Làm thế nào một chiếc máy bay có thể ở trên không? Cho dù bạn có cân nhắc câu hỏi này khi đang bay hay không thì đây vẫn là một chủ đề phức tạp và hấp dẫn. Dưới đây là một cái nhìn nhanh về vật lý liên quan đến chuyến bay của máy bay, cũng như một cái nhìn thoáng qua về quan niệm sai lầm xung quanh chủ đề này.

Đầu tiên, hãy hình dung một chiếc máy bay—một chiếc máy bay thương mại, chẳng hạn như máy bay phản lực vận tải Boeing hay Airbus—đang bay đều đặn trên bầu trời. Chuyến bay đó liên quan đến sự cân bằng mong manh của các lực lượng đối lập. Holger Babinsky, giáo sư khí động học tại Đại học Cambridge, cho biết: “Cánh tạo ra lực nâng và lực nâng phản ánh trọng lượng của máy bay.

William Crossley, người đứng đầu Trường Hàng không và Du hành vũ trụ tại Đại học Purdue, cho biết: “Lực nâng [hoặc hướng lên] đó phải bằng hoặc lớn hơn trọng lượng của máy bay - đó là lực giữ cho nó ở trên không”.

Trong khi đó, động cơ của máy bay đang cung cấp cho nó lực đẩy cần thiết để chống lại lực cản mà nó gặp phải do ma sát của không khí xung quanh. “Khi bạn bay về phía trước, bạn phải có đủ lực đẩy để ít nhất bằng lực cản - nó có thể cao hơn lực cản nếu bạn đang tăng tốc; nó có thể thấp hơn lực cản nếu bạn giảm tốc độ — nhưng trong chuyến bay ổn định, ngang bằng, lực đẩy bằng lực cản,” Crossley lưu ý.

Việc hiểu cách cánh máy bay tạo ra lực nâng ngay từ đầu phức tạp hơn một chút. Babinsky phản ánh: “Các phương tiện truyền thông nói chung luôn tìm kiếm những lời giải thích nhanh chóng và đơn giản. “Tôi nghĩ điều đó đã khiến chúng ta gặp rắc rối.” Một cách giải thích phổ biến, sai lầm, là như sau: Không khí di chuyển trên đỉnh cong của cánh phải di chuyển một quãng đường dài hơn không khí di chuyển bên dưới nó, và do đó, nó tăng tốc để cố gắng bám sát không khí trên đó. phía dưới—như thể hai hạt không khí, một ở phía trên và một ở phía dưới, cần được kết nối một cách kỳ diệu. NASA thậm chí còn có một trang web dành riêng cho ý tưởng này, gắn nhãn nó là “lý thuyết cánh máy bay không chính xác”.

Vậy sự thật như thế nào?

Nghiêng một cánh

Một cách rất đơn giản để bắt đầu suy nghĩ về chủ đề này là hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trên ghế hành khách của một chiếc ô tô. Đưa cánh tay của bạn sang một bên, theo luồng gió đang đến, với lòng bàn tay hướng xuống, ngón tay cái hướng về phía trước và bàn tay về cơ bản song song với mặt đất. (Nếu bạn làm điều này trong đời thực, hãy cẩn thận.) Bây giờ, nghiêng bàn tay của bạn hướng lên trên một chút ở phía trước, để gió thổi vào mặt dưới bàn tay của bạn; quá trình nghiêng bàn tay của bạn lên trên gần đúng với một khái niệm quan trọng với đôi cánh được gọi là góc tấn công của chúng.

“Bạn có thể cảm nhận rõ ràng lực nâng,” Babinsky nói. Trong kịch bản đơn giản này, không khí chạm vào lòng bàn tay của bạn, bị lệch xuống dưới và theo nghĩa Newton (xem định luật thứ ba), bàn tay của bạn đang bị đẩy lên trên.

