Friday, 23 September 2011

Ihmisen lentotaidottomuudesta, osa I



Poikkitieteen traditioon kuuluu, että poikkitieteellisessä mielessä tehtyihin kysymyksiin vastataan samassa hengessä, eli savolaisittain siirtäen vastuun lukijalle.

Jouko Koskinen kommentoi lintujen lentämiseen liittyvää juttuani myös seuraavalla kysymyksellä.

”Mutta sitten vielä ihan toinen juttu, ihmisen lentotaidottomuus.

Ihmisen vaipan rajaama tilavuus on massaltaan liki kilon litraa kohti, ilman tilavuuspaino on jotain ylen vähäistä siihen nähden. Mutta linnun, liitävän tai räpyttelevän (tai sukkulana syöksyvänkin) vaipan rajaama tilavuus lienee massaltaan ehkä vain neljänneskilon litraa kohti? (Linnun vaipalla tarkoitan sulkien ulkopinnan muodostamaa vaippaa, jonka sisällä, mutta paljon pintaa syvemmällä, alkaa iho.)

Mikä siis olisi se kaasumainen aine Å, jonka tilavuuspainon suhde ihmisen tilavuuspainoon olisi jotakuinkin sama kuin linnun tilavuuspainon suhde ilman tilavuuspainoon? Eli minkälaista mahtaisi olla Å:ssa räpyttely? Vedessä räpyttelyn eli uinnin osaamme. Ilmassa räpyttely on aika joutavanpäiväistä hommaa, väsy tulee kai enemmän ”massan hitauden” voittamisesta kuin ilman vastuksesta. En tarkoita, että ihminen osaisi Å:ssa lentää, mutta saisi ehkä lintumaisemman kuvan väliaineesta.”

Radio Jeravania vapaasti siteeraten tätä meiltä siis kysyy Jouko Koskinen ja me vastaamme.

Kysymys koskee ymmärtääkseni sitä, olisiko lentäminen jotenkin helpompaa painavammassa kaasussa? Oletetaan , että meillä olisi todella iso avonainen tynnyri, jossa olisi ilman sijasta hiilidioksidia ja jossa jokin siivellinen otus yrittää siivillään räpytellen pysyä ilmassa kuin kolibri mettä imiessään. Mikä muuttuisi fysiikan kannalta? Fysiologiset vaikutukset jätetään huomioimatta.

Hiilidioksidin molekyylipaino on 44, kun ilmalla se on 29. Hiilidioksidi on siis noin 50% raskaampaa kuin ilma. Molemmissa tilanteissa ilman hydrostaattisesta paineesta aiheutuva noste on niin vähäinen, että sillä ei ole ilmassa ”kellumisen” suhteen mitään merkitystä.Joten paikoillaan pysyvä nostovoima on saatava aikaan pelkästään siipien räpyttelyllä.

Nostovoiman on oltava yhtä suuri kuin lentävän otuksen paino. Joten siipien iskiessä ilmaa alaspäin lentäjään kohdistuvan impulssin pitää kumota maan vetovoiman alaspäin vetävä vaikutus. Tarkastellaan yksinkertaisuuden vuoksi tilannetta kahdessa kaasussa, joista toisen molekyylit ovat kaksi kertaa niin painavia kuin toiset. Koska lentjä pysyy paikoillaan, impulssin aiheuttama liikemäärän muutos kohdistuu vain kaasumolekyyleihin.






Jotta kevyemmässä kaasussa lentäjä saisi kehitettyä saman ilmassa pitävän voiman, hänen tai sen on lyötävä kaasumolekyylejä alaspäin kaksi kertaa niin suurella nopeudella kuin raskaammassa kaasussa paikollaan lentäessään. Mitä tästä seuraa?

