Làm thế nào máy bay có thể bay trên bầu trời?
Máy bay có trọng lượng tới cả trăm tấn. Nhiều người sẽ tự hỏi vậy thứ lực khủng khiếp nào có thể nhấc “con quái vật không trung” ấy lên khỏi mặt đất? Câu trả lời chính là lực nâng khí động lực học (còn gọi là lực nâng Joukowski).
Cụ thể, một chiếc máy bay chuyển động bao giờ cũng chịu tác dụng của 4 lực: lực kéo, lực cản của không khí, lực hấp dẫn và lực nâng. Theo đó, khi máy bay chạy trên đường băng, dòng khí chảy bao quanh cánh máy bay sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt dưới cánh và mặt trên cánh.
Hệ quả vật lý của hiện tượng này là một lực nâng xuất hiện theo hướng từ dưới mặt đất đẩy lên trời. Máy bay càng di chuyển nhanh, lực tăng này càng lớn, cho tới mức lực nâng thắng được trọng lực Trái đất, nhấc bổng cỗ máy khổng lồ hàng trăm tấn lên không trung.
Vì sao máy bay đi về hướng Đông lại nhanh hơn về hướng Tây?
Để giải thích điều này, hãy đi sâu vào tốc độ quay quanh trục của Trái Đất, tại xích đạo, tốc độ đó vào khoảng 1670km/h, tuy nhiên, tại vĩ độ 45, tốc độ chỉ còn khoảng 1180km/h, và ở điểm cực Bắc, tốc độ sẽ là 0km/h.
Vậy nên những thứ ở mặt đất, và lớp không khí tại xích đạo chẳng hạn, cũng có vận tốc là 1670km/h theo vòng quay của Trái Đất.
Chính vì vậy, khi cất cánh theo hướng Đông, hướng quay của Trái Đất, máy bay sẽ bay theo hướng thuận, tức là tốc độ lúc này của máy bay sẽ là 1600km/h tốc độ khi cất cánh cộng với 1670km/h tốc độ quay của Trái Đất, lợi thêm một chút tốc độ dẫn đến thời gian dành cho quãng đường di chuyển sẽ ngắn đi một chút.
Máy bay có bao nhiêu loại cánh?
Các cơ cấu điều khiển bay của máy bay để thực hiện các chuyển động bay: cất cánh, hạ cánh; vòng trái, phải; nghiêng cánh; nâng, hạ độ cao khi bay bằng; hướng mũi bay lên trên, xuống dưới.
Để thực hiện điều khiển bay có các cơ cấu cánh là: cánh nâng chính (wing), cánh đuôi ngang(tail wing), bánh lái độ cao (elevator), đuôi đứng (vertical fin), cánh đuôi đứng (rudder), cánh tà trước (leading-edge flap), cánh tà sau (flap), cánh liệng (aileron), các cánh tà lưng (spoiler), phanh khí động (Leading edge slats).
Nguyên tắc điều khiển bay sử dụng cơ học cổ điển để cân đối lực nâng khí động lực học và mô men cơ học. Các cánh đuôi (cánh ngang, cánh đứng) chỉ cần có kích thước nhỏ vẫn đủ mô men vì cánh tay đòn mô men là khoảng cách khá lớn từ đuôi đến trọng tâm máy bay.
Đuôi ngang để tạo lực nâng ở phần đuôi máy bay, lực này sẽ cùng lực nâng ở cánh chính cân bằng mô men với trọng lực tại trọng tâm máy bay cho phép máy bay không bị lộn vòng (nếu không có cánh đuôi ngang thì lực nâng tại đôi cánh và trọng lực tại trọng tâm máy bay sẽ tạo thành mô men làm máy bay bị lộn vòng).
Các cánh tà sau và cánh liệng là bộ phận cử động được ở phía sau của các cánh ngang. Các cánh tà nằm ở phía sau cánh nâng chính, phía gần thân máy bay có thể thu vào trong cánh chính hoặc đẩy dài ra, ngoài ra còn có thể chúc xuống phía dưới. Chuyển động chúc xuống hoặc kéo dài ra của cánh tà nhằm tăng lực nâng (đồng thời làm tăng lục cản) khi máy bay cất hạ cánh. Chuyển động của cánh tà 2 bên có thể giống nhau hoặc khác nhau tùy loại máy bay và điều kiện bay.
