แรงทั้งสี่ที่สมดุล

อากาศยานทุกชนิด ตั้งแต่เครื่องบินกระดาษไปจนถึงเครื่องบินโดยสาร ล้วนถูกผลักและดึงด้วย แรงทั้งสี่ เหมือนกัน แรงวัดเป็นหน่วย นิวตัน (N) และแต่ละแรงจะแสดงด้วยลูกศร

• น้ำหนัก (W) ดึงอากาศยาน ลงด้านล่าง เข้าหาจุดศูนย์กลางของโลก น้ำหนักเท่ากับมวลคูณแรงโน้มถ่วง: W = m × g โดย g = 9.81 m/s² เครื่องบินขนาดเบาที่มีมวล 1,000 kg มีน้ำหนัก 9,810 N
• แรงยก (L) คือแรงที่อากาศกระทำต่อปีกในทิศ ตั้งฉากกับกระแสลม ในการบินระดับ แรงนี้จึงชี้ขึ้นด้านบน
• แรงขับ (T) คือแรงผลักไปข้างหน้าจากใบพัดหรือเครื่องยนต์เจ็ต
• แรงต้าน (D) คือแรงจากอากาศที่ต้านการเคลื่อนที่ โดยชี้ไป ด้านหลัง ตามแนวกระแสลม

ทั้งแรงยกและแรงต้านเกิดจากอากาศผลักอากาศยาน น้ำหนักเกิดจากโลกดึงอากาศยาน ส่วนแรงขับมาจากเครื่องยนต์ สังเกตว่า เครื่องยนต์ไม่ได้พยุงเครื่องบินไว้ หน้าที่นั้นเป็นของปีก

การทรงตัวหมายถึงการบินที่มั่นคง กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันกล่าวว่า วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ต่อไป เมื่อแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุนั้นรวมกันแล้วเท่ากับศูนย์ ดังนั้น อากาศยานที่บิน ในระดับด้วยอัตราเร็วคงที่ จะมี:

• L = W (แรงขึ้นเท่ากับแรงลง) และ
• T = D (แรงไปข้างหน้าเท่ากับแรงไปข้างหลัง)

ไม่มีแรงใด "เหลืออยู่" ดังนั้นจึงไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง หากแรง ไม่เท่ากัน กฎข้อที่สองของนิวตันจะเข้ามาเกี่ยวข้อง: แรงลัพธ์ = มวล × ความเร่ง สมมติว่าเครื่องบินของเล่นมวล 1,000 kg มีแรงขับมากกว่าแรงต้าน 200 N แรงลัพธ์ไปข้างหน้าคือ 200 N ดังนั้น a = 200 / 1,000 = 0.2 m/s² เครื่องบินจะมีอัตราเร็วเพิ่มขึ้น โดยในช่วงแรกจะเพิ่มอย่างช้า ๆ จนกระทั่งแรงต้านที่เพิ่มขึ้นไล่ทันแรงขับ และแรงทั้งสองกลับมาสมดุลกันอีกครั้งที่อัตราเร็วสูงขึ้น

หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับการเคลื่อนที่ขึ้นและลง หากแรงยกมากกว่าน้ำหนัก อากาศยานจะถูกผลักขึ้นด้านบนและเส้นทางการบินจะโค้งขึ้น หากแรงยกน้อยกว่า เส้นทางจะโค้งลง

How big are the numbers? The ratio of lift to drag, L/D, tells you how cheaply a wing carries its weight. In steady level flight L = W and T = D, so T = W / (L/D). The toy light plane in this course has a best L/D of about 12.5 (you will see why in lesson 3). Then:

T = D = 9,810 N / 12.5 ≈ 785 N, only about 8 percent of the weight. A plane is a very efficient way to move weight, because the wing carries it. A helicopter in the hover has no such help: its rotor must produce a thrust equal to its whole weight (World 5).

Climbing and descending. In a steady climb the flight path is tilted by an angle γ. Now the engine must also pull the plane uphill against part of its weight: T = D + W sin γ. For a 5° climb, W sin 5° ≈ 9,810 × 0.087 ≈ 855 N of extra thrust. In a glide with the engine off, the same part of the weight pulls the plane forward instead. You will use that in World 6.

หลักสูตรนี้เป็นการศึกษา โดยอธิบายฟิสิกส์ของการบินเพื่อให้เข้าใจการทำงานของอากาศยาน หลักสูตรนี้ไม่ใช่การฝึกบิน และไม่ใช่คู่มือการใช้งานอากาศยานใด ๆ นักบินจริงเรียนรู้จากผู้สอนที่ได้รับการรับรองและจากคู่มือของอากาศยานที่ตนเองบิน ตัวเลขต่าง ๆ ใช้อากาศยานของเล่นแบบง่าย จึงไม่ตรงกับอากาศยานจริงรุ่นใดรุ่นหนึ่งทั้งหมด