Twoja wyszukiwarka

KRZYSZTOF ERNST
LATAWCE
Wiedza i Życie nr 9/1999
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 9/1999

JESIENNE WIATRY SPRZYJAJĄ PUSZCZANIU LATAWCÓW. CO POWODUJE, ŻE MAJESTATYCZNIE UNOSZĄ SIĘ W POWIETRZU?

Rozrzucone po niebie latawce o różnych barwach i kształtach to niezapomniany widok dla obserwatora festiwali i konkursów organizowanych przez miłośników tej wspaniałej zabawy. Aby móc to piękne widowisko podziwiać, jego twórcy muszą spędzić wiele godzin na zaprojektowaniu i budowie latawca, a później opanować umiejętność poskramiania go w podniebnych lotach. Każdy z tych etapów jest równie ważny, każdy kryje w sobie poważne wyzwanie, każdy też dostarczyć może wielkiej przyjemności i satysfakcji. Nie brakuje zatem amatorów tej wspaniałej i pouczającej zabawy, zrzeszających się często w zorganizowane grupy, których wiele jest dzisiaj na całym świecie. Największa z nich, Amerykańskie Stowarzyszenie Miłośników Latawców, powstała w 1964 roku i liczy ponad 4 tys. członków (stronę internetową stowarzyszenia można zobaczyć pod adresem www.aka.kite.org).

Latawiec wydaje się urządzeniem bardzo prostym. Pozory jednak często mylą. Gdybyśmy zechcieli opisać przepływ strumienia powietrza wokół latawca, rządzący jego zachowaniem w czasie lotu, musielibyśmy odwołać się do skomplikowanych równań dynamiki płynów. Na szczęście, aby zrozumieć podstawowe reguły wznoszenia się i szybowania latawców, aż tak głęboka wiedza nie jest wcale potrzebna (ramka: Dlaczego latawiec lata? na s. 61).

Wiedzy tej, oczywiście, nie mieli Chińczycy, kiedy 2500 lat temu budowali pierwsze latawce. Nabywane z czasem doświadczenie pozwoliło im jednak umiejętnie się z nimi obchodzić i pożytecznie wykorzystywać. Co więcej, ówczesne konstrukcje zaskakują po dziś dzień rozwiązaniami spełniającymi wszelkie wymagania zasad aerodynamiki.

Poznanie zasad pozwalających latawcom unosić się w powietrzu nie wystarczy, aby poradzić sobie z kłopotami, których w trakcie lotu mogą nam one przysporzyć. Przyjrzyjmy się niektórym z nich. Najistotniejszy problem związany jest z zapewnieniem stabilności lotu. Rozróżniamy zazwyczaj trzy rodzaje niestabilności, polegające na wchodzeniu latawca w rotację wokół jednej z trzech wzajemnie prostopadłych osi. Rotacje te będziemy nazywać: obrotem - jeśli zachodzą wokół osi podłużnej latawca, kołysaniem - wokół jego osi poprzecznej i zbaczaniem - jeśli odbywają się wokół osi prostopadłej do płaszczyzny latawca (ryc. 1).

Ryc. 1. Rotacje latawca powodujące niestabilność

Ważnym elementem konstrukcyjnym, pozwalającym ograniczyć niepożądane obroty, jest symetryczny rozkład masy względem podłużnej osi latawca. Jest to związane z odpowiednim wyważeniem ramy stanowiącej najcięższy element konstrukcji. Inne działania polegają na zapewnieniu równomiernego rozkładu naprężeń na linkach, które przyczepione są jednym końcem do określonych punktów ramy latawca, a drugim zbiegają w miejscu ich połączenia z linką centralną. Linki te mają za zadanie ustawienie i utrzymywanie latawca pod odpowiednim kątem do kierunku wiatru. Im silniejszy wiatr, tym kąt ten powinien być większy. W niektórych rozwiązaniach linki połączone są za pomocą sprężyny lub gumy, które powodują automatycznie optymalne ustawienie kąta nachylenia latawca. W najnowocześniejszych modelach kąt natarcia można regulować również drogą radiową dzięki przymocowanym do nich bardzo lekkim odbiornikom.

