أربع قوى في حالة اتزان.

كل طائرة، من الطائرة الورقية إلى طائرة الركاب، تؤثر فيها أربع قوى متساوية في النوع. تُقاس القوة بوحدة النيوتن (N)، وتُمثَّل كل قوة بسهم.

• الوزن (W) يسحب الطائرة إلى الأسفل نحو مركز الأرض. وهو يساوي الكتلة مضروبة في الجاذبية: W = m × g، حيث g = 9.81 m/s². وزن طائرة خفيفة كتلتها 1,000 kg هو 9,810 N.
• الرفع (L) هو قوة الهواء المؤثرة في الجناح عند زوايا قائمة مع تدفق الهواء. وفي الطيران الأفقي، يعني ذلك إلى الأعلى.
• الدفع (T) هو القوة التي تدفع الطائرة إلى الأمام، وينتج عن المروحة أو المحرك النفاث.
• السحب (D) هو مقاومة الهواء للحركة. ويتجه إلى الخلف، على امتداد تدفق الهواء.

ينتج كل من الرفع والسحب عن دفع الهواء للطائرة. أما الوزن فينتج عن سحب الأرض لها. وينتج الدفع عن المحرك. لاحظ أن المحرك لا يحمل الطائرة إلى الأعلى. فهذه مهمة الجناح.

التوازن يعني طيرانًا مستقرًا. ينص قانون نيوتن الأول على أن الجسم يواصل الحركة بسرعة متجهة ثابتة عندما يساوي مجموع القوى المؤثرة فيه صفرًا. لذلك، تكون للطائرة التي تطير أفقيًا بسرعة ثابتة العلاقات التالية:

• L = W (القوة إلى الأعلى تساوي القوة إلى الأسفل)، و
• T = D (القوة إلى الأمام تساوي القوة إلى الخلف).

لا توجد قوة "متبقية"، لذلك لا يتغير شيء. وإذا كانت القوى غير متساوية، يتولى قانون نيوتن الثاني الأمر: القوة المحصلة = الكتلة × التسارع. لنفترض أن دفع الطائرة الصغيرة التي كتلتها 1,000 kg أكبر من سحبها بمقدار 200 N. تكون القوة المحصلة إلى الأمام 200 N، لذا a = 200 / 1,000 = 0.2 m/s². تزداد سرعة الطائرة، ببطء في البداية، حتى يزداد السحب مع السرعة ويعادل الدفع، فتتوازن القوتان من جديد عند سرعة أعلى.

ينطبق المنطق نفسه على الحركة إلى الأعلى والأسفل. فإذا كان الرفع أكبر من الوزن، تُدفَع الطائرة إلى الأعلى وينحني مسارها إلى أعلى. وإذا كان الرفع أصغر، ينحني مسارها إلى أسفل.

ما حجم هذه الأرقام؟ تبيّن لك النسبة بين الرفع والسحب، L/D، مدى كفاءة الجناح في حمل وزنه. في الطيران المستوي المستقر، L = W وT = D، لذا T = W / (L/D). تبلغ أفضل نسبة L/D للطائرة الخفيفة النموذجية في هذا المقرر نحو 12.5 (وستعرف السبب في الدرس 3). إذن:

T = D = 9,810 N / 12.5 ≈ 785 N، أي نحو 8 بالمئة من الوزن فقط. الطائرة وسيلة فعالة جدًا لنقل الوزن، لأن الجناح هو الذي يحمله. أما المروحية أثناء التحويم فلا تحظى بهذه المساعدة: إذ يجب أن ينتج دوارها دفعًا يساوي وزنها بالكامل (العالم 5).

الصعود والهبوط. في الصعود المستقر، يميل مسار الطيران بزاوية γ. وعندها يجب على المحرك أيضًا أن يسحب الطائرة صعودًا لمقاومة جزء من وزنها: T = D + W sin γ. في صعود بزاوية 5°، يكون W sin 5° ≈ 9,810 × 0.087 ≈ 855 N من الدفع الإضافي. أما في الانزلاق والمحرك متوقف، فيسحب الجزء نفسه من الوزن الطائرة إلى الأمام بدلًا من ذلك. ستستخدم هذه الفكرة في العالم 6.

هذه الدورة تعليمية. فهي تشرح فيزياء الطيران لكي تصبح الطائرات مفهومة. لكنها ليست تدريبًا على الطيران، وليست تعليمات لتشغيل أي طائرة. يتعلم الطيارون الحقيقيون من مدربين معتمدين ومن دليل الطائرة التي يقودونها. تستخدم الأرقام طائرة مبسطة تشبه لعبة، ولذلك لن تطابق أي طراز حقيقي تمامًا.