www.Rurobtour.blogsort.com: เครื่องบิน บินได้อย่างไร

เครื่องบินรถกระป๋องบินได้อย่างไร(งูดิน)

มีเพื่อน ๆ ที่ลองสร้างเครื่องบินรถกระป๋องแล้วยังทำไม่สำเร็จมักจะถามผมว่า “ทำไมเครื่องบินที่สร้างถึงบินไม่ได้”

เพื่อน ๆ ที่ถามคำถามแบบนี้ แสดงว่ายังไม่รู้หลักของการบิน เพราะเครื่องบินจะบินได้นั้นมิใช่แต่เพียงสร้างให้มีรูปร่างเหมือนเครื่องบิน แต่จะต้องรู้หลักพื้นฐานของการบินเสียก่อน คือต้องรู้ก่อนว่า เครื่องบินบินได้อย่างไร จึงจะสามารถปรับแต่งเครื่องบินที่สร้างขึ้นให้สามารถบินได้ และบินได้ดี ผมจึงขอถ่ายทอดความรู้เรื่องการบินที่ผมพอจะมีอยู่บ้าง ให้เพื่อน ๆ ได้ทราบเป็นแนวทางในการสร้างเครื่องบินให้บินได้สำเร็จต่อไปครับ

เครื่องบิน บินได้ เพราะมีปีก

ผมขอสรุปง่าย ๆ อย่างงี้เลยครับ เพราะถ้าไม่มีปีก ก็บินไม่ได้ ที่ว่าบินนี้หมายถึงบินแบบเครื่องบินนะครับ ไม่ใช่ลอยขึ้นไปแบบบัลลูน หรือพุ่งขึ้นไปแบบจรวด ซึ่งบัลลูนและจรวดใช้หลักการอีกแบบหนึ่ง ไม่ใช่หลักการของเครื่องบิน

การที่จะทำให้วัตถุซึ่งมีน้ำหนักมากกว่าอากาศ ลอยได้ นั้น ทำได้หลายวิธี เช่น ใช้ก๊าซที่เบากว่าอากาศช่วยดึงขึ้นไปคือบัลลูน หรือใช้แรงปฏิกิริยาจากแรงขับดันฉุดขึ้นไปคือจรวด และใช้แรงยกของอากาศที่ไหลผ่านปีก คือเครื่องบินนั่นเอง

ปีก สร้างแรงยกได้อย่างไร

ปีกสร้างแรงยกได้จากความแตกต่างของความเร็วอากาศที่ไหลผ่านปีกด้านบนและด้านล่าง ดังนั้น ลักษณะของปีกด้านบนและด้านล่างจึงแตกต่างกันเพื่อบังคับความเร็วของอากาศ ปีกด้านบนจะมีความโค้งนูนขึ้นในขณะที่ด้านล่างจะเรียบหรือเว้าเข้าไป ซึ่งรูปทรงนี้จะบังคับให้อากาศไหลผ่านด้านบนของปีกด้วยความเร็วสูงกว่าอากาศที่ไหลผ่านด้านล่าง จึงเกิดแรงยกจากด้านล่างปีกขึ้นไปด้านบน เมื่อแรงยกนี้มีมากกว่าน้ำหนักของเครื่องบิน ก็จะทำให้แรงยกดึงเครื่องบินให้ลอยขึ้นไปได้

จะทำให้อากาศไหลผ่านปีกได้อย่างไร

หากเครื่องบินอยู่นิ่ง ๆ อากาศก็นิ่ง ๆ ลมสงบ ปีกก็ไม่เกิดแรงยกเพราะไม่มีอากาศไหลผ่าน เครื่องบินก็ไม่บิน เราจึงต้องสร้างอากาศให้ไหลผ่านปีกเพื่อให้ปีกเกิดแรงยกเครื่องบินขึ้น

