Tại sao máy bay cần lực đẩy?

Nhiều người trong chúng ta cho rằng lực đẩy này cần thiết để chống lại lực cản (drag force). Vậy thực hư mọi chuyện ra sao?

Câu chuyện bắt đầu từ trường hấp dẫn do anh chàng trái đất của chúng ta gây ra. Mọi vật nằm trong trường hấp dẫn của ảnh sẽ chịu một trọng lực hướng vào tâm trái đất. Như vậy mọi vật muốn treo lơ lửng trên không trung thì phải có ngoại lực tác dụng lên vật thể và cân bằng với trọng lực của vật thể. Máy bay của chúng ta cũng không phải là ngoại lệ.

Image result for gravitational field earth

Hình 1: Trường hấp dẫn do trái đất tạo ra.

Hãy tưởng tượng một chiếc máy bay đang đỗ ở đường băng trong khi không khí tĩnh lặng (nói cách khác không có sự chuyển động tương đối giữa máy bay và không khí xung quanh). Tại sao máy bay không bị nâng lên? Chúng ta hãy quan sát các phần tử khí ở mức độ vi mô, các phân tử không khí luôn luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn và trong một khoảng thời gian dt có rất nhiều va chạm của các phần tử khí vào các bộ phận của máy bay. Sự va chạm này là để lại hậu quả là máy bay nhận động lượng từ các phần tử khí và các phần tử khí thay đổi động lượng và hướng chuyển động. Tổng động lượng trong một đơn vị thời gian mà máy bay nhận được từ các phân tử khí chính là lực do không khí xung quanh tác dụng lên máy bay bằng 0 (phần động lượng trao đổi trong một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian là áp suất, thuật ngữ các bạn thường dùng đó). Do không khí ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học và chuyển động của các phần tử được coi là đồng nhất đẳng hướng nên về mặt thống kê lực tổng mà các phần tử khí xung quanh tác dụng lên máy bay bằng 0. Tới đây, ta kết luận được là máy bay đứng yên so với không khí xung quanh sẽ không sinh ra ngoại lực nào chống lại trường trọng lực.

Tiếp nữa, giờ ta hãy tưởng tượng máy bay chuyển động bằng và tương đối với dòng không khí xung quanh (máy bay đứng yên và dòng khí đi qua hoặc máy bay chuyển động trong không khí tĩnh). Do thiết kế cánh và vị trí của cánh (góc tấn dương), phần mặt dưới của cánh nhận được động lượng mà thành phần chủ yếu ngược chiều với trọng lực sinh ra lực ngược chiều với trọng lực trong khi phần mặt trên cánh cũng nhận được động lượng gồm có thành phần hướng xuống dưới và phương ngang sinh ra, thành phần động lượng hướng xuống sinh ra lực cùng chiều với trọng lực. Do thiết kế cánh và vị trí của cánh (góc tấn dương), số lượng phần tử khí va chạm với mặt dưới nhiều hơn mặt trên sinh ra hệ quả tất yếu của phần động lượng trao đổi giữa các phần tử khí và máy bay theo phương thẳng đứng là lực nâng. Còn thành phần động lượng trao đổi giữa phần tử khí và máy bay theo phương ngang tạo ra lực cản. Ở đây ra rút ra hai kết luận: Thứ nhất, muốn có lực nâng thì tất yếu phải có sự chuyển động tương đối giữa máy bay và không khí xung quanh. Thứ hai, lực nâng được sinh ra đồng thời và không bao giờ tách rời với lực cản. Tất nhiên muốn máy bay treo lơ lửng được thì lực nâng phải đủ sức chống lại với trọng lực. Muốn vậy thì vận tốc tương đối giữa máy bay và không khí xung quanh và mật độ không khí phải đủ lớn.

Wingair 1

Hình 2: Các phần tử chất lỏng tương tác với cánh máy bay.

Vậy làm sao để có được sự chuyển động tương đối của dòng không khí xung quanh và máy bay? Tất nhiên là ta phải tạo ra tác dụng lực theo phương ngang lên máy bay làm cho máy bay chuyển động tương đối với dòng khí xung quanh. Khi đó người ta phải treo vào máy bay một hoặc một vài động cơ để tạo ra lực đẩy theo phương ngang.

Trong trường hợp không khí tĩnh, khi máy bay bắt đầu chuyển động do lực đẩy tác dụng lên máy bay, lực nâng và lực cản bắt đầu hình thành trên máy bay. Ban đầu, do lực cản nhỏ hơn so với lực đẩy nên máy bay gia tốc, tốc độ máy bay tăng lên. Đồng thời với tốc độ tăng lên là lực nâng và lực cản cũng tăng lên. Khi lực cản tăng lên và đạt bằng lực đẩy thì vận tốc của máy bay giữ ổn định. Tất nhiên tốc độ ổn định này xảy ra tại trạng thái lực nâng bằng trọng lực, nếu không, máy bay không còn trạng thái bay bằng.

Image result for molecules and aircraft wing lift

Hình 3: Các lực tác dụng lên cánh máy bay.

——————————-***———————————

Tài liệu tham khảo:

(1) https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-8f216b9ed344695d83c0d4d02d661f56https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lift1.html

(2) https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lift1.html

(3) https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lift1.html

Trả lời