כח העילוי – או איך המטוס מחזיק באוויר

מטוס ענק שמשקלו יכול להגיע לארבע מאות טונות נוסע במהירות על מסלול ההמראה, ולקראת סופו, הדבר הגדול הזה מתנתק מהקרקע וממריא לאוויר. אני מודה שהנס הזה, שקורה פעם אחר פעם, פשוט ממלא אותי בהשתאות והתפעלות. שיא של יכולות טכנולוגיות ולא מעט תחכום והעזה, שלא לדבר על מעט חוצפה, הביאו את האנושות ליכולת כזו, וכל זה בגלל תופעה שנקראת כח העילוי או בפשטות – העילוי.
אלא שאת אלו שעבורם טיסה היא אתגר (או סיוט) העניין מביא למקומות אחרים.
ד׳ השתתפה באחת הסדנאות ״לטוס ללא פחד״ והשאלה שאותה חזרה ושאלה הייתה: ״אבל למה המטוס לא נופל מהשמים, מה מחזיק אותו?״
אז עבור ד׳ וכל אלו שחוסר הידיעה הזה פוגע ביכולתם להנות מטיסה כתבתי את המאמר הזה.

לאחר שהשלד נכתב, פניתי לחכמת ההמונים וביקשתי תוספות והערות, אלו שולבו בכתוב – תודה למשתתפים ולתורמים, והנה זה בא:

כח העילוי – היסטוריה

עוד מימי קדם שאף האדם להגביה עוף (״כי אדם לעמל יולד ובני רשף יגבירו עוף״, איוב), ואפילו במיתולוגיה היוונית הופיע סיפור על איקרוס ודדלוס ששאפו להמריא והתרסקו. פתרונות תעופה קלים מהאוויר כמו כדור פורח הופיעו כבר ב 1783, כאשר האחים מונגולפייה מצרפת הבינו שכל גוף שיהיה קל מהאוויר פשוט ״יצוף״ מעלה, כמו ששמן שהוא קל ממים יצוף.

לקח עוד כמאה שנה, עד שמהנדס גרמני (ממוצא יהודי כמובן) בשם אוטו לילינטל הבין, בעיקר על ידי התבוננות במעופן של ציפורים, את עיקרון הכנף הקמורה, ובנה דאון. למרבה הצער, בניסוי הטיסה הראשון שלו עם דאון כזה, ב 1896 הוא נהרג.
שלוש שנים אחר כך העיפו בארצות הברית האחים ווילבור ואורוויל רייט את העפיפון הראשון שהיה בנוי על עיקרון הכנף. לקח להם עוד ארבע שנים עד שבשנת 1903 הם ביצעו את הטיסה הראשונה של אדם על כלי טייס כבד מהאוויר.
אגב: באותה התקופה בדיוק, בצפון מדינת ניו יורק עסק באותה פעילות ממש אופנוען ובונה אופנועים צעיר בשם גלן קרטיס (מי זוכר אופנועי קרטיס?). בביקורי במוזיאון גלן קרטיס בעיר הולדתו המונדספורט במדינת ניו יורק, שמעתי טענה שהוא הקדים את האחים רייט, אבל בגלל יחסי ציבור פחות מפותחים הם נכנסו לפנתיאון התעופה כחלוצי הטיסה והוא לא. בהמשך הם חברו יחדיו וחברת קרטיס-רייט הייתה יצרן מנועים ידוע.
בסרטון טיסה שערכנו (עם ישראל רוט וגדי נמט) לשחזור טיסתו ההסטורית של גלן קרטיס. מאה שנים אחרי.

קרטיס היה ממציא גדול. הוא שיכלל את עקרונות ניהוג המטוס (המציא את המאזנות), היה הראשון לטוס טיסת מרחב (הוא טס מהעיר אולבני למנהטן) ובנה את המטוס הימי הראשון בעולם.
העיקרון שעל פיו טסים מטוסים ומסוקים מאז ועד היום הוא שעל פני כנפי המטוס נוצר כח שווה למשקל המטוס (או גדול ממנו) וכך המטוס שומר על הגובה שלו, או מטפס. כח זה נקרא כח העילוי.

כח העילוי – קווים לדמותו

בפיסקה זו אסביר כיצד נוצר כח העילוי. יש מספר דרכים להסביר את התופעה, ואשתמש בשתיים: האחת אינטואיטיבית והשניה יותר פיזיקלית. להעמקה אפשר לחפור ברשת, ויקיפדיה זה מקום טוב להתחיל בו.
אבל לפני שנתחיל בהסברים חשוב להבין משהו מרכזי: האוויר הוא חומר. כשאומרים על מישהו שהתייחסו אליו ״כמו אוויר״ מנסים להגיד שהאוויר בעצם אינו ממשי. אז נסו לעמוד ברוח פרצים בחוץ ותרגישו שהאוויר הוא ממשי מאד. ראו איך טחנות רוח מסתובבות בגלל משב האוויר (אגב, בדיוק על פי אותו עיקרון כמו כנפי המטוס) שלא לדבר על נזקי סופה שאותם אנו חווים בחורף, ותסכימו איתי שהאוויר הוא ממשי, אפילו מאד.
ההסבר האינטואיטיבי להיווצרות כח העילוי: אנחנו נוסעים במכונית במהירות גבוהה ומוציאים יד (בזהירות כמובן) דרך החלון. משב הרוח דוחף את היד שלנו לאחור, אמרנו כבר שהאוויר הוא לגמרי ממשי. עכשיו נמקם את כף היד שלנו במקביל לקרקע, כך שהיא תהיה כמו כנף של מטוס. כאשר נשחק עם כיוון ה״כנף״ שיצרנו עכשיו נרגיש איך כל היד שלנו עולה או יורדת בהתאם לזווית כף היד מול הרוח. זה קורה על כף היד שלנו ב 80 קמ"ש… מה דעתכם על 800 קמ"ש? ועל כנף עם הרבה מאד שטח! המון כח נוצר שם!

