เครื่องบิน - อ่านสารานุกรมไทย

          ส่วนสำคัญของเครื่องบิน อาจแบ่งออกเป็นส่วนใหญ่ๆ ได้ ๒ ส่วน คือ เครื่องยนต์และเครื่องบิน
          เครื่องยนต์ในระยะเริ่มแรกเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ มีกำลังแรงน้อย ใช้แบบระบายความร้อนด้วยอากาศ และแบบระบายความร้อนด้วยของเหลว มีใบพัดเป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำให้เกิดแรงฉุดเครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ในสมัยต้นๆ ใบพัดจะทำด้วยไม้เนื้อแข็งและเหนียวที่สุดมีจำนวนกลีบตั้งแต่ ๒ ถึง ๔ กลีบ ต่อมาได้เปลี่ยนไปใช้โลหะผสมซึ่งแข็งแรงทนทานและดีกว่าไม้ จึงสามารถสร้างใบพัดให้มีจำนวนกลีบมากที่สุดถึง ๕ กลีบ 
          เครื่องบิน มีส่วนประกอบสำคัญ คือ ลำตัว ปีก หาง และฐานล่าง

           มีลักษณะเป็นแพนอากาศ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญในการให้แรงยกสำหรับพยุงเครื่องบินทั้งเครื่องให้ลอยอยู่ในอากาศได้ สมัยแรกๆ ปีกเครื่องบินจะประกอบด้วยเอ็นซึ่งทำด้วยไม้ มีน้ำหนักเบา ยึดติดอยู่กับแกนปีกซึ่งเป็นไม้เนื้อเหนียวและแข็งแรง ทั้งเอ็นปีกและแกนปีกจะหุ้มด้วยผ้าเช่นเดียวกับลำตัว ที่ชายหลังปีกเล็กๆ ยาวประมาณหนึ่งในสามของปีกใหญ่ติดอยู่เรียกว่า ปีกเล็กแก้เอียงซึ่งขยับขึ้นลงได้ ทำหน้าที่บังคับการเอียงของเครื่องบินทั้งเครื่อง หรือมีหน้าที่บังคับ อาการหมุนรอบแกนลำตัวทางยาวของเครื่องบินขณะอยู่ในอากาศ สำหรับเครื่องบินสมัยใหม่ ทั้งแกนปีกและเอ็นปีกจะทำด้วยโลหะและบุด้วยโลหะแทนผ้าที่กล่าวแล้ว ส่วนปีกเล็กแก้เอียงอาจจะยังคงใช้ผ้าบุ หรือบุด้วยโลหะเหมือนผิวปีกก็ได้ และภายในปีกโลหะนี้อาจใช้ปริมาตรภายในส่วนใหญ่เป็นถังเชื้อเพลิงได้อีกด้วย ตามปกติ ปีกจะติดอยู่กับลำตัวตรงตำแหน่งที่จะใช้แรงยกต่อเครื่อง-บินทั้งเครื่องดีที่สุด เครื่องบินที่มีปีกมากกว่าหนึ่งชั้น (๒ หรือ ๓ ชั้น) จะมีเสาค้ำปีก ยึดปีกทุกชั้นให้ติดกันและมีลวดแกงแนงยึดโยงเสาค้ำปีกเหล่านั้น เพื่อเพิ่มความแข็งแรงขึ้น สำหรับเครื่องบินปีกชั้นเดียวที่ประกอบปีกเข้ากับลำตัวแบบคาน จะไม่มีลวดแกงแนงยึดโยงด้วย
          เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงานของปีก ควรทราบเหตุผลเบื้องต้นก่อนสองประการ ประการแรกทำไมปีกจึงต้องทำให้เป็นแพนอากาศที่มีภาคตัดขวางเป็นรูปเพรียวลม และทำไมจึงเกิดแรงยกที่ปีกถ้าอากาศพัดผ่านวัตถุอันหนึ่ง จะเกิดแรงซึ่งเปลี่ยนหรือพยายามจะเปลี่ยนอาการเคลื่อนไหวหรือทำให้เกิดหรือพยายามทำให้เกิดอาการเคลื่อนไหวในวัตถุนั้นๆ หรืออีกนัยหนึ่ง เมื่อมีแรงซึ่งเกิดจากอากาศพัดมากระทบวัตถุใดๆ เข้า ก็จะมีแรงต้านเกิดขึ้น ในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ ขนาดและทิศทางของแรงนี้มีส่วนสัมพันธ์กับขนาด รูปร่างของวัตถุและความเร็วของลมที่พัดผ่านนั้น ที่เป็นดังนี้ก็เนื่องด้วย อากาศที่พัดผ่านนั้นต้องเปลี่ยนอาการไหลไปรอบๆ วัตถุ และเหนียวติดไปกับวัตถุ จึงเกิดแรงต้านทานขึ้น
          อากาศพัดผ่านวัตถุสี่เหลี่ยมตั้งฉากกับทิศทางของลม ลักษณะเช่นนี้จะเกิดแรงต้านทานมากที่สุด เมื่ออากาศผ่านไปแล้ว จะเกิดความปั่นป่วนขึ้นข้างหลัง และช่วยดูดเอาวัตถุสี่เหลี่ยมนี้ไว้ยิ่งกว่านั้น ความกดดันในบริเวณที่ปั่นป่วนนี้จะน้อยกว่ารอบนอก
          ถ้าอากาศไหลผ่านลูกกลมซึ่งมีพื้นปะทะเท่ากับพื้นที่ของวัตถุสี่เหลี่ยมอันก่อน แรงต้านทานจะน้อยลงกว่าที่เกิดกับวัตถุสี่เหลี่ยมในเมื่ออากาศพัดผ่านไปด้วยความเร็วเท่ากัน ทั้งนี้เนื่องจากรูปร่างช่วยให้อากาศไหลผ่านไปรอบๆ ได้สะดวก ความปั่นป่วนของอากาศข้างหลังลูกกลมก็น้อยลง จึงได้ชื่อว่า เพรียวลมดีกว่าวัตถุสี่เหลี่ยม
          เมื่อพิจารณารูปเพรียวลมแล้วจะเห็นได้ว่ามีแรงต้านทานน้อยที่สุด หัวของรูปเพรียวลมนี้ช่วยเปิดช่องทางเดินให้อากาศไหลผ่านไปได้สะดวก ส่วนทางด้านหลังก็ช่วยให้อากาศค่อยๆ คืนตัวเข้าหากัน จึงไม่เกิดความปั่นป่วนขึ้นดังรูปอื่นๆ เพราะฉะนั้นความต้านทานที่เหลือบ้างก็เพียงแต่ความเหนียวของอากาศ ติดอยู่ตามผิวนอกของวัตถุเพรียวลมเท่านั้น แต่ไม่มีแรงยกเกิดขึ้นเลย
          คราวนี้ลองเอาแผ่นราบแบนมาตั้งชันขึ้นเป็นมุมเล็กน้อยกับทิศทางที่อากาศไหลผ่านจะเกิดกำลังดันขึ้นตั้งได้ฉากกับแผ่นราบนั้น ทั้งนี้เพราะอากาศต้องแยกตัวที่ขอบหน้าแล้วเปลี่ยนทิศไหลไปตามพื้นที่ผิวด้านบนและผิวด้านล่าง แล้วจึงรวมตัวเข้าหากันอีกที่ขอบหลังของแผ่นราบนั้น
