Περιεχόμενο
Ένα ανθρωπογενές αεροπλάνο πετάει σύμφωνα με τις ίδιες φυσικές αρχές όπως και ένα πουλί: πρέπει να ξεπεράσει τις βαρυτικές δυνάμεις για να επιτύχει ανύψωση και πτήση. Ένα φτερά αεροπλάνων δουλεύουν για να δημιουργήσουν τον ανελκυστήρα και το επιτυγχάνουν με την κάμψη της ροής του αέρα γύρω από αυτά. Χωρίς φτερά, ένα αεροπλάνο είναι ένα απλό αυτοκίνητο.
Αεροπορικές δυνάμεις
Τα αεροσκάφη και τα πουλιά μπορούν να πετάξουν επειδή εξισορροπούν τις τέσσερις δυνάμεις: ανύψωση, βάρος, έλξη και ώθηση. Ένα αεροπλάνο απογειώνεται στον αέρα όταν ο ανελκυστήρας - η δύναμη που ωθείται προς τα πάνω στην κάτω επιφάνεια των πτερυγίων του - υπερβαίνει το βάρος του αεροσκάφους λόγω της βαρύτητας. Η ανύψωση δημιουργείται από τη ροή του αέρα γύρω από το αεροπλάνο, ειδικά γύρω από τα φτερά. Η έλξη είναι η δύναμη της αντίστασης του αέρα έναντι της κίνησης του αεροπλάνου. Αυτή η δύναμη αυξάνεται με την αυξημένη ταχύτητα του αεροσκάφους αλλά μειώνεται αν το αεροπλάνο έχει ομαλή ή αεροδυναμική μορφή. Ο κινητήρας και το σύστημα πρόωσης του αεροπλάνου, είτε αεριωθούμενα είτε έλικα, παράγουν δύναμη ωθήσεως για να ξεπεράσουν την οπισθέλκουσα.
Νιούτον και Μπερνούλης
Δύο Ευρωπαίοι επιστήμονες εξήγησαν τις αρχές της πτήσης αεροσκαφών Ο αγγλικός φυσικός Isaac Newton (1642-1727) απαρίθμησε τρεις νόμους κίνησης που ισχύουν για όλα τα κινούμενα αντικείμενα. Το πρώτο είναι ότι τα αντικείμενα παραμένουν σε ηρεμία ή σε ομοιόμορφη κίνηση, εκτός εάν υποχρεωθούν να αλλάξουν με εξωτερική δύναμη. Το δεύτερο δηλώνει ότι μια δύναμη που κατευθύνεται προς ένα αντικείμενο την αναγκάζει να επιταχύνει προς την κατεύθυνση αυτής της δύναμης. Το τρίτο κράτος δηλώνει ότι για κάθε δύναμη υπάρχει μια ίση και αντίθετη δύναμη. Ο Ελβετός μαθηματικός Daniel Bernoulli (1700-1782) ήταν πρωτοπόρος στην ανάπτυξη μιας μαθηματικής εξήγησης για τη δυναμική των υγρών, τη μηχανική του πώς ρέουν τα υγρά και τα αέρια. Το σημαντικότερο εύρημα του, γνωστό ως η αρχή Bernoulli, δηλώνει ότι καθώς η ταχύτητα της ροής αέρα αυξάνεται, η πίεση μειώνεται.
Γωνία της επίθεσης
Τα πτερύγια του αεροπλάνου έχουν σχεδιαστεί για να κάμπτουν ελαφρώς από την οριζόντια, γνωστή και ως πορεία πτήσης. Αυτή η γωνία κλίσης ονομάζεται γωνία προσβολής και είναι η σημαντικότερη μεταβλητή στην παραγωγή ανελκυστήρα. Ένα αεροπλάνο αρχίζει να κινείται όταν ο πιλότος εφαρμόζει ώθηση από τον κινητήρα για να κάνει το αεροπλάνο να ταξιδέψει προς τα εμπρός στο έδαφος. Ο χειριστής περιστρέφει το αεροσκάφος προς τα πάνω ανυψώνοντας τη μύτη του για να αυξήσει τη γωνία επίθεσης και να επιτύχει την απογείωση. Ωστόσο, πολύ μεγάλη γωνία επίθεσης θα σταματήσει το αεροπλάνο.
Καμπυλότητα ροής
Ο ανελκυστήρας δημιουργείται από την καμπύλη αέρα γύρω από τα φτερά ενός αεροπλάνου. Καθώς η ροή αέρα πλήττει την αιχμή της πτέρυγας, χωρίζεται σε δύο, μερικά ρέουν κατά μήκος της άνω επιφάνειας και μερικά ρέουν κατά μήκος της κάτω επιφάνειας. Το σχήμα ενός πτερυγίου είναι ελαφρώς ασύμμετρο, με μεγαλύτερη επιφάνεια στην κορυφή. Η ροή αέρα συγκρατείται στην άνω επιφάνεια καθώς κινείται μεταξύ των οδηγών και των άκρων της πτέρυγας, κάμπτοντας και χαμηλώνει την πίεση σύμφωνα με την αρχή Bernoulli. Καθώς το αεροπλάνο συγκεντρώνει ταχύτητα, ο ανελκυστήρας αυξάνεται σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο κίνησης του Νεύτωνα. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει την καμπυλότητα του αέρα στην ανώτερη επιφάνεια, αναγκάζοντας περισσότερο αέρα προς τα κάτω από την άκρη της πτέρυγας. Καθώς το αεροπλάνο κινείται μέσω του αέρα, τα κάτω φτερά που βλέπουν προς τη ροή του αέρα υπό τη γωνία της επίθεσης, εκτρέπουν επίσης κάποια ροή αέρα προς τα κάτω. Αυτή η ροή αέρα προς τα κάτω δημιουργεί μια ίση και αντίθετη αντίδραση σε μια ανοδική ροή αέρα υψηλής πίεσης (τρίτος νόμος του Newton), αυξάνοντας τον ανελκυστήρα και διατηρώντας το αεροπλάνο στο αεροπλάνο.