เครื่องบินอยู่ในอากาศได้อย่างไร? ไม่ว่าคุณจะไตร่ตรองคำถามนี้ขณะบินหรือไม่ก็ตาม คำถามนี้ยังคงเป็นหัวข้อที่ซับซ้อนและน่าสนใจ ต่อไปนี้เป็นข้อมูลสรุปเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการบินของเครื่องบิน รวมถึงความเข้าใจผิดเกี่ยวกับวัตถุดังกล่าวด้วย

ขั้นแรก ลองนึกภาพเครื่องบิน—เครื่องบินพาณิชย์ เช่น เครื่องบินโบอิ้งหรือเครื่องบินขนส่งแอร์บัส—ที่กำลังบินอย่างมั่นคงไปบนท้องฟ้า การบินนั้นเกี่ยวข้องกับความสมดุลอันละเอียดอ่อนของกองกำลังฝ่ายตรงข้าม “ปีกสร้างแรงยก และยกตามน้ำหนักของเครื่องบิน” โฮลเกอร์ บาบินสกี ศาสตราจารย์ด้านอากาศพลศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์กล่าว

“แรงยก (หรือแรงขึ้น) นั้นจะต้องเท่ากับหรือมากกว่าน้ำหนักของเครื่องบิน นั่นคือสิ่งที่ทำให้มันลอยอยู่ในอากาศ” วิลเลียม ครอสลีย์ หัวหน้าคณะวิชาการบินและอวกาศแห่งมหาวิทยาลัย Purdue กล่าว

ในขณะเดียวกัน เครื่องยนต์ของเครื่องบินก็ให้แรงผลักดันที่จำเป็นเพื่อตอบโต้แรงลากที่เกิดจากการเสียดสีของอากาศรอบตัว “ในขณะที่คุณกำลังบินไปข้างหน้า คุณจะต้องมีแรงขับเพียงพอที่จะทำให้แรงต้านอย่างน้อยเท่ากัน—ซึ่งอาจสูงกว่าแรงต้านได้หากคุณเร่งความเร็ว อาจต่ำกว่าแรงต้านหากคุณชะลอความเร็ว แต่ในการบินที่มั่นคงและสม่ำเสมอ แรงผลักดันจะเท่ากับแรงต้าน” Crossley กล่าว

การทำความเข้าใจว่าปีกของเครื่องบินสร้างลิฟต์ได้อย่างไรในตอนแรกนั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย “โดยทั่วไปแล้วสื่อมักต้องการคำอธิบายที่รวดเร็วและง่ายดายเสมอ” Babinsky สะท้อนให้เห็น “ฉันคิดว่านั่นทำให้เราตกลงไปในน้ำร้อน” คำอธิบายยอดนิยมข้อหนึ่งซึ่งผิดคือ: อากาศที่เคลื่อนที่เหนือส่วนโค้งด้านบนของปีกจะต้องเดินทางในระยะทางที่ยาวกว่าอากาศที่เคลื่อนที่ด้านล่าง และด้วยเหตุนี้ อากาศจึงเร่งความเร็วขึ้นเพื่อพยายามให้ทันอากาศ ด้านล่าง ราวกับว่าอนุภาคอากาศสองตัว อันหนึ่งอยู่เหนือปีกและอีกอันอยู่ใต้ จำเป็นต้องเชื่อมต่อกันอย่างน่าอัศจรรย์ NASA มีหน้าเว็บที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดนี้โดยเฉพาะ โดยระบุว่าเป็น "ทฤษฎี airfoil ที่ไม่ถูกต้อง"

แล้ววิธีคิดที่ถูกต้องคืออะไร?

1. ยืมมือหน่อย

วิธีง่ายๆ วิธีหนึ่งในการเริ่มคิดเกี่ยวกับหัวข้อนี้ก็คือจินตนาการว่าคุณกำลังนั่งอยู่ในที่นั่งผู้โดยสารในรถยนต์ ยื่นแขนออกไปด้านข้างเพื่อรับลมที่พัดเข้ามา โดยให้ฝ่ามือคว่ำลง นิ้วหัวแม่มือไปข้างหน้า และให้มือขนานกับพื้น (ถ้าคุณทำเช่นนี้ในชีวิตจริง โปรดใช้ความระมัดระวัง) ทีนี้ ให้ยกมือขึ้นด้านหน้าเล็กน้อยเพื่อให้ลมพัดไปที่ด้านล่างของมือ ขั้นตอนการเอียงมือขึ้นด้านบนนั้นใกล้เคียงกับแนวคิดสำคัญที่มีปีกที่เรียกว่ามุมการโจมตี

“คุณจะสัมผัสได้ถึงแรงยกได้อย่างชัดเจน” Babinsky กล่าว ในสถานการณ์ที่ตรงไปตรงมานี้ อากาศกระทบกับมือของคุณ และเบี่ยงลงมา และในแง่นิวตัน (ดูกฎข้อที่ 3) มือของคุณถูกดันขึ้น

2. ตามแนวโค้ง

แต่แน่นอนว่าปีกนั้นไม่ได้มีรูปร่างเหมือนมือของคุณ และมีปัจจัยเพิ่มเติมที่ต้องพิจารณา ประเด็นสำคัญสองประการที่ควรคำนึงถึงเกี่ยวกับปีกก็คือ ด้านหน้าของปีก (ซึ่งเป็นขอบนำ) นั้นโค้ง และโดยรวมแล้ว ปีกเหล่านี้จะมีรูปร่างที่เรียกว่าแอร์ฟอยล์เมื่อคุณมองแบบภาคตัดขวาง 

