ปีกเครื่องบินทำงานอย่างไร?

เครื่องบินอาจเป็นหรือไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนแปลงชีวิตมากที่สุดของศตวรรษที่ 20; ข้อโต้แย้งสามารถเกิดขึ้นได้อย่างชัดเจนสำหรับนวัตกรรมอื่นๆ ทุกรูปแบบ รวมถึงยาปฏิชีวนะ โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ และการถือกำเนิดของเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายทั่วโลก กระนั้น สิ่งประดิษฐ์เหล่านี้เพียงไม่กี่ชิ้น หากมี ทั้งความยิ่งใหญ่ทางภาพและจิตวิญญาณของมนุษย์โดยกำเนิดของความกล้าหาญและการสำรวจเช่นเดียวกับเครื่องบิน

ส่วนใหญ่ของเครื่องบินทั่วไปส่วนใหญ่แยกไม่ออกจากรถโดยสารขนาดใหญ่อื่นๆ ประกอบด้วยช่องเก็บของที่ผู้โดยสาร คนดูแล และสิ่งของอื่นๆ ที่ขนส่งนั่ง นอกจากนี้ เครื่องบินส่วนใหญ่มีล้อ ผู้สังเกตการณ์ส่วนใหญ่จะไม่กำหนดให้มันเป็นคุณลักษณะหลัก แต่เครื่องบินส่วนใหญ่ไม่สามารถขึ้นหรือลงจอดได้หากไม่มีพวกมัน

อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าลักษณะทางกายภาพหลักที่ทำให้เครื่องบินสามารถระบุปีกของมันได้ทันที ในระดับหนึ่ง โครงสร้างรองรับที่คุณจะอ่านเกี่ยวกับการเพิ่มลักษณะเฉพาะของเครื่องบิน แต่ปีกนั้นมีความน่าสนใจมากที่สุด แม้จะมีรูปลักษณ์พื้นฐานที่หลอกลวง แต่ปีกเครื่องบินเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิศวกรรมอย่างแท้จริงและขาดไม่ได้สำหรับชีวิตในอารยธรรมสมัยใหม่

การควบคุมเครื่องบินไม่เพียงแต่ต้องการยก(มีมากกว่านี้ในภายหลัง) แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์บังคับเลี้ยวในแนวตั้งและแนวนอนและอุปกรณ์รักษาเสถียรภาพ ข้อมูลต่อไปนี้ใช้กับเครื่องบินแบบผู้โดยสารมาตรฐาน เห็นได้ชัดว่าไม่มีการออกแบบเครื่องบินหรือเครื่องบินโดยสารที่มีอยู่ คิดถึงฟิสิกส์ ไม่ใช่ส่วนผสมเฉพาะ

ท่อหรือลำตัวของเครื่องบินเรียกว่าลำตัว. ปีกติดอยู่กับลำตัวตรงจุดกึ่งกลางตามความยาว ปีกของตัวเองมีส่วนประกอบที่เคลื่อนย้ายได้สองชุดที่ด้านหลัง ชุดนอกเรียกว่าปีกในขณะที่ยิ่งยาว เรียกง่ายๆ ว่าตัวในอวัยวะเพศหญิง. สิ่งเหล่านี้เปลี่ยนการหมุนและการลากของเครื่องบินตามลำดับ ช่วยในการบังคับเลี้ยวและทำให้เครื่องบินช้าลง ปลายปีกมักจะมีขนาดเล็กที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ปีกเล็กซึ่งลดการลาก

ส่วนท้ายของเครื่องบินประกอบด้วยแนวนอนและความคงตัวในแนวตั้ง,อดีตเลียนแบบปีกเล็ก ๆ ในทิศทางและโอ้อวดลิ้นลิฟท์และหลังรวมถึง aหางเสือ,วิธีการหลักของเครื่องบินในการเปลี่ยนเส้นทางแนวนอน เครื่องบินที่มีแต่เครื่องยนต์และปีก แต่ไม่มีหางเสือ ก็เหมือนรถทรงพลังที่ไม่มี พวงมาลัยและไม่ต้องใช้นักฟิสิกส์หรือนักแข่งรถมืออาชีพในการค้นหาปัญหา ที่นี่.

