Přemýšleli jste někdy o tom, co udělá mince, když ji hodíte ze střechy paneláku? Kolegové ze známého seriálu Myth Busters (Bořiči mýtů) zkoušeli potvrdit, nebo vyvrátit mýtus, že mince hozená z Empire State Building se zaryje do betonu nebo zabije zasaženého chodce. Pochopitelně, že nic takového se nepotvrdilo. Mince je příliš lehká a její maximální rychlost nízká (více v angličtině zde).
Ale co se stane, když hodíte předmět, který je 32krát těžší než mince, z výšky 68krát větší než Empire State? Přesně tento problém jsme řešili zhruba před rokem, kdy nápad se Stratocachingem začal dostávat konkrétní obrysy. Bylo potřeba ze stratosféry, tedy z výšky 30 až 40 kilometrů dopravit bezpečně na zem kapsle, které v sobě budou mít mimo jiné GPS GSM lokátor, aby se daly během pádu sledovat a po dopadu vystopovat. Budou tedy vážit 50 až 80 gramů.
Co je to Stratocaching?Je to experiment a zároveň hra. Ze stratosféry budou vypuštěny kapsle (stratokešky), které budou moci účastníci hry po dopadu na zem hledat. Pro vítěze jsou připraveny unikátní sběratelské mince (Stratocoiny) a věcné ceny od partnerů projektu. Více v tomto článku a na stránkách experimentu. |
Jak na to? Nám i armádě poradila příroda
Proto se v září 2012 sešel designér a konstruktér experimentu Petr Bakoš s biologem z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy Karlem Kleisnerem. Řešení totiž nabídla sama příroda, respektive biomimetika. To je obor, který zkoumá zajímavá konstrukční řešení u živých organismů v přírodě a snaží se je napodobit.
Některé rostliny využívají ke svému rozmnožování "létání". V přírodě pak existují čtyři druhy způsobů šíření s pomocí větru, jak vidíte na obrázku.
Biomimetika - Zdroj: Various flying modes of wind-dispersal seeds - Shizuka Minamia, Akira Azumab.
My jsme pro naše stratokešky zvolili autorotační pohyb kolem jedné osy. Jakmile začnou padat a ocitnou se v atmosféře, roztočí se stejně jako jejich přírodní vzor, tedy okřídlená javorová nažka.
Stejného principu zkusili využít britští vojáci během 2. světové války pro zásobování předsunutých a špatně dostupných jednotek. Shazovali jim obří "javorová semínka", která jako malé vrtulníky bezpečně přistála i s 30 kg nákladem jídla a léků (více v angličtině). "Semena" o rozměrech 0,3 × 0,9 metru, vyrobená ze dřeva a potažená leteckým plátnem, klesala k zemi rychlostí 38 km/h. Dokonce se tehdy uvažovalo, že stejný způsob by mohl být po válce použit i pro dopravu pošty. Proč z toho sešlo, to se asi dovtípíte sami.
Přihlaste se na StratocachingUž téměř 7 000 lidí se přihlásilo k účasti na hledání kapslí (stratokešek). Zdarma tak můžete učinit i vy na stránkách projektu zde.  |
Naše "semínka" mají pouhých 40 centimetrů na délku a necelých osm centimetrů v nejširším místě. Na zem dopadnou rychlostí 2,1 metru za sekundu což je necelých 8 km/h. Jejich dopadová energie bude 0,22 joulu což je 155krát méně než předepsaná dopadová energie (33,9 J) podle Úřadu pro civilní letectví. Jen pro představu, dopadající keška bude mít pododobný účinek, jako když pustíte větší jablko na stůl z deseti centimetrů.
Než Petr Bakoš našel ideální tvar kapsle tak, aby rotovala kolem své osy a nespadla na zem jako zralá hruška, trvalo to několik měsíců. Ty Petr trávil střídavě v dílně, kde kapslím dával nové a nové tvary, a na točitém schodišti u něj v činžáku, kde hotové prototypy pouštěl ze čtvrtého patra do přízemí. Většina pokusů končila mohutným plácnutím.