การทำให้อากาศไหลผ่านปีกทำได้สองวิธี

วิธีแรก คือใช้แรงจากภายนอกดันเครื่องบินไปข้างหน้า เช่น ใช้เชือกดึง ใช้มือจับพุ่ง ใช้รถลาก นั่นคือเครื่องบินชนิดที่เราเรียกว่าเครื่องร่อน เพราะไม่มีแรงขับดันอากาศให้ไหลผ่านปีกได้ในตัวเอง

วิธีที่สอง คือใช้แรงจากเครื่องบินนั้นเองสร้างอากาศให้ไหลผ่านปีก คือติดตั้งเครื่องยนต์ชนิดต่าง ๆ กับตัวเครื่อง เพื่อสร้างแรงขับดันให้เครื่องบินไปข้างหน้าและในขณะเดียวกันก็สร้างอากาศให้ไหลผ่านปีก เครื่องยนต์ที่สร้างแรงขับดันนี้อาจเป็นเครื่องยนต์ติดใบพัดให้หมุนเพื่อสร้างแรงดึงหรือดันเครื่องบินไปข้างหน้า ในขณะเดียวกัน ใบพัดที่ติดด้านหน้าปีก ก็จะเป่าลมให้ผ่านปีกอีกด้วย หรืออาจเป็นเครื่องยนต์เจ็ต ซึ่งอาศัยแรงจุดระเบิดเป่าไอพ่นไปด้านหลังทำให้เกิดแรงปฏิกิริยาผลักตัวเครื่องบินไปด้านหน้า ทำให้อากาศไหลผ่านปีกด้วยความเร็วจนเกิดแรงยกเครื่องบินขึ้นได้

จะเห็นได้ว่า เครื่องบินและเครื่องร่อน โดยหลักแล้วต่างกันแต่เพียงวิธีการทำให้อากาศไหลผ่านปีกเท่านั้น

เครื่องบินจะบินได้ หรือไม่ได้ เกี่ยวข้องกับแรง 4 แรง

แรงสี่แรงที่เกี่ยวข้องกับการบินนี้ คือ แรงยก แรงโน้มถ่วง แรงขับดัน และแรงต้าน

แรงยก คือ แรงยกของปีกที่เกิดจากความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านปีก

แรงโน้มถ่วง คือ แรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อเครื่องบิน คือ น้ำหนักเครื่องบิน

แรงขับดัน คือ แรงขับดันของเครื่องยนต์ ที่ติดตั้งในเครื่องบิน

แรงต้าน คือ แรงต้านของลำตัวเครื่องบิน เกิดจากแรงเสียดทานของอากาศกับลำตัวเครื่องบิน

เมื่อแรงขับดันมากกว่าแรงต้าน จะทำให้เครื่องบินเคลื่อนไปข้างหน้า ทำให้อากาศไหลผ่านปีก จนเกิดแรงยก ยิ่งเคลื่อนไปข้างหน้าเร็วเท่าไร อากาศจะไหลผ่านปีกเร็วเท่านั้น แรงยกก็มากขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งแรงยกสูงกว่าแรงโน้มถ่วงคือสูงกว่าน้ำหนักของเครื่องบิน ก็จะยกเครื่องบินให้ลอยขึ้นได้

สำหรับเครื่องร่อนลำเล็กที่พุ่งด้วยมือ แรงขับดันมาจากแรงเหวี่ยงของมือที่พุ่งเครื่องร่อนไปข้างหน้า ตอนเริ่มพุ่งจะมีแรงขับดันสูง เครื่องร่อนจึงเกิดแรงยกบินสูงขึ้น แต่เมื่อปล่อยมือแล้วแรงขับดันจะค่อย ๆ ลดลง ความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านปีกเครื่องร่อนก็ลดลง ทำให้แรงยกของปีกลดลง เครื่องจึงค่อย ๆ ร่อนลง