Kun tarkastellaan lisänopeutta saaneiden molekyylien liike-energioita


 



niin havaitaan raskaamman kaasun molekyylien saaneen vain puolet siitä liike-energiasta, minkä kevyemmän kaasun molekyylit ovat saaneet. Luonnollinen johtopäätös tästä on se, että lentäminen kevyemmässä kaasussa vaatii enemmän energiaa ja on siis raskaampaa. 

Kun siirrytään paikallaan lennosta etenevään lentoon, niin tilanne muuttuu paljon monimutkaisemmaksi. Mutta siitä lisää hieman myöhemmin.

Tämän lisäksi Jouko aprikoi linnun ”vaipan” olevan tiheydeltään vain neljänneksen ihmisen ”vaippaan” verrattuna. Koska linnun vaippa ei ole mikään ilmatiivis kuori, niin silläkään ei ole oleellista merkitystä hydrostaattisen nosteen kannalta. Noste on linnun syrjäyttämän ilmamäärän paino ja tähän syrjäytettyyn ilmaan ei lasketa höyhenten sisällä olevaa ilmaa.

Pitää siirtyä paljon ilmaa raskaampaan väliaineeseen, jotta hydrostaattisella nosteella olisi merkitystä. Siis veteen. Nyt ”vaipalla” onkin merkitystä, sillä varsinkin vesilintujen höyhenpeitteet ovat vettä pitäviä ja veden noste riippuu siis vaipan suuruudesta.

Esimerkiksi sorsa ui selvästi yli puolet ruumiistaan veden yläpuolella, josta voidaan päätellä sen ”vaipan” tiheyden olevan alle 0,5 kg/dm^3. Vedessä sorsa onkin niin kevyt, että sillä on vaikeuksia sukeltaa uppeluksiin, joutsenelle se taitaa olla tyystin mahdotonta. Ne kuuluvatkin puolisukeltajiin, toisin kuin vaikka kuikka, joka on monesti enemmän veden alla kuin päällä. Kuikan uidessa pinnalla sen ruumiista selvästi yli puolet on pinnan alla. 



 Sukeltajalintu kuikan "vaipan" tiheys on suurempi kuin puolisukeltajien. Siksi se ui syvemmällä kuin sorsa tai joutsen. 

 Lokki on erityisen keveä vedessä, sen "vaippatiheys"  tai "tilavuuspaino" lienee lähellä Joukon mainitsemaa 25% ihmisen tiheyttä.  Keveydestään johtuen lokki ei kykene sukeltamaan ja siltä jää monet pinnan olevat herkut noukkimatta. 

Vettä raskaampien otusten täytyy itse asiassa ”lentää” vedessä, vaikka sitä uimiseksi kutsutaankin. Esimerkiksi uimarakottomat hait joutuvat uimaan koko ajan, koska muuten ne vettä raskaampina painuisivat pohjaan. (Tästä on muutama hailaji poikkeuksena, ne laskeutuvat välistä pohjaan lepäämään. Tämä vain toim. huom., koska muuten jokin poikkipoikkitieteilijä kommentoisi tätä.) Hain evät toimivat siipinä, joilla se saa aikaan samanlaisen nostovoiman kuin lentokone, jota hai toimintaperiaatteensa puolesta enemmän muistuttaa kuin lintuja. Linnuilla siivet ovat sekä nosto- että työntövoiman lähde, hailla työntövoima tulee perämoottorista. Siis pyrstöstä.


Joten osaa se ihminenkin lentää, kun vain valitaan sopiva väliaine.

Jatkoa seura, pysykää kanavalla...

3 comments:

  1. Juha Vastarannankiiski23 September 2011 at 21:34

    Noste ja nostovoima menevät kyllä nyt niin iloisesti sekaisin, että pahaa tekee. Tilavuuspaino, jolla kaiketi tarkoitetaan tiheyttä, määrää toki nosteen, mutta nostovoima on eri juttu. Pyytäisin tekemään termien välillä selvän eron.

