanie v termike a dynamické plachtenie.

  1. Svahové lietanie a lietanie vo vlne: využíva výstupné prúdenie vznikajúce pri obtekaní horských, alebo aj iných prekážok. Pri svahovom lietaní sa využíva oblasť na náveternej strane prekážky. Pri vhodných podmienkach vzniká využiteľná oblasť aj v závetrí prekážky, čo sa využíva pri lietaní vo vlne.
  2. Lietanie v termike: získava energiu z výstupného prúdenia, ktoré vzniká v dôsledku výmeny tepla v atmosfére.
  3. Dynamické plachtenie: odlišuje sa od predchádzajúcich spôsobov v tom, že nevyužíva výstupné prúdenie. Využíva priamo energiu vodorovného prúdenia. Aby to však bolo možné bez ukotvenia k zemi (ako je tomu u drakov), nesmie byť prúdiaci vzduch inerciálnou sústavou. V praxi to znamená že v atmosfére musí existovať gradient vetra.

Prv než pristúpim k výkladu jednotlivých druhov prúdenia vzduchu, je potrebné si niečo povedať o prúdení v atmosfére všeobecne. Závesné lietanie v našich končinách sa uskutočňuje prevažne vo výškach od niekoľkých desiatok po zhruba 2000 m nad terénom. Tieto výšky predstavujú spodnú vrstvu troposféry. Charakter prúdenia v tejto vrstve je veľmi zložitý. Na rozdiel od vyšších vrstiev atmosféry tu vždy dochádza k intenzívnej interakcii s povrchom zeme (obtekanie hrebeňov, termická konvekcia) a následkom toho aj k výraznej zmene rýchlosti vetra v závislosti na výške. Práve táto zmena rýchlosti s výškou je pre nás zaujímavá, lebo má na let ZK zásadný vplyv pri preskoku, ale aj pri pristávaní. Okrem toho zmena rýchlosti vetra je aj dôsledkom termickej aktivity, a teda pri pochopení niektorých základných zákonitostí nám umožňuje odhadnúť rozsah termickej aktivity ovzdušia.

Zmena rýchlosti vetra s výškou je dôsledkom vzájomnej výmeny energie medzi jednotlivými vrstvami v prúdiacom vzduchu. Na jednej strane existujú extrémne hodnoty rýchlosti vetra, ako je rýchlosť pri zemi a rýchlosť vo výške napr. 2000 m, a na strane druhej existuje plynulá zmena rýchlosti medzi týmito výškami. Rýchlosť tesne pri zemi je pochopiteľne skoro nulová, a to v dôsledku brzdenia vzduchu o zemský povrch a prekážky na ňom (stromy, budovy, terénne vlny). Rýchlosť vo výškach okolo 2000 m už nie je ovplyvnená trením o zemský povrch a je len výsledkom rozdielu barometrického tlaku. Rozdiely tlakov sú síce malé, ale pôsobia na obrovské kvantá vzduchu, ktoré sú v neustálom pohybe a pri absencii trecích síl akcelerujú na veľkú rýchlosť. Vrstva atmosféry pod touto výškou sa nazýva medzná (hraničná) vrstva, pretože tu dochádza podobne ako na povrchu krídla k zbrzďovaniu prúdu. Aj keby bolo prúdenie v atmosfére úplne laminárne (akože nikdy nie je), dochádzalo by k vzájomnej výmene energie (rýchlosti) jednotlivých vrstiev v dôsledku pohybu molekúl vo vzduchu. V skutočnosti je táto výmena energie omnoho intenzívnejšia, pretože dochádza k premiešavaniu jednotlivých vrstiev turbulenciou. Čím intenzívnejšie je miešanie, tým väčšia je zmena rýchlosti s výškou. Turbulencia existuje v atmosfére vždy. Sú to v podstate víry, ktoré vznikajú z rôznych príčin. Najväčšie víry predstavujú termické stúpavé prúdy a víry v závetrí za veľkými pohoriami. Tieto víry, pretože sú veľmi veľké, spôsobujú zmenu rýchlosti vo veľkom rozsahu výšok, a mimochodom práve ony prinášajú zväčšenie rýchlosti vetra k povrchu pri existencii turbulencie. Na druhú stranu ich veľké rozmery spôsobujú že rozdiel rýchlosti je rozložený na veľkú výšku a teda nie sú veľmi silné. Omnoho väčšia zmena rýchlosti je tesne nad povrchom (0-20 m) a tá je spôsobená menšími vírmi, ktoré vznikajú trením o zemský povrch a odtrhávaním za malými prekážkami. To je badateľné hlavne pri pristávaní v silnejšom vetre. Podobná zmena rýchlosti existuje na rozhraní silných termických stúpavých prúdov. Skoro takú istú intenzitu majú aj víry, ktoré vznikajú za stredne veľkými prekážkami, ako sú rady topoľov, alebo závetrie menších kopcov (70-100 m). Tieto víry sú však najnebezpečnejšie! Ich rozmer je totiž porovnateľný s rozpätím krídla závesného klzáku a ich rýchlosť zase s rýchlosťou letu ZK. Let v takých podmienkach a v malej výške je krajne nebezpečný (omnoho nebezpečnejší než let v závetrí veľkého hrebeňa).