הסבר פשטני אבל לא רע הוא, שהאוויר שנתקל בכף היד שלנו משנה את כיוונו כלפי מטה ובדרך דוחף את היד כלפי מעלה.
הסבר פשטני אחר הוא שהאוויר מתחת לכף היד שלנו כשהיא מוטה כלפי מעלה, נדחס יותר מזה שמעל כף היד, והלחץ הגבוה מלמטה גורם לכח העילוי.
הסבר מתחום השחייה: כאשר אנחנו שוחים אנחנו דוחפים מים לאחור וכך מתקדמים קדימה. בטיסה אנחנו דוחפים אוויר (זוכרים שהוא חומר?) כלפי מטה ולכן מיצרים כח כלפי מעלה.

ידידי הקברניט ד"ר עובד דהרי שגם מגיב בתחתית המאמר הסביר לי שהאוויר, למרות שהוא שקוף, הוא בעצם מוחשי מאד, ואנחנו כל הזמן "שוחים" באוקייאנוס של אוויר. אם כך הדבר אז נכון להסתכל על סירת מרוץ במים.  העילוי על סירת מרוץ חזק הרבה יותר, אפילו אם הפיזיקה שונה קצת, ואנחנו ממש רואים את התווך (מים), וקל יותר להבין את ה״נס״ שבו מעל מהירות מסוימת הסירה עולה מעל המים. אם נשליך מזה על האויר נבין שאנחנו נעים כל הזמן באוקיאנוס של חומר, ואין חשש שפתאום הוא ״יישמט לנו מתחת לכנפיים״.

כל אלו היו הסברים נכונים אבל לא מדוייקים לתופעת כח העילוי. ועכשיו ניגש להסבר פיזיקאלי לאותה התופעה, ורק אציין שיש הסברים מוסמכים ומסובכים ממנו…

כח העילוי – ההסבר הפיזיקאלי, גירסה למתחילים

נתחיל מלהכיר את עיקרון ונטורי שבמילים פשוטות אומר שככל שהמהירות של גז גבוהה יותר, אזי הלחץ הסטטי נמוך יותר. רוצים דוגמאות?

דוגמא ראשונה:

אנחנו עדיין במכונית, נוסעים במהירות. שימו לב שכאשר פותחים חלון והרוח נושבת כמובן לאורכו של החלון, יש סיכוי שדברים יישאבו החוצה. זאת בגלל שמהירות האוויר מחוץ לחלון גבוהה יחסית למהירות האוויר בתוך המכונית וחלקן נוצר לחץ נמוך השואב דברים החוצה.

המבוגרים שביננו אולי זוכרים את ה״פליט״ שהיה מכשיר לריסוס ועבד בדיוק על עיקרון זה.

דוגמא שניה:

קחו שני דפי נייר והחזיקו אותם בחלק העליון כשהם תלויים במרחק 2-3 סנטימטרים זה מזה. עכשיו נשפו אוויר בין שני דפי הנייר ואם עשיתם את זה נכון, תראו ששני הדפים נצמדים זה לזה בגלל הלחץ הנמוך שיצרתם בין שני הדפים.
אז סיכמנו שבמקום בו אוויר זורם במהירות הלחץ הסטטי בו נמוך.
עכשיו נסתכל באיור שמראה כנף שעוברת דרך גוש האוויר. ברור שבדרכה של הכנף הזו היא ״חותכת״ את גוש האוויר כאשר חלק מהאוויר עובר מעל לכנף, וחלק מתחת. מיד שהכנף עברה, האוויר מתאחד שוב, אלא שבגלל שהאוויר שעבר מעל לכנף עושה דרך ארוכה יותר בגלל מבנה הכנף הקמור, אז הלחץ הסטטי שנוצר מעל הכנף קטן יותר מהלחץ שמתחת.

הסבר נחמד וקצת הומוריסטי מצא לנו יגאל בוצ'יאן ידידי מינקות (ממש, לא פחות!!!):

בעצם נוצר לחץ מלמטה אשר דוחף את הכנף כלפי מעלה. כח העילוי.
עוצמתו של כח העילוי תלויה בארבעה גורמים:
צפיפות האוויר. ככל שהאוויר צפוף יותר (גובה נמוך יותר) הכח גדול יותר
מהירות הטיסה: גם היא תורמת לעוצמת כח העילוי, ולאלו המהדרין, אפילו ביחס ריבועי. הכפלת המהירות פי 2 מכפילה את העילוי פי 4
שטח הכנף: ככל שנבנה כנף גדולה יותר, כך נקבל יותר עילוי.
הזוית שבין הכנף לכיוון הטיסה: זווית זו נקראת זווית התקפה וככל שנגדיל אותה, עד גבול מסויים (שנקרא זווית הזדקרות) נקבל יותר עילוי.

לסיכום העניין

יש דרכים רבות להסביר את אותה התופעה, וכולן בעצם מתנקזות לכך שמהירות המטוס מאפשרת לכנפיים לייצר כוח עילוי. ככל שהמהירות גבוהה יותר, כך הכח שנוצר גדול יותר.
כשכח העילוי גדול מהמשקל – המטוס יעלה, כשהוא קטן ממשק המטוס – ננמיך.

מוזמנים להוסיף הערות כאן למטה ותודה לתורמים לדיון.