    Ihminenkin lentää, esim. lepakkopuvulla, netistä löytyy villejä videoita, joissa hullunrohkeat lepakkomiehet kiitävät alas vuoreninteitä lepakkopuvuissaan kuolemaa halveksuvilla turvamarginaaleilla. Kyse on nopeudesta. Nostovoimaa syntyy, kun ilmamassa virtaa siiven ympäri, ja nostovoima tietyllä kohtauskulmalla ja siipiprofiililla riippuu massavirran nopeudesta ja on verrannollinen nopeuden toiseen potenssiin. Nostovoima ei riipu lainkaan lentävän kapistuksen tiheydestä, noste riippuu. Nostovoiman tehtävä on kumota painovoima, ja lepakkopuvussa kiitävän ihmisen lepakkopuku riittää siihen hyvin, kunhan nopeus on tarpeeksi suuri. Nopeuden saamiseksi joudutaan liukumaan alaspäin, ja tuon alaspäin liukumisen tehtävänä on muuttaa potentiaalienergia työntövoimaksi, jolla päästään tasapainoon ilmanvastuksen kanssa, joka syntyy ilman virtaamisesta lepakkomiehen ympärillä. Nostovoimaa toki tarvitaan sitä enemmän, mitä enemmän lepakkomes painaa, mutta lepakkomiehen tiheys on melko yhdentekevää, hänen pituuttaan ja sen myötä tilavuuttaan voitaisiin kasvattaa hyvin ilman, että ilmanvastus ja sen myötä työntövoiman tarve muuttuisi ollenkaan samassa suhteessa, vaikka tiheys muuttuisikin. Tarvittaisiin edelleen ihan sama määrä nostovoimaa, vaikka tiheys olisi eri, tarvittavan nostovoiman määrää paino, ei tiheys.

    Älköön siis sotkettako nostetta ja nostovoimaa, ne ovat ihan eri asioita.

    ReplyDelete
  2. Juha Vastarannankiiski23 September 2011 at 21:43

    Ja vielä tuosta nosteesta ja nostovoimasta. Noste riippuu ympäröivän aineen tiheydestä ja siinä olevan kappaleen tiheydestä. Jos noste määräisi jotenkin merkittävästi ilmaa raskaamman ilmailijan lentämistä, lentokoneiden kannattaisi lentää troposfäärin alaosassa, jossa ilma on tiheintä. Taloudellista etenemistä tavoittelevat lentokoneet pyrkivät kuitenkin stratosfääriin tai vähintään troposfäärin yläosaan juuri siksi, että ilma on siellä vähemmän tiheää. Noste siis pienenee, mutta sillä ei ole ns. hevon humpan merkitystä. Merkitystä on sillä, että ilmanvastus pienenee, kun ilma on ohuempaa. Ilmanvastuksen pieneneminen tekee etenemisen taloudellisemmaksi.

    ReplyDelete
  3. Yritin itse selittää tässä jutussa (nähtävästi huonolla menestyksellä), että nosteella ja samalla ilman tiheydellä ei ole kovin suurta merkitystä lintujen ja lentokoneiden lentämiseen tarvittavan nostovoiman kannalta. Vaan niinpä lipsahti itseltänikin kerran noste, kun piti kirjoittaa nostovoima. Korjasin sen, joten yllä olevia kommentteja luettaessa on syytä huomioida tämä.

    Lentokoneita ja lintuja yhdistää se, että molemmilla on sekä optimilentokorkeus että -nopeus, jolla ne lentävät pitkiä matkoja. Muuttolinnut ovat oppineet sen miljoonien vuosien evoluution avulla, ihminen tarvitsee siihen aika mutkikkaita aerodynamiikan kaavoja. En ole lentokoneinsinööri enkä muutenkaan aerodynamiikan erikoistuntija, joten käsittelen asiaa aika yleisellä, sanoisinko poikkitieteellisellä tasolla.

    Kaikki asialliset kommentit ovat jatkossakin tervetulleita. Mieluusti korjailen juttuja niiden saamani palautteen pohjalta.

    ReplyDelete