Inhoud
Een door de mens gemaakt vliegtuig vliegt volgens dezelfde fysische principes als een vogel: het moet zwaartekracht overwinnen om lift en vlucht te bereiken. De vleugels van een vliegtuig werken om de lift te genereren, en ze bereiken dit door de luchtstroom rond hen te buigen. Zonder vleugels is een vliegtuig slechts een auto.
Luchtmacht
Vliegtuigen - en vogels - kunnen vliegen omdat ze vier krachten in evenwicht houden: heffen, gewicht, slepen en stuwen. Een vliegtuig gaat de lucht in wanneer de lift - de kracht die omhoog duwt op het onderste oppervlak van zijn vleugels - het gewicht van het vliegtuig overschrijdt vanwege de zwaartekracht. Lift wordt gecreëerd door de luchtstroom rond het vliegtuig, vooral rond de vleugels. Drag is de kracht van luchtweerstand tegen de beweging van het vliegtuig. Deze kracht neemt toe met verhoogde vliegtuigsnelheid, maar neemt af als het vliegtuig een soepele of aerodynamische vorm heeft. De motor en het voortstuwingssysteem van het vliegtuig, jet of propeller, genereren een stuwkracht om de weerstand te overwinnen.
Newton en Bernoulli
Twee Europese wetenschappers legden de principes van vliegtuigvluchten uit. De Engelse natuurkundige Isaac Newton (1642–1727) somde drie bewegingswetten op die van toepassing zijn op alle bewegende objecten. De eerste is dat objecten in rust of in uniforme beweging blijven tenzij ze worden gedwongen om te veranderen door een externe kracht. De tweede stelt dat een kracht gericht op een object ervoor zorgt dat het versnelt in de richting van die kracht. De derde stelt dat er voor elke kracht een gelijke en tegengestelde kracht bestaat. De Zwitserse wiskundige Daniel Bernoulli (1700-1782) was een pionier in het ontwikkelen van een wiskundige verklaring voor vloeistofdynamica, de mechanica van hoe vloeistoffen en gassen stromen. Zijn belangrijkste bevinding, bekend als het Bernoulli-principe, stelt dat naarmate de snelheid van de luchtstroom toeneemt, de druk afneemt.
Hoek van aanvallen
Vliegtuigvleugels zijn ontworpen om enigszins horizontaal te kantelen, ook bekend als het vluchtpad. Deze kantelhoek wordt de invalshoek genoemd en is de belangrijkste variabele bij het genereren van lift. Een vliegtuig begint te bewegen wanneer de piloot stuwkracht van de motor toepast om het vliegtuig vooruit op de grond te laten rijden. De piloot draait het vliegtuig omhoog door zijn neus op te tillen om de aanvalshoek te vergroten en op te stijgen. Een te grote invalshoek zal het vliegtuig echter blokkeren.
Flow kromming
Lift wordt gegenereerd door lucht die rond de vleugels van een vliegtuig buigt. Terwijl de luchtstroom de voorrand van een vleugel raakt, splitst deze in twee, sommige stromen langs het bovenoppervlak en sommige stromen langs het onderliggende oppervlak. De vorm van een vleugel is enigszins asymmetrisch, met een groter oppervlak aan de bovenkant. De luchtstroom kleeft aan het bovenoppervlak terwijl deze tussen de voorste en achterste randen van de vleugel beweegt, waardoor de druk wordt gebogen en de druk wordt verlaagd volgens het Bernoulli-principe. Terwijl het vliegtuig snelheid verzamelt, neemt de lift toe volgens de tweede bewegingswet van Newton. Dit verhoogt op zijn beurt de luchtkromming op het bovenoppervlak, waardoor meer lucht vanaf de achterrand van de vleugels wordt gedwongen. Terwijl het vliegtuig door de lucht beweegt, buigt de onderkant van de vleugels die naar de luchtstroom onder de invalshoek is gericht ook een beetje luchtstroom naar beneden af. Deze neerwaartse luchtstroom genereert een gelijke en tegengestelde reactie in een opwaartse stroom van hogedruklucht (de derde wet van Newton), waardoor de lift toeneemt en het vliegtuig in de lucht blijft.