          ส่วนปีกของเครื่องบินจะทำหน้าที่เปลี่ยนทิศทางพัดของอากาศเมื่อปีกเคลื่อนที่ผ่านไป ทั้งนี้โดยกดอากาศให้พัดอ้อมไปตามแนวชายหลังของปีก ในขณะเดียวกันอากาศก็ดันตอบที่ปีกด้วยกำลังเท่ากัน แต่ในทิศทางตรงกันข้าม อากาศจะพัดผ่านปีกหรือปีกจะเคลื่อนที่ไปในอากาศก็ได้ผลเช่นเดียวกัน ขอแต่ให้ได้ความเร็วพอที่จะให้กำลังดันที่เกิดขึ้นนั้นมาก พอที่จะนำมาใช้เป็นประโยชน์ได้ เครื่องบินมีน้ำหนักมาก ลมที่พัดอยู่ในอากาศตามปกติไม่มีความเร็วพอที่จะทำให้เกิดแรงยกสู้กับน้ำหนักถ่วงเครื่องบินได้ เครื่องบินจึงอยู่นิ่งๆ ในอากาศไม่ได้ แต่ต้องเคลื่อนที่ไปเสมอ และด้วยความเร็ว พอที่จะได้กำลังมากพอยกตัวเองได้ ขอเน้นอีกครั้งว่าปีกเครื่องบินนี้ไม่ได้ผ่านไปในอากาศเฉยๆ แต่กดอากาศให้ไหลลงเบื้องล่างตลอดเวลา ถ้าไม่มีอากาศกดดังว่านี้เครื่องบินจะอยู่ในอากาศไม่ได้
          ถ้าลองพิจารณาเฉพาะแต่ปีกเครื่องบิน โดยไม่กล่าวถึงส่วนอื่นๆ เลย ก็มักจะเรียกปีกนั้นเพียงว่า "แพนอากาศ" ซึ่งอาจให้คำจำกัดความว่า เป็นแผ่นราบแบนๆ ส่วนหนามากทางด้านหน้าและเสี้ยมให้เล็กเรียวลงไป ทางด้านตรงกันข้าม แพนอากาศนี้เป็นลักษณะรูปที่ดีที่สุดในการจะได้ให้เกิดกำลังดัน กำลังยก ซึ่งตั้งได้ฉากกับผิวโค้งของแพนอากาศนั้น จากความจริงอันนี้จึงเกิดการทดลองอย่างขนานใหญ่เพื่อหาแพนอากาศลักษณะต่างๆ ผลของการทดลองก็ได้รูปแพนอากาศดังแสดงไว้นี้
          แพนที่หนึ่งมีส่วนโค้งน้อยแต่หนา มีแรงต้านน้อยเหมาะสำหรับเครื่องบินที่ต้องการ ความเร็วสูงอย่างเครื่องบินขับไล่
          แพนที่สองมีส่วนโค้งมาก แต่บาง มีแรงยกมาก เหมาะสำหรับเครื่องบินที่ช้าๆ แต่บรรทุกได้มากๆ เช่น เครื่องบินลำเลียง
          แพนที่สาม มีส่วนโค้งด้านบนงอนขึ้นนั้น มีอาการทรงตัวดีมาก
          แพนที่สี่ ส่วนโค้งเปลี่ยนเสมอเหมาะสำหรับสร้างเครื่องบินที่ต้องการความเร็วสูง แต่มีความเร็วร่อนลงต่ำ

          ยังมีแพนอื่นๆ อีกนับเป็นจำนวนพัน แต่ละอันต่างก็มีคุณสมบัติพิเศษประจำตัว แต่จะให้อันใดอันหนึ่งมีลักษณะดีพอสร้างเครื่องบินได้ทุกแบบนั้น เป็นไปไม่ได้ ในบางโอกาสต้องผสมส่วนประกอบของแพนอากาศเหล่านี้หลายแพนในปีกเดียว
          นอกจากกำลังยกแล้วยังมีกำลังดึงมาข้างหลังปนอยู่อีก ในที่นี้จะเรียกว่ากำลังต้านทาน ซึ่งคงมีประจำวัตถุทุกชนิดที่ผ่านอากาศ แต่อาศัยการสร้างแพนอากาศให้เป็นรูปเพรียวลมที่สุดที่จะทำได้ ดังที่แสดงรูปมาแล้วนั้น จึงช่วยลดแรงต้านลงไปมาก
          ขอให้พิจารณาลักษณะและส่วนต่างๆ ของปีกโดยสรุปจากภาพอีกครั้งหนึ่ง เพื่อจะได้ทำความเข้าใจในการเกิดแรงยกต่อไป
          ปีกเป็นแพนอากาศ ซึ่งเป็นแผ่นบาง ผิวเรียบ เกือบตอนกลางของภาคตัดขวางหนาที่สุดแล้วค่อยๆ เรียวลงไปหาขอบหน้าและขอบหลัง
