Fyra krafter i balans

Varje flygplan, från ett pappersflygplan till ett trafikflygplan, påverkas av samma fyra krafter. En kraft mäts i newton (N), och varje kraft ritas som en pil.

• Tyngd (W) drar flygplanet nedåt mot jordens centrum. Den är massa gånger gravitation: W = m × g, där g = 9,81 m/s². Ett lätt flygplan på 1 000 kg väger 9 810 N.
• Lyftkraft (L) är luftens kraft på vingen vinkelrätt mot luftströmmen. I planflykt betyder det uppåt.
• Dragkraft (T) är kraften framåt från en propeller eller jetmotor.
• Luftmotstånd (D) är luften som bromsar rörelsen. Det pekar bakåt, längs luftströmmen.

Både lyftkraft och luftmotstånd uppstår när luften trycker på flygplanet. Tyngden beror på att jorden drar i flygplanet. Dragkraften kommer från motorn. Lägg märke till att motorn inte håller upp flygplanet. Det är vingens uppgift.

Balans betyder stadig flygning. Newtons första lag säger att ett föremål fortsätter att röra sig med konstant hastighet när krafterna på det tar ut varandra. Ett flygplan som flyger plant med konstant hastighet har alltså:

• L = W (uppåt är lika med nedåt), och
• T = D (framåt är lika med bakåt).

Ingenting blir "över", så ingenting förändras. Om krafterna inte är lika stora träder Newtons andra lag in: nettokraft = massa × acceleration. Anta att leksaksplanet på 1 000 kg har 200 N större dragkraft än luftmotstånd. Nettokraften framåt är 200 N, så a = 200 / 1 000 = 0,2 m/s². Planet ökar farten, först långsamt, tills det ökande luftmotståndet kommer ikapp dragkraften och krafterna åter är i balans vid en högre hastighet.

Samma logik gäller uppåt och nedåt. Om lyftkraften är större än tyngden pressas flygplanet uppåt och flygbanan böjer uppåt. Om lyftkraften är mindre böjer den nedåt.

Hur stora är talen? Förhållandet mellan lyftkraft och luftmotstånd, L/D, visar hur effektivt en vinge bär sin tyngd. Vid planflykt med konstant hastighet är L = W och T = D, alltså T = W / (L/D). Det lilla lätta flygplanet i den här kursen har ett bästa L/D på ungefär 12.5 (du får se varför i lektion 3). Då får vi:

T = D = 9 810 N / 12,5 ≈ 785 N, alltså bara ungefär 8 procent av tyngden. Ett flygplan är ett mycket effektivt sätt att förflytta tyngd, eftersom vingen bär den. En helikopter som hovrar har ingen sådan hjälp: rotorn måste skapa en dragkraft som är lika stor som hela tyngden (Värld 5).

Stigning och sjunkning. Vid en stadig stigning lutar flygbanan med en vinkel γ. Då måste motorn också dra flygplanet uppför mot en del av tyngden: T = D + W sin γ. Vid en stigning på 5° är W sin 5° ≈ 9 810 × 0,087 ≈ 855 N extra dragkraft. När flygplanet glider med motorn avstängd drar samma del av tyngden i stället flygplanet framåt. Du kommer att använda detta i Värld 6.

Den här kursen är undervisning. Den förklarar flygningens fysik så att flygplan blir begripliga. Den är inte flygutbildning och inte heller instruktioner för att använda något flygplan. Riktiga piloter lär sig av certifierade instruktörer och av manualen till det flygplan de flyger. Talen bygger på ett förenklat leksaksflygplan, så de stämmer inte exakt med någon verklig flygplanstyp.