Zbliżenie na technikę: śmigła

Nowy rok oznacza wiele nowości! Wśród nich znajdzie się mnóstwo zabawek, które zapewnią Wam móstwo rozrywki w World of Warplanes przez cały 2014 rok. Planujemy także nową serię artykułów pod tytułem „Zbliżenie na technikę”.

Chcieliście się kiedyś dowiedzieć, na jakiej zasadzie działa i lata samolot, ale odstraszał Was skomplikowany żargon i mnóstwo równań? W tej serii postaramy się wyjaśnić Wam zasady prostym językiem, abyście w mig stali się ekspertami!

W dzisiejszym artykule omówimy…

Śmigła!

Większość samolotów w World of Warplanes jest napędzana śmigłami. Aż do momentu wynalezienia silnika odrzutowego pod koniec II wojny światowej, śmigła stanowiły jedyną metodę napędu dla samolotów.

Śmigła z czasów II wojny światowej i wcześniejszego okresu prawie nie różnią się od śmigieł stosowanych we współczesnych lekkich samolotach. Być może zdarzyło Wam się podróżować po Europie w podobnej maszynie:

Bombardier Dash 8 – turbośmigłowy samolot pasażerski średniego zasięgu wykorzystywany przez wiele małych linii lotniczych w Europie. Mimo innego napędu śmigło jest prawie identyczne.

Na podobnej zasadzie działają też śruby statków – począwszy od niewielkich motorówek aż po ogromne pancerniki.

Nie wiadomo do końca, kiedy wynaleziono pierwszą śrubę. Różne warianty tego pomysłu istniały w Grecji już w czasach Archimedesa ok. 250 r. p.n.e. Jego pomysł polegał wykorzystaniu śruby do pobierania wody i nawadniania.

Zgodnie z projektem Archimedesa śruba miała służyć do przenoszenia wody w inne miejsce. Zasada ta działa też w drugą stronę – jeśli woda pozostanie nieruchoma, to obracająca się śruba zacznie się przesuwać. Można to zademonstrować za pomocą znanego urządzenia domowego – korkociągu!

Wyjęty z butelki korek pozostaje na korkociągu. Jeżeli przytrzymamy korek i obrócimy rączkę, korkociąg będzie się poruszał w miarę wykręcania z korka. Teraz wyobraźcie sobie, że korkociąg to śruba Archimedesa na obrazku, a korek to woda. Jeżeli uznamy wodę za olbrzymi, nieruchomy obiekt (np. ocean), obracająca się śruba będzie poruszać się względem niego, a wraz z nią wszystkie przyczepione do niej przedmioty.

Archimedes wykorzystał tę zasadę tylko do wody, ale nad zastosowaniem jej do lotu zastanawiał się inny wielki myśliciel:

Wiropłat projektu Leonarda da Vinci. Szkic pochodzi z XV wieku. Wyraźnie widać podobieństwo do śruby Archimedesa.

Jak więc zmienić śrubę w śmigło? Odpowiedź tkwi w zakrzywionych powierzchniach łopat.

Zakrzywienie łopat odpowiada gwintom na śrubie. Podczas obrotu śruby krzywizna wypycha wodę do tyłu, wytwarzając na śrubie siłę o takiej samej wartości i przeciwnym zwrocie. W ten sposób powstaje ciąg – tak jak w korkociągu. Właśnie ciąg sprawia, że obiekt przymocowany do śruby rusza się do przodu.

Pierwsze mechaniczne śruby okrętowe z prawdziwego zdarzenia powstały na początku XIX wieku. Sto lat później, w 1903 roku, bracia Wright pracowali nad zastosowaniem tej samej zasady do napędzania samolotu.

Wcześni myśliciele, tacy jak Leonardo da Vinci, zakładali wykorzystanie śmigła do wzniesienia maszyny latającej nad ziemię. W przypadku samolotów siła nośna jest wytwarzana przez układ skrzydeł (zwany stałopłatem). Omówimy ten temat w jednym z kolejnych artykułów. Bracia Wright potrzebowali śmigła jedynie do wytworzenia ruchu w poziomie, tak jak w przypadku statku. Z tego powodu jednym z pierwszych wyzwań przy projektowaniu pierwszego samolotu było takie zmodyfikowanie konstrukcji śruby, by zapewniała ciąg podczas ruchu w powietrzu.

Mówiąc podstawowym językiem fizyki, woda i powietrze są płynami. Powietrze jest mieszaniną gazów, więc w porównaniu z wodą jest zdecydowanie mniej gęste, co znacznie wpływa na właściwości śmigła. Bracia Wright zdawali sobie sprawę z tego, że różnica między działaniem śruby i śmigła polega na prędkości obrotu. Doszli oni do wniosku, że śmigło musi składać się z długich, cienkich łopat, które będą przecinać powietrze z dużą prędkością w odróżnieniu od szerokich, krótkich łopat śrub służących do wypychania wody.

Typowe śmigło. Porównajcie jego konstrukcję ze śrubą przedstawioną powyżej. Wyraźnie widać długie i wąskie łopaty, które łatwiej przecinają powietrze i zapewniają większy ciąg przy dużej prędkości.

Krzywizna łopat została także dokładnie wyznaczona. Skręt łopaty jest niewielki na końcu, ale pogłębia się w kierunku środka. Dzięki temu siła ciągu jest równa na całej długości łopaty. Ma to znaczenie, ponieważ obracający się czubek porusza się dużo szybciej od piasty.

Tak zaprojektowane śmigło wytwarza ciąg, który wprawia samolot w ruch. Prędkość zależy od konstrukcji śmigła i mocy napędzającego je silnika. Pierwszy samolot braci Wright rozwinął prędkość zaledwie 11 km/h – równie szybko porusza się człowiek podczas spokojnego biegu. Jednak dzięki usprawnionej konstrukcji śmigieł i silnika już kilka lat później samoloty rozwijały prędkość ponad 161 km/h.   W latach 50. XX wieku opracowano silniki turbośmigłowe, w których połączono technologię turboodrzutową ze śmigłami. Silniki tego typu nie wydzielają strumienia energii, lecz służą do napędzania śmigła. Są dużo wydajniejsze przy niskiej prędkości, więc wykorzystuje się je często w niewielkich samolotach krótko- i średniodystansowych, takich jak przedstawiony na początku tej strony Dash 8. Mimo to podstawowy sposób działania śmigła nie różni się niczym od modeli napędzanych silnikami spalinowymi, które były na wyposażeniu samolotów przedstawionych w World of Warplanes. We wczesnych latach lotnictwa (niemal do samego końca II wojny światowej) śmigła były napędzane standardowymi silnikami spalinowymi – zarówno benzynowymi, jak i dieslami. Po opracowaniu silnika odrzutowego pod koniec II wojny światowej tradycyjne silniki śmigłowe stały się przestarzałe. Silnik odrzutowy w ogóle nie wykorzystuje śmigła – siła ciągu powstaje w wyniku wydzielania przez silnik wysokoenergetycznego strumienia odrzutowego. Mimo tego śmigło nie zniknęło na zawsze.

Teraz już wiecie, jak to działa… Piloci, wzbijcie się w przestworza!