Vier krachten in balans

Elk vliegtuig, van een papieren vliegtuig tot een passagiersvliegtuig, wordt door dezelfde vier krachten geduwd en getrokken. Een kracht wordt gemeten in newton (N) en elke kracht wordt als een pijl getekend.

• Gewicht (W) trekt het vliegtuig omlaag naar het middelpunt van de aarde. Het is massa maal zwaartekracht: W = m × g, met g = 9,81 m/s². Een licht vliegtuig van 1.000 kg weegt 9.810 N.
• Liftkracht (L) is de kracht van de lucht op de vleugel, loodrecht op de luchtstroom. Bij een horizontale vlucht betekent dat omhoog.
• Stuwkracht (T) is de voorwaartse duwkracht van een propeller of straalmotor.
• Luchtweerstand (D) is de lucht die de beweging tegenhoudt. Deze wijst naar achteren, langs de luchtstroom.

Liftkracht en luchtweerstand ontstaan allebei doordat de lucht tegen het vliegtuig duwt. Gewicht ontstaat doordat de aarde trekt. Stuwkracht komt van de motor. Let op: de motor houdt het vliegtuig niet omhoog. Dat is de taak van de vleugel.

Balans betekent een stabiele vlucht. Volgens de eerste wet van Newton blijft een voorwerp met een constante snelheid bewegen wanneer de krachten erop samen nul zijn. Een vliegtuig dat horizontaal met een constante snelheid vliegt, heeft dus:

• L = W (omhoog is gelijk aan omlaag), en
• T = D (vooruit is gelijk aan achteruit).

Er blijft niets "over", dus er verandert niets. Als de krachten niet gelijk zijn, treedt de tweede wet van Newton in werking: resulterende kracht = massa × versnelling. Stel dat het speelgoedvliegtuig van 1.000 kg 200 N meer stuwkracht dan luchtweerstand heeft. De resulterende kracht vooruit is 200 N, dus a = 200 / 1.000 = 0,2 m/s². Het vliegtuig versnelt, eerst langzaam, totdat de toenemende luchtweerstand de stuwkracht inhaalt en de krachten bij een hogere snelheid weer in balans zijn.

Dezelfde logica geldt voor omhoog en omlaag. Als de liftkracht groter is dan het gewicht, wordt het vliegtuig omhoog geduwd en buigt zijn vliegbaan omhoog. Als de liftkracht kleiner is, buigt de vliegbaan omlaag.

Hoe groot zijn de getallen? De verhouding tussen lift en weerstand, L/D, vertelt hoe efficiënt een vleugel zijn gewicht draagt. Bij een horizontale vlucht met constante snelheid geldt L = W en T = D, dus T = W / (L/D). Het lichte speelgoedvliegtuig in deze cursus heeft een beste L/D van ongeveer 12.5 (je ziet in les 3 waarom). Dus:

T = D = 9.810 N / 12,5 ≈ 785 N, slechts ongeveer 8 procent van het gewicht. Een vliegtuig is een heel efficiënte manier om gewicht te verplaatsen, omdat de vleugel het draagt. Een helikopter die stilhangt, heeft die hulp niet: zijn rotor moet een stuwkracht leveren die gelijk is aan zijn volledige gewicht (Wereld 5).

Stijgen en dalen. Bij een constante klim is de vliegbaan onder een hoek γ gekanteld. Nu moet de motor het vliegtuig ook bergop trekken, tegen een deel van zijn gewicht in: T = D + W sin γ. Bij een klim van 5° is W sin 5° ≈ 9.810 × 0,087 ≈ 855 N extra stuwkracht. Bij een glijvlucht met uitgeschakelde motor trekt datzelfde deel van het gewicht het vliegtuig juist vooruit. Dat gebruik je in Wereld 6.

Deze cursus is educatief. Hij legt de natuurkunde van het vliegen uit, zodat je begrijpt hoe vliegtuigen werken. Het is geen vliegopleiding en geen bedieningsinstructie voor welk vliegtuig dan ook. Echte piloten leren van gecertificeerde instructeurs en uit de handleiding van het vliegtuig waarmee ze vliegen. De getallen zijn gebaseerd op een vereenvoudigd speelgoedvliegtuig en komen daarom niet precies overeen met een echt type.