Tieto úvahy umožňujú určiť kvalitu termiky na základe sledovania rýchlosti vetra. Na prvom obrázku je stav rýchlosti vetra skoro ráno. Zmena rýchlosti je malá a pomerne plynulá, pretože existuje len malé premiešavanie povetria v dôsledku voľnej turbulencie. V dôsledku slnečného žiarenia sa začínajú objavovať krátke termické závany, počas ktorých sa rýchlosť vetra prechodne zvýši. V dlhých prestávkach medzi závanmi je rýchlosť vetra pomerne rovnaká. Okolo obeda sa začínajú závany predlžovať, zvyšuje sa dostup termických prúdov a tým aj výška premiešavanej atmosféry. Čím lepšie sa povetrie premiešava, tým nižšie sa dostáva rýchlosť z vyšších vrstiev atmosféry (zväčšuje sa rozdiel rýchlostí) a to sa začína prejavovať aj v prestávkach medzi závanmi. To vidno na druhom obrázku.

Pohybujúci sa vzduch je nositeľom energie, ktorú možno z neho za určitých okolností získať. Ponechajme stranou stúpavé prúdenie v termike a pri svahovaní, a všimnime si prúdenie ktoré je výlučne vo vodorovnom smere. Najjednoduchší prípad je prúdenie bez zmeny rýchlosti na výške. To sú všetky prípady letu vo väčšej výške nad terénom (50 m), mimo svahu a mimo inverznej vrstvy (strih vetra). Už v základoch fyziky na strednej škole sa učí, že každá sústava ktorá sa pohybuje rovnomerne bez zrýchlenia je inerciálna a základné Newtonove zákony hovoria, že pohyb telesa v takejto pohybujúcej sa sústave je rovnocenný s pohybom telesa v sústave, ktorá je v kľude. V praxi to znamená, že je jedno, či je ovzdušie v kľude, alebo sa pohybuje rovnomerne, pretože na ZK pôsobia tie isté sily a vzhľadom k vzduchu sa pohybuje po tej istej dráhe. Samozrejme voči zemi je dráha iná, ale to nič nemení na fakte, že pri otočení ZK proti vetru, alebo po vetre, nedochádza k zväčšenému klesaniu, alebo stúpaniu, aj keď by sa to mohlo zdať. Pri zákrute o 180 , kedy ZK stál proti vetru, je potrebné klzáku udeliť nejakú energiu (viď obr.). Táto energia sa však nedodáva gravitačnými silami, na úkor straty výšky. Stačí si všimnúť že vztlak, ktorý normálne nekoná žiadnu prácu, pretože je kolmý na smer pohybu, je vzhľadom k zemskej sústave orientovaný tak, že pôsobí v smere letu. Takže vzhľadom k zemskej sústave je to vztlak, ktorý urýchľuje ZK po vetre. Je teda úplne rovnocenné posudzovať pohyb ZK v sústave zemskej, alebo vzdušnej, pretože sú inerciálne.