สำหรับเครื่องบิน แรงขับดันมาจากเครื่องยนต์หรือมอเตอร์ซึ่งสามารถส่งกำลังอย่างต่อเนื่องมากหรือน้อยได้ตามต้องการ จึงสามารถควบคุมแรงยกได้ด้วยการควบคุมแรงขับดันนี้ นี่คือหลักการบินของเครื่องบินรถกระป๋อง ซึ่งควบคุมให้บินสูงขึ้นหรือต่ำลงด้วยการควบคุมมอเตอร์ ซึ่งส่งผลให้สามารถควบคุมแรงยกของปีกได้ตามต้องการ

มุมปะทะของปีก ก็สามารถควบคุมแรงยกได้

นอกจากการควบคุมแรงยกของปีกด้วยการควบคุมเครื่องยนต์ เพื่อควบคุมความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านปีก การเปลี่ยนแปลงมุมปะทะของปีกกับอากาศที่ไหลผ่าน ก็ทำให้แรงยกเปลี่ยนแปลงได้เช่นเดียวกัน

มุมปะทะของปีก(incidence) คือมุมที่ชายหน้าปีกทำกับอากาศที่ไหลผ่านปีกในแนวระดับ ยิ่งมีมุมปะทะสูง หรือมุมเงยมาก จะทำให้อากาศไหลผ่านด้านบนของปีกเร็วมากขึ้น ในขณะที่อากาศที่ไหลผ่านด้านล่างของปีกช้าลง ก็จะทำให้เกิดแรงยกมากขึ้น แต่หากมีมุมยกมากเกินไปอากาศที่ไหลผ่านด้านบนและด้านล่างของปีกอาจถูกตัดให้แยกจากกันจนเกิดอากาศปั่นป่วนทำให้สูญเสียแรงยกฉับพลัน นอกจากนี้การเพิ่มมุมปะทะของปีก จะทำให้เกิดแรงต้านเพิ่มขึ้น ทำให้เครื่องบินบินช้าลง อากาศที่ไหลผ่านปีกก็จะช้าลงด้วย ดังนั้น จึงต้องออกแบบไม่ให้มีมุมปะทะของปีกมากเกินไป

เครื่องบินรถกระป๋อง จะต้องออกแบบให้มีมุมปะทะของปีกมากพอสมควร เพื่อช่วยเพิ่มแรงยก เนื่องจากกำลังของมอเตอร์รถกระป๋องตัวเล็ก ๆ อาจสร้างแรงขับดันได้ไม่เพียงพอ

คำตอบของคำถามที่ว่า ทำไมเครื่องบินที่สร้างถึงบินไม่ได้

ดังนั้น สำหรับคำถามของเพื่อน ๆ ว่าทำไมเครื่องบินที่สร้างถึงบินไม่ได้ นั้น ก็ต้องตอบว่า เพราะแรงยกน้อยกว่าแรงโน้มถ่วง หรือไม่ก็แรงขับดันน้อยกว่าแรงต้าน ซึ่งจะต้องแก้ไขตามลำดับดังนี้

ดูว่าแรงยกเป็นอย่างไร ลองพุ่งด้วยมือแบบเครื่องร่อน โดยไม่ต้องติดเครื่อง ถ้าเครื่องสามารถร่อนได้ดี ปัญหาก็อยู่ที่แรงขับดัน ต้องไปแก้ไขที่เครื่องยนต์มอเตอร์ใบพัด ถ้าพุ่งด้วยมือแล้วก็ยังบินหัวปักทิ่มดิน แสดงว่าแรงยกน้อยหรือไม่มี ก็ต้องมาดูที่รูปร่าง Airfoil ของปีกว่าถูกต้องหรือไม่ มุมปะทะชายหน้าปีกน้อยไปหรือไม่ น้ำหนักเครื่องบินมากไปหรือไม่ CG ถูกต้องหรือไม่
ดูว่าแรงขับดันเป็นอย่างไร ดูว่ามอเตอร์ให้แรงขับดันเพียงพอหรือไม่ ใบพัดตักลมได้ดีหรือไม่ เฟืองทดรอบถูกต้องหรือไม่ ถ่านที่ใช้จ่ายกระแสได้เพียงพอหรือไม่

