Sebastian Kawa: Dlaczego szybowiec lata?

Lot w powietrzu możliwy jest na dwa sposoby. Po pierwsze, w powietrzu mogą unosić się aerostaty, statki powietrzne które są lżejsze od powietrza jak balony i sterowce. Sama konstrukcja balonu lub sterowca może ważyć bardzo dużo ale wewnątrz znajduje się kilka tysięcy metrów sześciennych gazu lżejszego od powietrza.

Jeden metr sześcienny powietrza waży mniej więcej kilogram, więc po stworzeniu i wypełnieniu odpowiednio wielkiego pojemnika na lekki gaz cały balon i unoszony przez niego ładunek może ważyć wiele ton. Wystarczy jednak by był tylko kilka kilogramów lżejszy niż powietrze równe jego objętości i ta nadwyżka wyporu wystarczy by mógł się unosić w powietrzu. Podobnie jak piłka wykonana z gumy która sama w wodzie tonie a wypełniona powietrzem unosi się do góry.

Drugim sposobem unoszenia się w atmosferze jest spychanie powietrza w dół. Na tej zasadzie, dynamicznie oddziałując na powietrze poruszają się ptaki, szybowce, samoloty, lotnie, paralotnie, helikoptery, latawce, nasiona klonu i wiele innych „statków powietrznych”. Chociaż każde z nich robi to nieco inaczej jednak zasada jest podobna. Wszystkie zaopatrzone są w płat, który przesuwając się odpowiednio szybko kieruje w dół opływające go powietrze.

Jest jeszcze trzeci sposób, mniej popularny, który wykorzystują poduszkowce. Można przemieszczać się tuż nad ziemią na niewielkiej poduszce sprężanego pod pojazdem powietrza, ale nie można w ten sposób polecieć wysoko.

Aby lecieć stabilnie, nie przyspieszając opadania w kierunku ziemi, skrzydło musi wytworzyć taką siłę nośną, która równoważy siłę z jaka Ziemia przyciąga lecący pojazd. Szybowce poruszają się w powietrzu bez napędu, więc ciągle ślizgają się w dół względem otaczającego powietrza ale utrzymują stan równowagi między siłą ciążenia a siła nośną.


Dla zmniejszenia strat energii, czyli w tym wypadku wysokości, buduje się je tak aby wytwarzały jak najmniej oporów i wirów w powietrzu. Szybowce wyczynowe mają wysublimowane, opływowe kształty oraz długie i wąskie skrzydła. Przelatując z dużą prędkością na całej rozpiętości skrzydeł popychają powietrze w dół jedynie nieznacznie nie powodując dużych zawirowań. Ta finezja aerodynamiczna sprawia, że ważący pół tony szybowiec można by holować w powietrzu utrzymując linkę holowniczą jedną ręką, albo napędzać silnikiem o mocy kilku kW np. takim jak w większej kosiarce do trawy.

Inaczej zachowuje się w powietrzu np. helikopter, którego skrzydła – łopaty wirnika – też ciągle przemieszczają się w powietrzu, ale wirują wokół jednej osi i umożliwiają lot z bardzo małą prędkością lub zawis w miejscu. To powoduje jednak ogromne zawirowania i zużycie energii dostarczanej z setek litrów paliwa.

Dzięki swojej doskonałości aerodynamicznej szybowiec opada bardzo wolno względem powietrza tylko kilkadziesiąt centymetrów na sekundę jednocześnie lecąc w przód grubo ponad 100km/h. Ślizgając się pod niewielkim kątem zamienia wysokość na przelecianą odległość. Współczesne szybowce osiągają tzw. doskonałość nawet powyżej 1:60 co oznacza to, że z jednego kilometra wysokości w nieruchomym powietrzu mogą poszybować na odległość 60 kilometrów. Przelot szybowca to cykliczne nabieranie wysokości w prądach wznoszących i zamiana tej energii potencjalnej na odległość.