          คอร์ด เป็นเส้นตรงเชื่อมระหว่างขอบหน้าและขอบหลังแพนอากาศใช้เป็นเครื่องกำหนดความกว้าง
          ผิวด้านบน เป็นผิวเรียบซึ่งมีส่วนโค้งมากที่สุดระหว่างขอบหน้ากับขอบหลังของแพนอากาศอยู่ด้านบนของคอร์ด
          ผิวด้านล่าง เป็นผิวเรียบเช่นเดียวกับด้านบน มีส่วนโค้งน้อยกว่าและอยู่ด้านล่างของคอร์ด
          แรงยก เกิดขึ้นบนแพนอากาศ เป็นแรงซึ่งทำมุมตั้งได้ฉากกับทิศทางลมที่พัดผ่านแพนอากาศ
          แรงต้าน เกิดขึ้นพร้อมกับแรงยกในขณะกระแสอากาศไหลผ่าน แพนอากาศเป็นแรงที่ขนานและมีทิศทางเดียวกับทิศทางลม
          มุมปะทะ คือ มุมระหว่างเส้นคอร์ดกับทิศทางลมที่พัดผ่านแพนอากาศจากขอบหน้าไปยังขอบหลัง ถ้าเพิ่มมุมปะทะสูงขึ้น จะได้แรงยกมากขึ้น แต่ที่จุดวิกฤตของมุมปะทะแรงยกจะสลายลงทันที
          เมื่อกระแสอากาศไหลผ่านแพนอากาศจากขอบหน้าไปยังขอบหลัง กระแสอากาศส่วนที่ผ่านไปเหนือผิวด้านบน จะเพิ่มความเร็วขึ้นเนื่องจากความโค้งของปีก ทำให้ความกดดันเหนือผิวปีกด้านบนลดลง เกิดเป็นแรงดูดซึ่งพยายามยกปีกขึ้น สำหรับกระแสอากาศส่วนที่ไหลใต้ปีกถูกกดลงเพราะอากาศปะทะกับปีก จึงเพิ่มความกดดันขึ้นเกิดเป็นแรงช่วยยกปีกเสริมกัน หากแต่ความกดดันใต้ปีกมีส่วนน้อยกว่าแรงดูดขึ้นเหนือปีกเท่านั้น ความกดดันที่กระทำบนผิวปีกโดยรอบไม่เท่ากันตลอด แต่มีลักษณะการกระจายดังภาพข้างบน
          ในขณะเดียวกัน การที่ปีกเงยขึ้นเล็กน้อย ทำให้เกิดกระแสอากาศผลักขึ้นที่ตอนหน้าของขอบหน้า และผลักลงที่ขอบหลังของแพนอากาศด้วย เกิดผลลัพทธ์เป็นแรงยกอีกส่วนหนึ่ง
          ปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้ทำให้เกิดแรงยกขึ้นเบื้องบนในทิศทางตั้งฉากกับการไหลของกระแสอากาศ
          ค่าของแรกยกดังกล่าวอาจหาได้จากสมการมูลฐานของแรงยกต่อไปนี้
          L = 1
             2 PC1V2S
เมื่อ    L = แรงยกเป็นปอนด์ (lift, lbs)
          C1 = สัมประสิทธิ์ของแรงยก คำนวณได้จากลักษณะต่างๆ ของปีก (lift coefficient)
          P  = ความหนาแน่นของอากาศ เป็นสลักต่อลูกบาศก์ฟุต (air density, slugs per cu.ft.)
          V  = อัตราความเร็วของอากาศเป็นฟุตต่อวินาที (air velocity, ft. per sec.)
          S  = พื้นที่ผิวของปีกเป็นตารางฟุต (wing surface area, sq. ft.)