สรุปง่าย ๆ คือ ต้องปรับแก้ไขที่แรงยกของปีกเสียก่อน เมื่อเรียบร้อยแล้วจึงไปปรับแก้ไขที่เครื่องยนต์ เพราะอย่างที่กล่าวตอนแรกสุดว่า เครื่องบิน บินได้เพราะมีปีก ส่วนเครื่องยนต์เป็นเพียงเครื่องมือที่ทำให้อากาศไหลผ่านปีกเท่านั้น ดังนั้น แม้เครื่องยนต์จะแรงเพียงใด แต่ถ้าปีกบกพร่องแล้ว ทำยังไงก็บินไม่ได้

ทำไมปีกของเครื่องบินรถกระป๋องต้องมีมุมยกปลายปีกด้วย

มุมยกปลายปีกทั้งสองข้าง ช่วยให้เครื่องบินเลี้ยวได้โดยไม่ตก

เพื่อน ๆ อาจสงสัยว่า เครื่องบินมีหางเสือก็เลี้ยวได้อยู่แล้ว ดังนี้ มุมยกปลายปีกจะเกี่ยวกับการเลี้ยวอย่างไร

ในปีกที่ไม่มีมุมยกปลายปีก เมื่อบังคับให้หางเสือเลี้ยว จะเกิดแรงเหวี่ยงทำให้เครื่องบินเอียงไปข้างใดข้างหนึ่ง เครื่องบินจะเสียการทรงตัว เช่น เมื่อเครื่องบินเลี้ยวซ้าย เครื่องบินจะเอียงไปทางซ้าย ปีกข้างซ้ายจะต่ำกว่าปีกข้างขวา แรงยกของปีกด้านซ้ายจะลดลงเรื่อย ๆ เพราะแนวแรงจะเฉียงไปด้านข้างแทนที่จะยกขึ้นด้านบน ในขณะที่แรงยกของปีกด้านขวาก็จะลดลงเรื่อย ๆ ในลักษณะเดียวกัน จนกระทั่งปีกเอียงเกือบตั้งฉาก แรงยกของปีกทั้งสองข้างจะลดลงจนต่ำกว่าแรงโน้มถ่วง จนในที่สุดเครื่องบินก็จะหมุนควงไปทางซ้ายและหัวปักลงดิน

การแก้ไขปัญหาปีกเสียแรงยกจากการเลี้ยว ทำได้สองวิธีคือ ติดปีกเล็กแก้เอียงหรือ Aileron ที่ปีก หรือ สร้างให้มีมุมยกปลายปีก (dihedral)

ปีกเล็กแก้เอียงหรือ Aileron จะช่วยบังคับให้ปีกกลับคืนในแนวขนานดังเดิมได้ จึงไม่สูญเสียแรงยก

มุมยกปลายปีก จะช่วยให้ปีกไม่เอียงมากจนกระทั่งสูญเสียแรงยก โดยอาศัยหลักการต้านกันเองของแรงยกปีกทั้งสองข้างเวลาเลี้ยวนั่นเอง

ปีกที่มีมุมยกปลายปีกทั้งสองข้าง เวลาเลี้ยวนั้น เมื่อเครื่องบินเอียงเพราะการเลี้ยว จะทำให้ปีกด้านที่เอียงลงต่ำมีแรงยกมากกว่าปีกด้านที่เอียงขึ้นสูง ทำให้แรงยกของปีกด้านที่ต่ำดันปีกด้านต่ำให้ขึ้นในแนวขนานเหมือนเดิม ส่วนปีกด้านที่เอียงขึ้นสูงก็จะกลับลงมาในแนวขนานเหมือนเดิมเช่นกัน