Cánh liệng (aileron) cũng nằm mép sau cánh nhưng ở phía xa thân (đầu mút cánh) chỉ có thể cụp xuống hoặc vểnh lên. Cánh liệng 2 bên khi chuyển động thì sẽ chuyển động ngược chiều nhau nhằm tạo ra một moment xoay làm máy bay xoay quanh trục dọc (rolling) vì khi đó lực nâng 2 bên cánh khác nhau
Cánh lái độ cao nằm ở phía mép sau đuôi ngang. Có thể vểnh lên hoặc cụp xuống để thay đổi lực nâng cánh đuôi, tạo moment xoay quanh trục cánh (moment chúc ngóc – pitching). Hai bánh lái độ cao luôn được điều khiển chuyển động cùng chiều, cùng góc lệch.
Đuôi đứng có chức năng định hướng, giữ cho thân máy bay ổn định theo chuyển động thẳng về phía trước. Trên cánh đuôi đứng có bộ phận cử động được là cánh bánh lái đuôi sẽ đóng vai trò bánh lái thông thường: Khi cánh bánh lái đứng đối xứng sẽ không có lực tác dụng theo chiều ngang nhưng khi nó quay sang phải hoặc trái sẽ sinh lực tác dụng ngang vào bánh lái đuôi sang trái hoặc sang phải tương ứng. Lực này tạo mô men (với tay đòn là khoảng cách từ bánh lái đến trọng tâm báy bay) làm máy bay hướng mũi sang phải hoặc trái tương ứng (yawing).
Các cánh lưng (spoiler) nằm trên lưng cánh chính về phía sau, chỉ có thể ngóc lên, hướng về phía sau. Khi spoiler bên nào ngóc lên, lực nâng cánh đó giảm xuống, máy bay nghiêng về phía đó. Spoiler có tác dụng hỗ trợ cánh liệng (aileron) trong quá trình nghiêng máy bay. Thông thường chỉ spoiler một phía hoạt động, phía kia nằm im.
Slats là các tấm cánh nhỏ nằm ở trên lưng cánh nhưng ở phía trước, khi hoạt động thì vểnh lên, hướng về phía trước có tác dụng như phanh khí động, làm tăng lực cản của máy bay khi máy bay hạ cánh. Thông thường slat của cả hai phía cùng vểnh lên một lúc. Số lượng các aileron, flap, spoiler, slat có thể khác nhau ở các loại máy bay. Nhiều loại máy bay không có slat
Máy bay cất cánh và hạ cánh như thế nào?
Khi cất cánh, hạ cánh vận tốc máy bay thấp mà cần duy trì lực nâng nên cánh cần có diện tích lớn nhất và có hiệu suất khí động cho lực nâng tốt nhất việc này được thực hiện bằng cách kéo dài tối đa cánh tà và chúc cánh tà xuống hết cỡ về phía dưới. Khi tiếp đất có thể bật các slat vểnh lên để tăng lực cản.
Nghiêng cánh: Để nghiêng cánh thì cần tạo chênh lệch lực nâng tại hai cánh chính ví dụ cánh liệng phải thì chúc xuống, cánh liệng trái thì quay lên, khi đó lực nâng tại cánh phải lớn hơn lực nâng tại cánh trái làm máy bay nghiêng cánh sang trái. Để hỗ trợ thêm, người ta bật spoiler bên trái vểnh lên để giảm thêm lực nâng bên trái.
Đổi hướng bay ngang sang phải, trái: Để đổi hướng thì dùng bánh lái đuôi (rudder) cho quay về phía nào thì đầu máy bay rẽ về hướng bên đó. Để đổi hướng gấp (góc ngoặt lớn) thì còn có thể kết hợp bánh lái với nghiêng cánh muốn rẽ về phía nào thì nghiêng cánh về phía đó.
Bay lên, bay xuống: Để máy bay chúc đầu lên – xuống (bay lên, bay xuống) thì hiệu chỉnh bánh lái độ cao (elevator) bằng cách chĩa lên hoặc chúc xuống: Nếu cánh lái độ cao chĩa lên thì lực nâng tại đuôi giảm mà lực nâng tại cánh chính giữ nguyên sẽ tạo nên mô men làm đầu máy bay hướng lên phía trên, nếu cánh lái độ cao chúc xuống thì ngược lại máy bay sẽ chúí đầu xuống. Có thể kết hợp cùng cánh tà sao cho có sự thay đổi tương quan lực nâng tại cánh chính và cánh đuôi và sẽ tạo nên mô men làm đầu máy bay lên hay xuống (xem hình minh hoạ).
Thay đổi độ cao khi bay bằng: bằng cách hiệu chỉnh cánh tà và cánh lái độ cao để tăng hoặc giảm lực nâng. Khi tăng lực nâng máy bay sẽ tăng độ cao lên một mức cân bằng mới, nếu giảm lực nâng máy bay sẽ hạ độ cao xuống mức cân bằng mới thấp hơn.
Nguyên tắc hoạt động của máy bay. Clip nguồn Youtube