Đi theo đường cong

Nhưng tất nhiên, một chiếc cánh không có hình dạng giống bàn tay của bạn và có những yếu tố bổ sung cần xem xét. Hai điểm quan trọng cần lưu ý đối với đôi cánh là mặt trước của cánh—cạnh đầu—có đường cong và về tổng thể, chúng cũng có hình dạng gọi là cánh máy bay khi bạn nhìn vào mặt cắt ngang của chúng.

Babinsky cho biết cạnh cong của cánh rất quan trọng vì luồng không khí có xu hướng “đi theo một bề mặt cong”. Anh ấy nói rằng anh ấy thích thể hiện khái niệm này bằng cách chĩa máy sấy tóc vào cạnh tròn của xô. Luồng không khí sẽ bám vào bề mặt cong của thùng và chuyển hướng, thậm chí có thể làm tắt ngọn nến ở phía bên kia bị thùng chặn. Đây là một đoạn video cũ hấp dẫn dường như thể hiện ý tưởng tương tự. Ông lưu ý: “Một khi dòng chảy tự gắn vào bề mặt cong, nó thích gắn bó và sẽ không gắn bó mãi mãi.

Với một cánh - và hãy tưởng tượng nó hơi nghiêng lên, giống như bàn tay của bạn đưa ra ngoài cửa sổ ô tô - điều xảy ra là không khí gặp phải cạnh tròn phía trước. “Ở bề mặt phía trên, không khí sẽ tự dính vào và uốn cong, và thực sự đi theo hướng tới đó, góc tấn công đó, rất độc đáo,” ông nói.

Giữ mọi thứ ở mức áp suất thấp

Cuối cùng, điều xảy ra là không khí di chuyển trên đỉnh cánh bám vào bề mặt cong và quay hoặc chảy xuống phần nào: một vùng áp suất thấp hình thành và không khí cũng di chuyển nhanh hơn. Trong khi đó, không khí đập vào mặt dưới cánh gió giống như gió đập vào tay bạn khi thò ra ngoài cửa sổ xe, tạo ra vùng áp suất cao. Thì đấy: cánh có vùng áp suất thấp phía trên và áp suất cao hơn bên dưới. Babinsky nói: “Sự khác biệt giữa hai áp lực đó mang lại cho chúng tôi lực nâng.

Babinsky lưu ý rằng vùng áp suất thấp phía trên cánh đang được thực hiện nhiều công việc hơn vùng áp suất cao hơn bên dưới cánh. Bạn có thể tưởng tượng cánh máy bay làm chệch hướng luồng không khí đi xuống ở cả mặt trên và mặt dưới. Ông lưu ý rằng ở bề mặt dưới của cánh, độ lệch của dòng khí “thực sự nhỏ hơn độ lệch của dòng khí ở bề mặt trên”. Babinksy nói: “Hầu hết các cánh máy bay, một nguyên tắc rất thô sơ là 2/3 lực nâng được tạo ra ở đó, đôi khi thậm chí còn nhiều hơn”.

Bạn có thể mang tất cả lại cho tôi lần cuối được không?

Chắc chắn! Gloria Yamauchi, một kỹ sư hàng không vũ trụ tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA, nói như vậy. “Vì vậy, chúng tôi có một chiếc máy bay, bay trong không trung; không khí tiếp cận cánh; nó được quay bằng cánh ở mép trước,” cô nói. Ý cô ấy là nó thay đổi hướng, giống như cách một chiếc ô tô lao xuống đường buộc không khí phải thay đổi hướng để đi vòng quanh nó.) “Vận tốc của không khí thay đổi khi nó đi qua bề mặt cánh, trên và dưới.”

“Nói chung, vận tốc trên đỉnh cánh lớn hơn vận tốc bên dưới cánh,” cô tiếp tục, “và điều đó có nghĩa là áp suất phía trên cánh thấp hơn áp suất bên dưới cánh và sự chênh lệch áp suất đó tạo ra một lực nâng hướng lên trên.”