Samodzielne wznoszenie się i długotrwałe loty są możliwe tylko dzięki temu, że atmosfera nie jest nieruchoma i występują w niej prądy wstępujące. Powietrze cały czas jest wprawiane w ruch przez energię dostarczaną przez słońce, ciepłe morza i nagrzaną ziemię a nawet przez ruch obrotowy ziemi. Powstają poziome wiatry i pionowe ruchy powietrza, które umożliwiają szybownikom i ptakom nabieranie wysokości i pokonywanie setek a nawet tysięcy kilometrów. Najdogodniejsze warunki do latania występują nad potężnymi łańcuchami gór lub wypalonych słońcem , niedostępnych, terenach. Toteż szybownictwo często rozwija się tam, gdzie trudno spotkać najbardziej wytrwałych turystów.

Szybowiec bez użycia grama paliwa, korzystając jedynie z energii którą słońce przekazało Ziemi, może w sposób absolutnie czysty i bezszelestny pokonywać tysiące kilometrów, eksplorując naszą planetę.

Na szybowcach wzniesiono się już do stratosfery na 16 500 m wysokości, gdzie trzeba używać skafandrów kosmicznych by przeżyć w niskim ciśnieniu i mrozie, pokonano w ciągu jednego dnia dystans przekraczający 3000km a rekordowe prędkości średnie na trasach 500km osiągają ponad 300km/h. Wszystko to bez silnika przy wykorzystaniu jedynie sił natury, wiedzy i umiejętności pilota.

W atmosferze występuje wiele zjawisk powodujących pionowe ruchy powietrza, które są wykorzystywane do latania. Szybowce najczęściej wykorzystują prądy termiczne. W słoneczny dzień Ziemia pochłania energię z naszej najbliższej rodzimej gwiazdy i nagrzewa warstwę przylegającego do niej powietrza. Inaczej nagrzewa się goła skała, ciemne piaszczyste wrzosowisko a jeszcze inaczej podmokła łąka lub las. Powstają różnice temperatur. Powietrze jest dobrym izolatorem, więc nie przekazuje tego ciepła bezpośrednio w wyższe warstwy, natomiast zaczyna się unosić do góry niczym balon braci Montgoflier nagrzewany od spodu rozpalonym ogniskiem.


Gdy różnica temperatur jest wysoka i objętość nagrzanego powietrza odpowiednio duża powstają mocne prądy wstępujące zwane przez szybowników kominami. W miejsce wstępującego powietrza napływa chłodne z sąsiedztwa i stąd w pogodny, rześki dzień, pojawiają się porywy wiatru i czasem obserwujemy wiry porywające kurz, liście lub śmieci. Gigantyczne wydania takich zjawisk to burze i trąby powietrzne.

W naszym klimacie najczęściej prąd termiczny wznosi się z prędkością 3-5m/s, czyli kilka razy szybciej niż opada swobodnie lecący szybowiec. Dlatego wystarczy krążyć w takim kominie aby wznieść się na dużą wysokość – do podstawy a nawet w głąb kłębiastej chmury budującej się na szczycie prądu wznoszącego. Podobnie latają duże ptaki. Bociany w dogodnych warunkach przemieszczają się setki kilometrów prawie nie ruszając skrzydłami a ptaki drapieżne potrafią w ten sposób godzinami szybować w powierzy wypatrując nieostrożnego królika. Bociany znają się na aerodynamice, toteż dla zmniejszenia oporów w czasie lotu układają nogi wzdłuż ciała do tyłu, ale czasem, niczym starszy człowiek, machają to jedną to drugą czerwoną kończyną „by rozprostować kości”.

Innym zjawiskiem wykorzystywanym do unoszenia się w powietrzu od początków lotnictwa jest tzw. żagiel. Wiatr wiejący na górskie zbocze odchyla się ku górze aby ominąć przeszkodę. Gdyby zbocze było na pewnym odcinku pionowe wiatr musiał by wiać pionowo do góry. Wystarczy jeśli składowa takiego prądu wspinającego się po zboczu równoważy lub przewyższa prędkość opadania szybowca ,lotni, paralotni aby prymitywnym aparatem wzbić się w powietrze i latać na nawietrznej stronie góry dopóki nie ucichnie wiatr. Na tej zasadzie Wnęk, Lilienthal, Tański, bracia Wright i wielu innych pionierów lotnictwa torowali drogę swym następcom.