Jednym z zabiegów eliminujących, a przynajmniej ograniczających, kołysanie latawca jest przyczepienie ogona. Ogon zwiększa stabilność, choć odbywa się to kosztem zmniejszenia siły nośnej. Może być on wykonany ze skrawków materiału, papieru lub folii plastikowej zawiązanych na lince. Stosowanym często rozwiązaniem jest połączenie w szereg plastikowych lub papierowych kubków z obciętym dnem. Latawce obciążone takimi ogonami są stabilniejsze i unoszą się wyżej. Doczepienie dwóch ogonów może znacząco ograniczyć niepożądane obroty.

Ryc. 4. Latawiec w kształcie czaszy

Latawce płaskie, o których mowa, są zazwyczaj mało stabilne. Daje się to szczególnie odczuć podczas silnych i nagłych porywów wiatru. Aby tego uniknąć, buduje się konstrukcje w kształcie czaszy skierowanej wklęsłą stroną do wiatru. Ryc. 4 przedstawia taki latawiec. Kiedy nagły poryw wiatru powoduje jego obrót, ustawienie zmienia się tak, że wyeksponowana na wiatr powierzchnia dąży do przywrócenia położenia początkowego. W takich latawcach można zrezygnować z ogona. W zamian wycina się niekiedy otwory w czaszy, które z jednej strony osłabiają siłę podmuchów, a z drugiej redukują powstające za latawcem szkodliwe zawirowania. Poprawa stabilności i tym razem uzyskana została kosztem zmniejszenia siły nośnej.

Ryc. 5. Latawiec przestrzenny i jego konstrukcja

Rodzajów i kształtów latawców może być dowolnie dużo, od najprostszych płaskich, najczęściej czworoboków, do niezwykle rozbudowanych konstrukcji przestrzennych (ryc. 5). Można też dzielić latawce na sportowe - szybkie, zwinne i odporne na przeciwności losu, a przeznaczone głównie do rywalizacji w konkursach; akrobatyczne - do wykonywania pętli, ósemek i innych ewolucji, dekoracyjne - cieszące oko swoim pięknem; wysokościowe - mające za zadanie wznieść się jak najwyżej; transportowe - potrafiące wynosić w górę np. termometry czy aparaty fotograficzne.

Warto wspomnieć, że przed 100 laty latawce były powszechnie używane przez służby meteorologiczne i służyły do wynoszenia różnego rodzaju instrumentów pomiarowych na znaczne wysokości. W tym okresie ustanowiono wiele imponujących rekordów, a niektóre z nich przetrwały do dzisiaj. W maju 1910 roku najwyższy z łańcucha 10. połączonych ze sobą latawców, z zamontowaną na nim aparaturą, wzniósł się na ponad 7300 m. Jego całkowita powierzchnia nośna wynosiła ponad 60 m2, a utrzymywano go na strunie fortepianowej o długości ponad
14 km. Jeszcze wyżej, bo na 9740 m, ale już bez obciążenia wzniósł się łańcuch złożony z 8. latawców. Ten wynik uzyskano w Niemczech w sierpniu 1919 roku. Rekord wysokości, na jaką wzniósł się pojedynczy latawiec, przetrwał natomiast od ponad 100 lat. W lutym 1898 roku latawiec stacji meteorologicznej w stanie Massachusetts (USA) wzniósł się na 3800 m.

Większość rekordów w najróżniejszych kategoriach ustanowiono jednak całkiem niedawno, bo w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych. Oto kilka z nich. Najdłuższy latawiec liczył sobie 1034 m długości, największy miał powierzchnię 553 m2, najszybszy osiągnął prędkość 193 km/h. Odnotowano lot trwający ponad 180 godz., zaś najdłuższy łańcuch, jaki uniósł się w powietrze, liczył 11 284 latawców umocowanych na jednej lince.

Osiągnięcie każdego z takich rekordów wymagało konstrukcji szczególnie sprzyjającej zamierzonemu celowi. Nie sposób wgłębiać się tutaj w szczegóły. Warto natomiast przedstawić rozwiązanie wskazujące na wspomnianą już wcześniej aerodynamiczną jedność latania i żeglowania. Różnicę między skrzydłem i żaglem można sprowadzić w zasadzie do tego, że jedno ma ustawienie zbliżone do poziomu, a drugie do pionu.