สรุปว่า มุมยกปลายปีก ช่วยให้เครื่องบินสามารถเลี้ยวได้โดยไม่ควงสว่านตกลงมา นั่นคือทำให้การทรงตัวดีขึ้น การบังคับควบคุมง่ายขึ้น เพราะเครื่องบินสามารถปรับตัวเองให้สมดุลลอยอยู่ในอากาศได้ และแม้จะมีลมพัดมาปะทะด้านข้างทำให้เครื่องบินเอียงไปด้านใดด้านหนึ่ง เครื่องบินก็สามารถปรับตัวกลับมาในแนวขนานได้เอง จึงบินได้อย่างมีเสถียรภาพ

จุด CG สำคัญอย่างไร

CG ย่อมาจาก Center of Gravity แปลว่า จุดศูนย์ถ่วง

จุดศูนย์ถ่วงเกี่ยวข้องกับการทรงตัวของเครื่องบินขณะบินอยู่ในอากาศ

เครื่องบินที่ลอยอยู่บนอากาศนั้น ไม่มีอะไรรองรับ เหมือนกับการจอดอยู่บนพื้น ดังนั้น จึงต้องถ่ายเทน้ำหนักในเครื่องบินให้เหมาะสม เพื่อให้เครื่องบินสามารถบินไปได้ในแนวขนานกับพื้นดิน หรือบินขึ้นไปบนฟ้า ไม่ใช่บินแล้วหัวทิ่มดิน

จุด CG สำคัญมาก อย่างที่กล่าวแล้วว่า แรงยกของปีก ขึ้นอยู่กับมุมปะทะปีกด้วย ดังนั้น หากจุด CG ไม่ถูกต้อง เช่น หัวเครื่องบินหนักกว่าหางเครื่องบิน เวลาบิน หัวเครื่องบินจะต่ำกว่าหาง ทำให้มุมปะทะปีกลดลงเรื่อย ๆ แรงยกจึงลดลงเรื่อย ๆ ทำให้เครื่องบินหัวปักพื้นอย่างรวดเร็ว หรือหากหัวเครื่องบินเบากว่าหาง หัวจะสูงกว่าหาง มุมปะทะปีกจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งอากาศด้านบนปีกกับด้านล่างปีกแยกออกจากกัน ปีกจะสูญเสียแรงยกทันที เครื่องบินจะหล่นจากอากาศ

สรุปว่า ถ้าหัวหนัก เครื่องจะบินเอาหัวทิ่มลงดิน ถ้าหัวเบา เครื่องบินจะเชิดหัวขึ้นสักพักแล้วร่วงลงมา

โดยทั่วไปแล้ว จุด CG จะอยู่บริเวณ 25-40 เปอร์เซ็นต์ จากชายหน้าปีก หรืออยู่บริเวณส่วนที่นูนที่สุดของปีกเมื่อมองจากด้านข้าง ซึ่งเป็นจุดศูนย์กลางของแรงยกปีกด้วย (Center of Lift) เมื่อสร้างเครื่องบินเสร็จแล้ว ก่อนเอาไปทดสอบบิน ต้องถ่วงน้ำหนักให้ถูกต้องเสียก่อน คือ ทำจุดหมุนที่ลำตัวเครื่องบินบริเวณจุด CG โดยอาจใช้นิ้วมือคีบลำตัวเครื่องบินหลวม ๆ หรือผูกเชือกห้อยเครื่องบินในแนวของจุด CG ให้หัวเครื่องและหางกระดกขึ้นลงได้ หากน้ำหนักถูกต้องสมดุล เครื่องบินจะลอยอยู่ในแนวขนานกับพื้น หากยังไม่สมดุล ก็ต้องเพิ่มน้ำหนักหรือลดน้ำหนักที่หัวหรือหางจนกว่าเครื่องบินจะอยู่ในแนวขนาน จากนั้นค่อยนำไปทดสอบบิน แล้วปรับน้ำหนักใหม่จากอาการของเครื่องบินขณะบินจริง ๆ อีกครั้งหนึ่ง