​Orville และ Wilbur Wrightได้รับเครดิตในการทำการบินครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จในปี 1903 ในรัฐนอร์ธแคโรไลนา สหรัฐอเมริกา คุณอาจคาดเดาได้ว่าพวกเขาไม่ได้เป็นแค่คนบ้าระห่ำ ที่โยนเครื่องป้องกันเสียงตบจากมอเตอร์และแผ่นน้ำหนักเบาบางอันเข้าด้วยกันแล้วทำไปซึ่งเป็นอันที่เกิดขึ้นกับพวกเขา ความโปรดปราน ในทางตรงกันข้าม พวกเขาเป็นนักวิจัยที่พิถีพิถัน และพวกเขาเข้าใจว่าปีกจะเป็นส่วนสำคัญของกลไกการบินของเครื่องบินที่ประสบความสำเร็จ ("เครื่องบิน" เป็นคำที่แปลกตาแต่น่ารักในโลกของการบิน)

Wrights เข้าถึงข้อมูลอุโมงค์ลมจากเยอรมนี และพวกเขาใช้ข้อมูลนี้ในการสร้างปีกสำหรับเครื่องร่อนซึ่งนำหน้ารุ่นเครื่องยนต์ 1903 ที่โด่งดังในทันทีของพวกเขา พวกเขาทดลองกับรูปร่างของปีกที่แตกต่างกัน และพบว่าปีกที่มีอัตราส่วนความกว้างของปีกต่อปีกภายในระยะใกล้ และใกล้ 6.4 ต่อ 1 นั้นดูเหมาะสมที่สุด ว่านี้เกือบจะสมบูรณ์แบบอัตราส่วนภาพได้ถูกกำหนดโดยวิธีทางวิศวกรรมสมัยใหม่

ปีกเป็นปีกอากาศชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นส่วนตัดขวางของสิ่งที่น่าสนใจสำหรับวิศวกรในขอบเขตของพลศาสตร์ของไหล เช่น ใบเรือ ใบพัด และกังหัน การนำเสนอนี้มีประโยชน์ในการแก้ปัญหา เพราะมันให้ภาพที่ดีที่สุดว่าเครื่องบินลอยขึ้นได้อย่างไร และสิ่งนี้สามารถมอดูเลตผ่านรูปร่างปีกที่แตกต่างกันและคุณลักษณะอื่นๆ ได้อย่างไร

บางทีในโรงเรียนหรือเพียงแค่ดูข่าว คุณอาจเคยเห็นหรือได้ยินคำว่า "ลิฟท์" ที่อ้างอิงถึงการบิน ลิฟท์ในวิชาฟิสิกส์คืออะไร? ลิฟท์เป็นปริมาณที่วัดได้หรือจับคู่เป็นหนึ่งเดียวหรือไม่?

อันที่จริงแรงยกคือแรงซึ่งโดยนิยามแล้วขัดต่อวัตถุน้ำหนัก. น้ำหนักในทางกลับกันคือแรงที่เกิดจากผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อวัตถุด้วยมวล. เพื่อให้บรรลุการยกคือการต่อต้านแรงโน้มถ่วง - และแรงโน้มถ่วง "กลโกง" ในการชักเย่อในแนวตั้งนี้เพราะมันไม่เคยหยุดนิ่ง!

ลิฟท์คือปริมาณเวกเตอร์เหมือนกับแรงทั้งหมด และจึงมีทั้งองค์ประกอบสเกลาร์ (จำนวนหรือขนาดของมัน) และทิศทางที่กำหนด (โดยปกติรวมถึงสองมิติที่มีป้ายกำกับxและyในโจทย์ฟิสิกส์ระดับเบื้องต้น) เวกเตอร์ถูกวาดกระทำผ่านจุดศูนย์กลางของแรงดันของวัตถุ และตั้งฉากกับทิศทางการไหลของของไหล