Wystarczyło zrobić parę kroków w dół zbocza by znaleźć prąd wznoszący i oderwać się od ziemi a nawet nabrać nieco wysokości. Z tego powodu latanie bezsilnikowe rozwijało się najpierw w górach. Pierwsze ośrodki szybowcowe powstawały na wierzchołkach dogodnie ukształtowanych grzbietów więc i oglądane z tej perspektywy lotów były bardzo widowiskowe. Szybowce stale były w zasięgu wzroku, można je było obserwować, niemal dotknąć w czasie lotu. Takim lotom na Wasserkuppe, w Ustianowej, Bezmiechowej, czy na Żarze zawsze towarzyszyła spora ilość widzów zwłaszcza, że drewniane konstrukcje łamały się często podczas lotów szkolnych.

Niestety latanie w prądach zboczowych, na żaglu, jest uzależnionym od ukształtowania terenu i lot kończy się krótko po tym jak lotnik oddali się od zbocza.

Jeśli wiatr jest silniejszy ruchy powietrza przenoszą się wysoko w atmosferę. Nad pasmami gór, a czasem nawet bez nich pojawiają się długie cienkie chmury wymodelowane wiatrem w kształt stojących w jednym miejscu soczewek. Są to oznaki fali, które powstają podobnie jak fale w wartkim strumieniu nad kamienistym dnem. Wiatr, który jest sprawcą tego zjawiska jest bardzo silny, czasami przekracza znacznie 100km/h. Na szczęście wieje wysoko nad ziemią i nie robi większych szkód.

Serfowanie na takich falach pozwala szybownikom osiągać bardzo duże wysokości i pokonywać olbrzymie odległości. Jest kilka miejsc na Ziemi w których fala występuje bardzo często dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu terenu i odpowiedniej szerokości geograficznej. W Polsce znanym i popularnym miejscem lotów falowych są Sudety, a na świecie Nowa Zelandia, Góry Skaliste i potężny łańcuch Andów.

Właśnie w Andach wykonuje się współcześnie najwspanialsze, rekordowe loty na szybowcach. Ogromny potencjał dla latania bezsilnikowego kryją niewątpliwie Himalaje ale względy polityczne uniemożliwiają odkrywanie tych terenów przez szybowników.


Szybownictwo pokonało drogę od prymitywnych lotni, przez konstrukcje kratownicowe do współczesnych bardzo dokładnie wykonanych modeli z kompozytów węglowych, które latają o wiele szybciej niż na przełomie 19 i 20 wieku. W miarę rozwoju cięższych szybowców nie można już było wziąć na plecy, tak jak robili to pionierzy ze swymi aparatami latającymi, toteż spychano je w dół na kołach lub wystrzeliwano jak z procy, używając do tego celu gumowych lin naprężanych przez ludzi. Współczesne wyczynowe szybowce obciążone balastem nie mogą zwolnić poniżej 100km/h i nawet taki start byłby trudny do wykonania. Potrzeba było znaleźć inne sposoby wynoszenia szybowców w powietrze.

Z biegiem lat zaczęto latać nad terenami równinnymi ale aby na nizinach móc wykorzystać prądy wznoszące, trzeba wznieść się na na kilkaset metrów w powietrze. Wykorzystywano do tego celu samochody ciągnące szybowiec na linie. Potrzeba było do tego dużych równych pól, więc z czasem samochód stawiono na drewnianych kołkach a linkę nawijano na koło bez opony. Wreszcie powstały specjalne wyciągarki w których lina nawijana jest szybko na duży bęben i taki sposób startu, za wyciągarką, stosuje się bardzo często podczas szkolenia lotniczego.

Do startu wykorzystuje się również hol za samolotem. Jest to wygodne bo pozwala umieścić szybowiec w dobrych wznoszeniach nawet daleko od lotniska, a z drugiej strony nie każde lotnisko jest odpowiednio długie by start za wyciągarka dawał zadowalającą wysokość.

Motoszybowce są wyposażone w silnik umożliwiający samodzielny start, a następnie na lot z wyłączonym napędem. Po uzyskaniu odpowiedniej wysokości silnik chowa się do kadłuba razem ze śmigłem. Częściej jednak w wyczynowych szybowcach montuje się lżejsze urządzenia, które umożliwiają jedynie powrót na lotnisko w razie utraty wysokości. Chroni to przed lądowaniem w nieznanym terenie i długotrwałym transportem zdemontowanego szybowca w specjalnej przyczepie. W szybowcach montuje się silniki spalinowe, elektryczne, a czasem nawet wykorzystuje się małe silniki odrzutowe z modeli latających.