ขอบปีกที่โค้งงอมีความสำคัญเนื่องจากการไหลเวียนของอากาศมีแนวโน้มที่จะ "ตามพื้นผิวโค้ง" Babinsky กล่าว เขาบอกว่าเขาชอบสาธิตแนวคิดนี้โดยหันเครื่องเป่าผมไปที่ขอบถังทรงกลม กระแสลมจะเกาะติดกับพื้นผิวโค้งของถังและหมุน ซึ่งอาจถึงขั้นดับเทียนที่อยู่อีกด้านหนึ่งที่ถังกีดขวางอยู่ นี่เป็นวิดีโอเก่าๆ ที่มีเสน่ห์ซึ่งดูเหมือนจะแสดงให้เห็นถึงแนวคิดเดียวกัน “เมื่อกระแสน้ำเกาะติดกับพื้นผิวโค้ง มันจะชอบเกาะติด—[แม้ว่า] มันจะไม่เกาะติดตลอดไป” เขากล่าว

ด้วยปีก—และลองนึกภาพว่ามันทำมุมขึ้นบ้าง เหมือนยื่นมือออกไปนอกหน้าต่างรถ—สิ่งที่เกิดขึ้นคืออากาศสัมผัสกับขอบนำที่โค้งมน “บนพื้นผิวด้านบน อากาศจะเกาะตัวและโค้งงอ และติดตามเหตุการณ์นั้น มุมการโจมตีนั้นอย่างสวยงามมาก” เขากล่าว

3. เก็บสิ่งที่มีแรงกดดันต่ำ

ท้ายที่สุด สิ่งที่เกิดขึ้นก็คืออากาศที่เคลื่อนอยู่เหนือปีกด้านบนยึดติดกับพื้นผิวโค้งแล้วหมุนหรือไหลลงด้านล่าง บริเวณความกดอากาศต่ำก่อตัวขึ้น และอากาศก็เดินทางเร็วขึ้นเช่นกัน ขณะเดียวกันอากาศก็กระทบใต้ปีก เหมือนกับลมปะทะมือขณะยื่นออกไปนอกหน้าต่างรถ ทำให้เกิดบริเวณที่มีความกดอากาศสูง Voila: ปีกมีบริเวณความกดอากาศต่ำอยู่เหนือ และมีความกดอากาศสูงกว่าด้านล่าง “ความแตกต่างระหว่างความกดดันทั้งสองทำให้เราดีขึ้น” Babinsky กล่าว

Babinsky ตั้งข้อสังเกตว่ามีการทำงานมากขึ้นโดยบริเวณความดันที่ต่ำกว่าเหนือปีกมากกว่าความดันที่สูงกว่าใต้ปีก คุณสามารถนึกถึงปีกเป็นการหันเหการไหลของอากาศลงทั้งด้านบนและด้านล่าง บนพื้นผิวด้านล่างของปีก การโก่งตัวของการไหล "จริงๆ แล้วมีขนาดเล็กกว่าการโก่งตัวของการไหลบนพื้นผิวด้านบน" เขากล่าว “ฟองอากาศส่วนใหญ่ กฎทั่วไปที่หยาบมากคือสองในสามของแรงยกถูกสร้างขึ้นที่นั่น [บนพื้นผิวด้านบน] บางครั้งก็มากกว่านั้นด้วยซ้ำ” Babinksy กล่าว

คุณช่วยรวบรวมสรุปทั้งหมดให้ฉันเป็นครั้งสุดท้ายได้ไหม?

แน่นอน! กลอเรีย ยามาอุจิ วิศวกรการบินและอวกาศที่ศูนย์วิจัยเอมส์ของ NASA กล่าวไว้เช่นนี้ “ดังนั้นเราจึงมีเครื่องบินลำหนึ่งที่บินอยู่ในอากาศ อากาศเข้าใกล้ปีก มันถูกหันโดยปีกที่ขอบนำ” เธอกล่าว (โดยคำว่า "เลี้ยว" เธอหมายความว่ามันเปลี่ยนทิศทาง เช่นเดียวกับการที่รถไถนาไปตามถนน บังคับให้อากาศเปลี่ยนทิศทางให้หมุนไปรอบๆ) "ความเร็วของอากาศเปลี่ยนไปเมื่อมันเคลื่อนผ่านพื้นผิวปีก ด้านบนและด้านล่าง”

“โดยทั่วไปความเร็วเหนือปีกด้านบนจะมากกว่าความเร็วใต้ปีก” เธอกล่าวต่อ “และนั่นหมายความว่าความดันเหนือปีกนั้นต่ำกว่าความดันใต้ปีก และความกดดันที่ต่างกันนั้นทำให้เกิด แรงยกขึ้น”

หัวของคุณหมุนวนอยู่กับคำถามที่แปลกประหลาดและชวนปวดหัวอยู่ตลอดเวลาหรือไม่? หากคุณเคยสงสัยว่าจักรวาลประกอบด้วยอะไร จะเกิดอะไรขึ้นหากคุณตกลงไปในหลุมดำ หรือแม้แต่ทำไมทุกคนไม่สามารถสัมผัสนิ้วเท้าของตัวเองได้ คุณควรฟังและสมัครรับพอดแคสต์ Ask Us Anything ซึ่งเป็นพอดแคสต์ จากบรรณาธิการของ Popular Science ถามเราได้ทุกเรื่องบน Apple, Anchor, Spotify และทุกที่ที่คุณฟังพอดแคสต์ทุกวันอังคารและพฤหัสบดี แต่ละตอนจะเจาะลึกลงไปในคำถามเดียวที่เรารู้ว่าคุณคงอยากติดตามต่อไป