Kartka papieru w strumieniu powietrza nie odlatuje, lecz przyciąga do strumienia. Ten sam efekt utrzymuje 400-tonowe samoloty w powietrzu.

Co nam będzie potrzebne?

Jak wykonać doświadczenie?

Eksperyment 1 – przyciąganie do strumienia: Chwyć kartkę A4 za jeden krótszy bok i przyłóż ją do ust tuż pod dolną wargą – kartka powinna zwisać poziomo w dół. Teraz dmuchnij mocno wzdłuż górnej powierzchni kartki, równolegle do jej płaszczyzny. Zamiast odlecieć – kartka unosi się ku górze, przyciągana do strumienia powietrza.

Eksperyment 2 – model skrzydła: Przygotuj profil lotniczy z kartki: zegnij kartkę tak, żeby jeden bok był dłuższy od drugiego – sklejona kartka tworzy kształt zbliżony do skrzydła, z zaokrąglonym wierzchem i płaskim spodem. Zawieś model na nitce i skieruj strumień powietrza z suszarki równolegle do powierzchni “skrzydła”. Model powinien unosić się ku strumieniowi i lekko unosić – demonstracja siły nośnej.

Eksperyment 3 – dwie kartki: Zawieś dwie kartki pionowo, równolegle do siebie, w odległości ok. 4–5 cm. Dmuchnij mocno między nimi. Zamiast się rozejść – kartki przyciągają się do siebie nawzajem.

Wyjaśnienie naukowe

Za wszystkimi trzema eksperymentami stoi ta sama zasada: efekt Bernoulli’ego i powiązany z nim efekt Coandă.

Efekt Bernoulli’ego (1738) mówi, że w przepływającym płynie (gaz lub ciecz) szybszy przepływ oznacza niższe ciśnienie. Gdy powietrze przepływa szybciej po jednej stronie powierzchni niż po drugiej, po szybszej stronie ciśnienie jest niższe – i powierzchnia jest “wciągana” w stronę szybszego przepływu.

W eksperymencie z kartką: gdy dmuchasz nad nią, tworzysz strumień szybkiego powietrza powyżej. Powietrze pod kartką porusza się wolno. Niższe ciśnienie nad kartką i wyższe pod nią – kartka jest “wciskana” ku górze.

Efekt Coandă (opisany przez Henri Coandă w 1930 r.) dopełnia wyjaśnienie: strumień płynu “przylega” do zakrzywionej powierzchni i podąża za jej kształtem zamiast lecieć prosto. Gdy strumień opływa zaokrągloną powierzchnię skrzydła, “odgina się” ku dołowi. Na zasadzie trzeciej zasady Newtona – skoro powietrze jest odginane w dół, skrzydło jest popychane w górę (siła nośna).

Prawdziwe skrzydło samolotu ma kształt profilu lotniczego (airfoil): zaokrąglone i grubsze z przodu, spiczaste z tyłu, wypukłe na górze, prawie płaskie na spodzie. Powietrze opływające góry skrzydła ma dłuższą drogę do przebycia, więc musi płynąć szybciej – i ciśnienie nad skrzydłem jest niższe niż pod nim. Ta różnica ciśnień tworzy siłę nośną unoszącą skrzydło (i samolot) ku górze.

Dwie kartki w eksperymencie 3 przyciągają się, bo powietrze wpuszczone między nie przyspiesza (musi się zmieścić w węższej przestrzeni) i ciśnienie między kartkami spada – kartki są “wciskane” do siebie przez wyższe ciśnienie powietrza z zewnątrz.

Warianty

Różne kształty profilu – wytnij kilka profili skrzydła o różnym stopniu wygięcia górnej powierzchni (płaskie, lekko wygięte, mocno wygięte) i porównaj siłę nośną, mierząc jak mocno nitka odchyla się od pionu.

Balon w strumieniu – zawieś nadmuchany balon na nitce i skieruj na niego strumień z suszarki pod kątem. Balon nie odlatuje od strumienia, lecz “wciąga” się w jego środek – efekt Coandă sprawia, że zaokrąglona powierzchnia balonu odgina strumień wokół siebie.

Piłka pingpongowa lewitująca – skieruj suszarkę pionowo w górę i połóż na strumieniu piłkę pingpongową. Piłka zawisa w powietrzu i nie odpada na bok – kiedy próbuje uciec ze strumienia, wyższe ciśnienie po zewnętrznej stronie “wpycha” ją z powrotem. To pokaz efektu Bernoulli’ego w trzech wymiarach.

Często zadawane pytania

Czy samolot lata dzięki Bernoulli’emu czy Newtonowi? Obie zasady działają jednocześnie i obie są prawidłowe. Bernoulli opisuje różnicę ciśnień nad i pod skrzydłem. Newton opisuje odginanie strumienia powietrza ku dołowi i wynikającą siłę nośną. Są to dwa opisy tego samego zjawiska z różnych perspektyw. Fizyk powie: Bernoulli wynika z Newtona; Bernoulli jest uproszczonym opisem tego, co Newton opisuje fundamentalnie.

Czy samolot mógłby latać “do góry nogami”? Tak – akrobatyczne samoloty latają odwrócone. W tej pozycji siła nośna jest skierowana w dół (bo wypukłość skrzydła jest teraz na spodzie), więc pilot musi pochylić dziób samolotu mocno ku górze, żeby kąt natarcia skrzydła generował siłę nośną “w górę” (do dołu względem samolotu). Efektywność jest mniejsza, ale lot jest możliwy.

Czym różni się efekt Coandă od efektu Bernoulli’ego? Bernoulli opisuje zależność między prędkością a ciśnieniem w przepływającym płynie (szybciej = niższe ciśnienie). Coandă opisuje konkretne zachowanie strumienia – jego tendencję do “przylepiania się” do zakrzywionej powierzchni i podążania za nią. Oba efekty razem wyjaśniają siłę nośną skrzydła.