Zaostřeno na techniku: Vrtule

Nový rok přináší také nové věci! A kromě hromady zářivě nového vybavení, které si můžete užívat ve hře World of Warplanes v roce 2014, s potěšením představujeme novou řadu článků nazývaných „Zaostřeno na techniku“.

Chtěli jste vždycky vědět, jak letadlo ve skutečnosti funguje a létá, ale odradil vás komplexní letecký žargon a tuny matiky? V této příležitostné sérii článků vysvětlíme vše prostou mluvou a vy se během okamžiku stanete experty.

V prvním článku se podíváme na…

Vrtule!

Většina letadel ve hře World of Warplanes je poháněna vrtulemi. Až do vynálezu tryskového motoru ke konci 2. světové války byly vrtule skutečně jedinou technologií dostupnou k pohonu letounu.

Druhoválečné a starší vrtule byly velmi podobné dnes používaným vrtulím u lehkých letounů. Možná jste v jednom z nich někdy cestovali po Evropě:

Bombardier Dash 8 – cestovní turbovrtulový letoun se středním doletem používaný mnoha malými evropskými aerolinkami. Zdroj pohonu je jiný, ale vrtule zůstává prakticky stejná.

Princip vrtule, tentokrát ve formě lodního šroubu, představuje také základní způsob pohonu u lodí a člunů všech velikostí, od drobných rychlých člunů po obrovské bitevní lodě.

Není zcela jasné, kdy byla vrtule poprvé vynalezena. Různé variace na toto téma existovaly již od dob Archiméda (starověké Řecko, přibližně 250 př. n. l.). Navrhl konstrukci šroubového typu pro čerpání vody určené k zavlažování.

Archimédés si představoval, že by tento šroub sloužil jako prostředek pro čerpání vody z jednoho místa na druhé. Princip však funguje i opačně – zůstane-li voda v klidu, pohybovat se bude šroub. Tento princip lze snadno ukázat na známém nástroji pro domácnost – vývrtce.

Jakmile dojde k vyjmutí korkové zátky z láhve pomocí vývrtky, zůstane zaseklá na závitu. Zátku pevně přidržte a otáčejte rukojetí – bude se pohybovat samotná vývrtka a dojde k jejímu vyšroubování ze zátky. Nyní si představte, že vaše vývrtka představuje Archimédův šroub na obrázku a korek je voda. Pokud budeme považovat vodu za obří samostatný objekt (např. oceán), pak to bude šroub, který bude nucen se při otáčení pohybovat, a cokoliv je připevněno ke šroubu, se bude pohybovat s ním.

Zatímco Archimédés použil tento princip pouze u vody, koncept použití stejného nápadu pro let strojů ve vzduchu byl zvažován dalším slavným historickým myslitelem:

Gyrokoptéra Leonarda da Vinciho. Tento nákres pochází z 15. století. Je zde vidět podobnost s Archimédovým šroubem.

A jak se dostaneme od šroubu k vrtuli či lodnímu šroubu? Odpověď leží v zakřiveném tvaru lopatek.

Zakřivení lopatek napodobuje závity šroubu. Jak se šroub otáčí, zakřivení tlačí vodu směrem dozadu a vytváří „protikladnou a rovnající se“ dopřednou sílu působící na samotný šroub, která se nazývá tah – podobně jako u vývrtky. Tento tah způsobuje, že se předmět připevněný ke šroubu (nebo vrtuli) pohybuje dopředu.

První skutečné mechanické lodní šrouby se objevily na počátku 19. století. O sto let později, v roce 1903, bratři Wrightové využili a přizpůsobili tento princip pro pohyb letounu.

Možnost použití vrtule ke zdvihu letounu předpokládali již raní myslitelé a vynálezci jako da Vinci. Nicméně vztlakové síly vytváří u letadel tvar jejich křídel (nazývaný aerodynamický profil křídla), kterému se budeme věnovat v budoucím článku. Bratři Wrightové proto potřebovali vrtuli pouze k zajištění dopředného pohybu letounu, podobně jako u lodi. Výsledkem bylo, že jedním z hlavních úkolů navrhování prvního letounu bylo zjistit, jak převést uspořádání šroubu používaného pro lodě na vrtuli poskytující tah ve vzduchu.

Velmi zjednodušeně řečeno, voda i vzduch jsou z fyzikálního hlediska kapaliny. Jako plyn má vzduch mnohem nižší hustotu (poměr hmotnosti k objemu) než voda, a to výrazně ovlivňuje vlastnosti požadované vrtule. Bratři Wrightové si uvědomili, že aby vrtule poskytovala tah stejným způsobem jako lodní šroub, bylo nutné zvýšit rychlost jejího otáčení. Uvědomili si, že vrtule letadla se bude muset skládat z dlouhých tenkých lopatek, aby se mohla rychle prořezávat vzduchem, namísto krátkých širokých lopatek používaných k získání tahu ve vodě.

Typická vrtule letadla. Porovnejte ji s lodním šroubem výše. Jak je možné vidět, lopatky jsou dlouhé a úzké, lépe prorážejí vzduch a při vysokých otáčkách poskytují tah.

Také zakřivení lopatek je pečlivě navrženo. Zákrut lopatky je menší u špičky a zvětšuje se směrem ke středu. To zajišťuje, že je tah po celé lopatce rovnoměrný. Tento tvar je důležitý, protože během otáčení se špička lopatky pohybuje mnohem rychleji než její část u osy vrtule.

Výsledkem je, že vrtule pohání letadlo vpřed vzduchem. Jeho rychlost zcela závisí na konstrukci vrtule a výkonu motoru, který ji otáčí. První letoun bratří Wrightů letěl rychlostí pouhých 6,8 míle za hodinu (11 km/h) – přibližně rychlostí pomalého běhu člověka. O pouhých několik let později už letadla překračovala rychlost 100 mil v hodině (161 km/h) díky vylepšené konstrukci vrtule a motoru.   Turbovrtulové motory byly navrženy v 50. letech jako způsob kombinace proudového a vrtulového pohonu. U těchto typů motorů se proudový motor používá k otáčení vrtule namísto toho, aby energii vypouštěl ve formě proudu. Tyto motory mají mnohem vyšší efektivitu při nižších otáčkách, a proto jsou často používány u letounů s menším nebo středním doletem, například u letounu Dash 8 zmíněného nahoře. Základní princip fungování vrtule je však přesně stejný jako u starších variant se spalovacím motorem používaných v letadlech během 2. světové války. Během rané éry letectví (téměř až do konce 2. světové války) byly všechny motory standardního spalovacího typu a poháněné benzínem nebo naftou. Zavedení proudového motoru na konci 2. světové války velmi rychle způsobilo zastarání tradičních vrtulových motorů. Proudový motor vůbec nepoužívá vrtuli – tah je zajišťován proudem s vysokou energií vypuzovaným motorem. Přesto však vrtule zcela nevymizely.

Teď, když víte, jak to funguje…, můžete vyrazit a vzlétnout, piloti!