ลิฟต์ต้องใช้ aของเหลว(ก๊าซหรือส่วนผสมของก๊าซ เช่น อากาศ หรือของเหลว เช่น น้ำมัน) เป็นตัวกลาง ดังนั้นทั้งวัตถุที่เป็นของแข็งหรือสุญญากาศจึงไม่ทำหน้าที่เป็นสภาพแวดล้อมการบินที่เป็นมิตร อย่างแรกนั้นชัดเจนโดยสัญชาตญาณ แต่ถ้าคุณเคยสงสัยว่าคุณสามารถบังคับเครื่องบินในอวกาศโดยการใช้ปีกหรือหางของมันได้หรือไม่ คำตอบก็คือไม่ ไม่มี "สิ่งของ" ทางกายภาพสำหรับชิ้นส่วนเครื่องบินที่จะดัน

ทุกคนเฝ้าดูกระแสน้ำวนและกระแสน้ำของแม่น้ำหรือลำธาร และไตร่ตรองถึงธรรมชาติของการไหลของของไหล จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแม่น้ำหรือลำธารแคบลงอย่างกะทันหันโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในความลึก? น้ำในแม่น้ำไหลผ่านเร็วกว่ามาก ความเร็วที่สูงขึ้นหมายถึงพลังงานจลน์ที่มากขึ้น และการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์นั้นอาศัยการป้อนพลังงานเข้าสู่ระบบในรูปแบบของงาน

เกี่ยวกับพลศาสตร์ของไหล จุดสำคัญคือความดัน P จะลดลงในของเหลวที่มีความหนาแน่นเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วρรวมทั้งอากาศ (ความหนาแน่นคือมวลหารด้วยปริมาตร หรือ m/V) ความสัมพันธ์ต่างๆ ระหว่างพลังงานจลน์ของของไหล (1/2)ρv², พลังงานศักย์ ρgh (ที่ไหนห่าคือการเปลี่ยนแปลงของความสูงซึ่งมีความแตกต่างของความดันของเหลว) และความดันรวมพีถูกจับโดยสมการที่มีชื่อเสียงโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวิสในศตวรรษที่ 18David Bernoulli. แบบฟอร์มทั่วไปเขียนว่า:

ที่นี่gคือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่พื้นผิวโลกซึ่งมีค่า 9.8 m/s². สมการนี้ใช้กับสถานการณ์นับไม่ถ้วนที่เกี่ยวข้องกับการไหลของน้ำและก๊าซ และการเคลื่อนที่ของวัตถุในของเหลว เช่น เครื่องบินที่บินผ่านอากาศบนท้องฟ้า

ในการพิจารณาปีกเครื่องบิน ระยะสุดท้ายในสมการของเบอร์นูลลีสามารถดร็อปได้เนื่องจากปีกนั้นถือว่ามีความสูงเท่ากัน:

คุณควรตระหนักถึงสมการความต่อเนื่องซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงกดต่อพื้นที่ปีกตัดขวาง:

การรวมสมการเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแรงยกเกิดขึ้นได้อย่างไร ที่สำคัญ ความแตกต่างของแรงดันระหว่างส่วนบนของปีกและด้านล่างนั้นเป็นผลมาจากรูปทรงที่แตกต่างกันของด้านข้างของฟอยล์แต่ละด้าน อากาศที่อยู่เหนือปีกสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าอากาศที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งส่งผลให้เกิด "แรงดันดูด" จากด้านบนซึ่งตรงข้ามกับน้ำหนักของเครื่องบิน

แน่นอนว่าการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของเครื่องบินเองคือสิ่งที่สร้างการเคลื่อนที่ของอากาศ ความเร็วในแนวราบของเครื่องบินถูกสร้างขึ้นโดยแรงผลักของเครื่องยนต์ไอพ่นของมันไปในอากาศ และแรงที่เป็นปฏิปักษ์ที่กระทำต่อยานในทิศทางนี้เรียกว่าลาก​.

• ดังนั้น บทสรุปของแรงขึ้น ลง ไปข้างหน้า และข้างหลังบนเครื่องบินและปีกของมันเมื่อมองจากด้านหนึ่งคือยก​, ​น้ำหนัก​, ​แรงผลักดันและลาก​.