กลศาสตร์การบินคือการศึกษาเกี่ยวกับแรงที่กระทำต่อเครื่องบินและการเคลื่อนที่ของเครื่องบินที่เป็นผลมาจากแรงเหล่านั้น
ก่อนอื่นมาดูแกนที่ใช้ในกลศาสตร์การบิน ในวิชานี้มีแกนที่ใช้สามแกนคือแกนx แกนy และแกนz
รูปที่ 1 แกนที่ใช้ในกลศาสตร์การบิน
จากรูปที่ 1 แกนx ลากผ่านกลางเครื่องบิน จากท้ายเครื่องบินไปยังหัวเครื่องบิน แกนz ลากผ่านกลางเครื่องบินจากด้านบนเครื่องบินลงด้านล่างเครื่องบิน ส่วนแกนy ลากผ่านกลางเครื่องบินจากปีกซ้ายไปปีกขวา ในรูปไม่ได้แสดงแกนy เพราะเป็นรูปสองมิติไม่สามารถแสดงเป็นเส้นได้ แต่จะสังเกตุได้ว่าแกนy ชี้เข้าไปในหน้ากระดาษ
แกนเหล่านี้จะเปลี่ยนตามทิศทางการบิน สมมุติว่าเครื่องบินบินโดยหันหัวขึ้นชี้ฟ้า แกนx ก็จะอยู่ในแนวตั้งแทนที่จะเป็นแนวนอน ส่วนแกนz ก็จะอยู่ในแนวนอนแทนที่จะเป็นแนวตั้ง
ตัวอย่างที่ 1 ถ้าเราบอกว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งในแกนบวกx ก็แสดงว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งไปข้างหน้าโดยไม่สนว่าข้างหน้าของเครื่องบินจะชี้ไปทางไหน อาจจะเป็นข้างบน ข้างล่าง ทิศเหนือ ทิศใต้ ทิศตะวันออก ทิศตะวันตก หรือองศาต่างๆ ระหว่างทิศทางเหล่านี้ก็ได้
ตัวอย่างที่ 2 ถ้าเราบอกว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งในแกนลบz ก็แสดงว่าเครื่องบินมีอัตราเร่งในทิศด้านบนของตัวเครื่องบิน (เพราะแกนบวกz คือด้านล่างเครื่องบิน)โดยไม่สนว่าด้านบนของตัวเครื่องชี้ไปทางด้านใด อาจจะเร่งลงพื้นโลกก็ได้ถ้าเครื่องบินตีลังกาอยู่
เรามาดูสถานการณ์พื้นฐานที่สุดที่ทุกคนควรรู้ก่อน สถานการณ์นี้คือสถานการณ์ที่เครื่องบินบินไปข้างหน้าตรงตรงในแนวนอน (เคลื่อนที่ไปในแนวแกนx และแกนx และแกนy ขนานกับพื้นโลก) โดยที่ไม่มีอัตราเร่งในแกนใดๆ (บินที่อัตราความเร็วคงที่ในทุกแกน) ภาษาอังกฤษเรียกว่า Straight and level flight หรือ S&L
เรามาพิจารณากันว่าในสถานการณ์นี้มีแรงอะไรบ้างที่กระทำต่อเครื่องบินและแต่ละแรงควรที่จะเท่ากับเท่าไร
รูปที่ 2 แรงสี่แรงในกรณี Straight and level flight
รูปที่ 2 แสดงให้เห็นถึงแรงพื้นฐานสี่แรงที่กระทำต่อเครื่องบินเมื่อเครื่องบินบินแบบ S&LL ย่อมาจาก Lift คือแรงยก แรงยกจะชี้ในแกนลบz เสมอเพราะเป็นแกนที่ชี้ขึ้นด้านบนของปีกเครื่องบิน ในกรณี S&L แรงยกจะชี้ขึ้นฟ้าตรงๆ
W ย่อมาจาก Weight คือน้ำหนัก (ขอให้เข้าใจว่าน้ำหนักมีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton, N) ไม่ใช่กิโลกรัม (Kilogram, kg, ซึ่งเป็นหน่วยของมวล) ผู้อ่านที่เคยเรียนฟิสิกส์มาบ้างคงรู้อยู่แล้ว) น้ำหนักจะชี้ลงพื้นเสมอ ในกรณี S&L ทิศทางนนี้จะขนานกับแกนบวกz พอดี
T ย่อมาจาก Thrust คือแรงขับ จะชี้ไปในแกนบวกx เสมอเพราะแรงขับดันให้เครื่องบินไปข้างหน้า
และ D ย่อมาจาก Drag คือแรงต้าน จะชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางที่เครื่องบินเคลื่อนที่เสมอ ในกรณีส่วนมาก รวมทั้งกรณี S&L ด้วย แรงต้านจะชี้ไปในแนวแกนลบx
สังเกตุว่าไม่มีแรงในแนวแกนy ในกรณีนี้
แรงเหล่านี้มีหน่วยเป็นนิวตันหรือปอนด์ก็ได้ แต่ปกติแล้วจะใช้หน่วยเป็นปอนด์ เพราะเป็นหน่วยที่ใช้ในยุโรปและอเมริกาซึ่งเป็นผู้นำทางด้านการบิน แม้แต่ในออสเตรเลียเองที่พยายามรณรงค์ให้คนใช้หน่วยเป็นนิวตัน ก็ยังใช้ปอนด์กันอย่างแพร่หลายเวลาพูดเกี่ยวกับกลศาสตร์การบิน
กฎของนิวตันข้อแรกกล่าวว่าวัตถุจะไม่มีอัตราเร่ง (นั่นหมายความว่าอัตราความเร็วไม่เปลี่ยนแปลง) ถ้าแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้นรวมกันแล้วเท่ากับศูนย์ ในกรณี S&L เราบอกแต่ต้นแล้วว่าเครื่องบินไม่มีอัตราเร่งดังนั้นถ้าเรารวมแรงทั้งสี่แรงจะได้เท่ากับศูนย์
จากรูปที่ 2 เราจะเห็นว่าแรงยกต้องเท่ากับน้ำหนัก เพราะถ้าไม่เท่ากันจะไม่หักล้างกันทำให้มีอัตราเร่งในแนวตั้ง ส่วนแรงขับต้องเท่ากับแรงต้าน เพราะถ้าไม่เท่ากันจะไม่หักล้างกันทำให้มีอัตราเร่งในแนวนอน
สรุปว่า L = W และ T = D ถ้าไม่เป็นเช่นนี้จะมีอักตราเร่งและเครื่องบินจะไม่บินแบบ S&L
ในบทความต่อไปเราจะมาดูว่าค่าเหล่านี้ควรนะเป็นเท่าไร
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น