Pořádně nelétalo ani křídlo navržené podle dětské skládačky od NASA. Cestou k cíli se ukázalo až origami složené podle Jonathana Millse z Indiany (viz jeho článek zde). Bakoš vzpomíná: "Pak už to bylo jednoduché. Podařilo se mi na dílně nakreslit a vyřezat celou sadu semínek, která všechna létala. Největší měřilo 39 centimetrů a vážilo přes 100 gramů. Jako protivariantu, která by létat neměla, jsem zkonstruoval dva tvary z truhlářského "chipsu", který se používá na spojování desek. Kupodivu semínko létalo také, i přes úplně opačný tvar listu."
Jak probíhal vývoj tvaru semínek si můžete prohlédnout na následujících obrázcích. Vždy musíte mít na paměti, že v křídle musí být umístěna ještě elektronika pro sledování kapsle.
Jeden z úplně prvních pokusů podle papírového modelu ze stránek NASA. Bohužel neúspěšný.
Jeden z prvních konceptů, kde chtěl designér Petr Bakoš tvarovat list prostorovým řezem hmotou těžiště. Samozřejmě to nelétalo.
Origami křídlo složené podle návodu Johnatana Millse létalo dobře.
Od origami křídla byl už jen krůček k dnešním semínkům. Petr Bakoš jich vyřezal celou sadu. Létala všechna. Největší na snímku měří cca 390 mm a váží přes 100 g.
Aby došlo k vypuštění stratokeší ve správnou chvíli, je Dropion osazen počítačem, který v předem naprogramovanou dobu iniciuje odpálení pyropatrony. Ta uvolní držák kešek i samotný balón. Gondola je také vybavena systémem pro předčasné ukončení letu. Kdyby totiž hrozilo, že sestava nám uletí za hranice, musel by se výsadek provést předčasně. I na to přístrojové vybavení Dropionu pamatuje. Podrobněji to rozebereme v některém z příštích článků.
Není bez zajímavosti, že pro ČHMÚ (Český hydrometeorologický ústav) startují stratosférické balóny třikrát denně. Podle Pavla Žárského, který je pro ústav vypouští už 40 let, nedošlo za tu dobu k žádné vážnější nehodě. A to samotná sonda váží 300 gramů a na zem se vrací bez padáku. Více pro vás chystáme v připravovaném rozhovoru.
Bez nich by to nešloAbychom vytvořili ideální design stratokešek, oslovili jsme přední specialisty v oboru aerodynamiky z Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu kteří nám ochotně vyšli vstříc. Základní koncept "javorového semínka" jsme pak s jejich konzultací mohli rozvinout správným směrem. Ve spolupráce s VZLÚ také chystáme další testy o nichž se už brzy dozvíte. |
Co všechno musí balón a stratokešky proletět
Až balón z pražské Libuše vypustíme, bude muset na své cestě do stratosféry proletět několik vrstev naší atmosféry. To samé, ale v opačném pořadí pak čeká padající stratokešky.
Fotografie ze stratosféryNaši kolegové balonáři ze Slovenska mají s vypouštěním balonů do stratosféry velmi bohaté zkušenosti. Na jejich stránkách STSproject.net najdete nejen snímky z letu ale i mnoho zajímavých článků na toto téma. |
Nejnižší vrstva atmosféry se jmenuje troposféra. Zatímco na rovníku je vysoká až 18 kilometrů, směrem k pólům se ztenčuje až na 9 kilometrů. Vzduch se ohřívá ve styku se zemským povrchem a stoupá vzhůru tak, jak to vidíme nad horkými kamny. Tím se promíchává s horními vrstvami. K dalšímu promíchávání pak dochází vlivem větru. Ale i tak lze říci, že s výškou v troposféře teplota klesá, od teplot na povrchu Země až k padesáti stupňům pod nulou. Toho jste si ostatně jistě všimli i při cestování letadlem. Dopravní letadla nejčastěji létají ve výškách okolo 10 km, kde je řidší vzduch. V troposféře se "odehrává" počasí.