Ryc. 6. Latawiec żaglopodobny

Żaglopodobne rozwiązanie mające zwiększyć nośność latawca polegało na dodaniu w jego przedniej części dodatkowego i odpowiednio wyprofilowanego elementu. Pełnił on rolę analogiczną jak fok w dwużaglowej łodzi. Nie wnosząc samemu istotnego wkładu w napęd, fok powoduje znacznie efektywniejszy przepływ powietrza wokół żagla głównego. Wykorzystanie tego w konstrukcji latawca bardzo dobrze się sprawdziło. Przedstawiona jest ona schematycznie na ryc. 6, który dla uwypuklenia powyższej analogii opisany został za pomocą terminologii żeglarskiej. Na rysunku widać dwa umieszczone z przodu "fokopodobne" elementy zwiększające znacząco siłę nośną. Aby analogię między lataniem i żeglowaniem uczynić jeszcze bliższą, konstrukcja wyposażona jest również w kil, co na rysunku też zostało wyeksponowane.

Na przestrzeni tak długiej historii istnienia i ewolucji latawców zmieniała się oczywiście technologia ich wykonania. Przez długie lata ramy wykonywano z drzewa bambusowego, charakteryzującego się względną lekkością, wytrzymałością i podatnością na wyginanie. Później z powodzeniem stosowano listwy z drewna świerkowego, znakomicie sprawdzające się w prostych konstrukcjach do dzisiaj. Potem zaczęto używać listew i rurek z różnego rodzaju tworzyw sztucznych i rurek aluminiowych. Pokrycia pierwszych latawców wykonywano z liści bambusowych. Później zastąpiły je papier i rozmaite tkaniny, a w ostatnim okresie - cienkie folie z tworzyw sztucznych.

Opanowanie umiejętności puszczania latawców wymaga wielu prób i ćwiczeń. Już samo zmuszenie latawca do wzniesienia się w powietrze nie jest wcale łatwe, szczególnie przy słabym wietrze. Wtedy przydać może się pomoc drugiej osoby trzymającej latawiec i oddalonej o około 50 m. Jeśli naszym głównym celem jest uzyskanie maksymalnej wysokości, możemy zawsze połączyć latawce w łańcuchy. Kiedy pierwszy wzniesie się i "złapie" wiatr - do napiętej linki przyczepiamy drugi itd. Ograniczenie liczby latawców w łańcuchu wynika przede wszystkim ze skończonej wytrzymałości linki.

Puszczanie latawców wymaga przestrzegania pewnych reguł. Nie wolno tego robić w pobliżu lotnisk, w sąsiedztwie linii wysokiego napięcia i w czasie burzy. Badaniem wyładowań atmosferycznych za pomocą latawców zajmował się ponad 200 lat temu Benjamin Franklin. Świadom niebezpieczeństwa, doświadczenia swoje przeprowadzał nie w czasie burzy, lecz tuż przed jej nadejściem. Mimo to omal nie zginął wskutek porażenia. Mniej szczęścia mieli europejscy naśladowcy jego eksperymentów.

Wybierając teren na puszczanie latawca, należy zaopatrzyć się w solidne, skórzane rękawiczki chroniące dłonie przed poparzeniem lub przecięciem skóry przez mocno napiętą linkę.

Chcąc wysoko puszczać latawce, musimy użyć długich linek, które stanowią dodatkowe obciążenie. Czy może to istotnie powiększyć groźbę zerwania samej linki? Okazuje się, że w niewielkim stopniu, bowiem dla typowej linki przyczepianej do latawca ciężar 10-kilometrowego odcinka stanowi zaledwie kilka procent wartości maksymalnego napięcia, jakie możemy do niej przyłożyć, nie powodując jeszcze zerwania.

Na zakończenie pytanie związane właśnie z linką latawca: W którym miejscu najczęściej zrywają się linki utrzymujące latawce na dużej wysokości? Odpowiedź wymaga kilku chwil zastanowienia, a można ją znaleźć w ramce Dlaczego latawiec lata? na s. 61.

Prof. dr hab. KRZYSZTOF ERNST pracuje w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. W wydawnictwie Prószyński i S-ka ukaże się niebawem jego książka na temat roli fizyki w zabawach i różnego rodzaju rozrywce.