Pod horním okrajem troposféry probíhá tryskové proudění vzduchu, nazývané jetstream. Tryskové proudění tvoří jakési provazce, kde je rychlost vzduchu běžně 100 km za hodinu, ale může dosáhnout až 600 km/hod. Jetstreamu využívají piloti při letech na velké vzdálenosti, aby ušetřili palivo.
Horní okraj troposféry se nazývá tropopauza. Zde se zastavuje pokles teplot. A nad tropopauzou se už nachází stratosféra. Například 23. října 2013 bylo v tropopauze - 67 stupňů Celsia. Teplota ve stratosféře ned ní nemá rovnoměrné rozdělení. Zatímco mezi 11. a 30. kilometrem se téměř nemění a pohybuje se okolo padesáti stupňů pod nulou, mezi 30. a 50. kilometrem teplota roste lineárně až k patnácti stupňům pod bodem mrazu. Je to tím, že stratosféra zachycuje velkou část ultrafialového záření, které dopadá na Zemi. Sluneční světlo se zde na molekulách plynů rozptyluje už jen velmi málo a obloha má proto tmavě fialovou až černou barvu.
Hotové "javorové semínko". Takto vypadají stratokešky, které se ve stratosféře vysypou z Dropionu. Váží přesně 83 gramů, jsou vyrobeny z materiálu zvaného Tyvek a vyztuženy pěnovým žebrem.
Největší podíl na pohlcování UV záření má ozonová vrstva. To je část stratosféry ve výšce 25 až 35 kilometrů nad zemským povrchem. Intenzivní záření nad touto vrstvou je zároveň velkým nepřítelem balónů. Představte si, že byste gumový balónek z pouti (nebo jiný gumový předmět) nechali v létě na prudkém sluníčku. Za nějaký čas zpuchří, ztratí svoji pružnost a po čase se rozpadne. Stratosférické balóny jsou vystaveny UV záření, které je tisíckrát intenzivnější.
Tlak s výškou klesá logaritmicky. Zatímco tady na zemi máme tlak 101 000 Pa, v 10 kilometrech je 28 371 Pa a třeba ve výšce 27 km už jen okolo 1 800 Pa. Proto jsou balóny mířící do stratosféry jakoby splasklé. Objem lehkého plynu, který do nich napustíme při startu, bude sice stále stejný, ale se zmenšujícím se okolním tlakem se bude pozvolna rozpínat. Meteorologické balóny končí svoji pouť tak, že prasknou vnitřním přetlakem, spojeným s degradací materiálu UV zářením.
Přijďte na přednáškuStratocaching - experiment na dotek vesmíru Koná se v rámci Týdne vědy pořádaného Akademií věd. Přihlásit zdarma se můžete zde. Termín: 11. listopadu 2013 v 17:00  |
Náš balón bude mít při napuštění průměr necelé tři metry. Ale při dosažení výšky třiceti kilometrů se zvětší až na úctyhodných třináct metrů. Počítáme s tím, že počáteční rychlost stoupání bude 8 metrů za sekundu, a celý let by tak měl trvat jednu až dvě hodiny. Po prasknutí balónu se gondola (Dropion) snese na zem na padáku.
Vypuštěné stratokešky budou v prvních okamžicích padat společně s gondolou – v prostředí řídkého vzduchu bude pád zpočátku rychlý a neuplatní se při něm autorotace, kterou pozorujeme u javorových semínek.
Teprve při průletu jetstreamem můžeme očekávat, že si každá stratokeška najde svoji cestu. Je to způsobeno tím, že jejich aerodynamické vlastnosti jsou odlišné. Stačí drobné rozdíly ve hmotnosti, ploše křídla nebo tvaru. To ostatně můžeme pozorovat právě na podzim, když padají k zemi javorová semínka. Počítáme s tím, že kešky dopadnou v rozpětí kilometrů. Ale zda to budou jednotky nebo desítky kilometrů, to nevíme.
Podívejte se na video, jak bude let probíhat. Spot zobrazující ideální průběh projektu pro Technet realizovala reklamní agentura Magic Seven. Tato česká firma se specializuje na projektový fullservis. Její technologická nabídka zahrnuje kromě 3D vizualizací také augmented reality, responzivní design webových aplikací a multimediální aplikace pro platformu Apple.
