Hằng ngày, chúng ta đều có thêm một viên ngọc kiến thức mới. Hôm nay, hãy cùng Văn Phòng Tuyển Sinh Y Dược Hà Nội đến với bài viết về nguyên lý hoạt động của máy bay. Tại sao máy bay nặng hàng tấn lại có thể vươn lên trong bầu trời? Làm thế nào máy bay hoạt động? Tại sao máy bay có thể bay lên? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu nhé!
Nguyên lý hoạt động của máy bay
Máy bay có thể vượt qua trọng lực và bay lên nhờ vào lực nâng khí động học, hay còn được gọi là lực nâng.
- Lực nâng là sự chênh lệch áp suất không khí ở mặt trên và mặt dưới của đối tượng (thường là cánh máy bay) khi dòng khí chảy đi qua. Đối tượng cần có hình dạng không đối xứng qua trục chính và đường biên của mặt trên lớn hơn mặt dưới. Các đối tượng có hình dạng như vậy được gọi là hình dạng khí động học. Khi khí chảy xung quanh hình khí động, sẽ tạo ra lực nâng khí động và đồng thời tạo ra lực cản. Hình khí động nào tạo ra hiệu ứng lực nâng cao và lực cản ít thì có hiệu suất khí động tốt nhất. Nguyên lý tương tự cũng áp dụng cho chất lỏng (thủy động học).
Hình ảnh minh họa: Khí động lực học ở cánh máy bay
- Khi không khí đi qua cánh máy bay, áp suất tại mặt dưới cao hơn so với mặt trên và dẫn đến lực tác động từ phía dưới cánh lên (theo chiều vuông góc với cánh). Lực nâng có giá trị bằng diện tích cánh nhân với chênh lệch áp suất giữa hai mặt cánh. Chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng của cánh, góc tấn (góc mà không khí chảy so với đối tượng) và tốc độ dòng chảy. Khi vận tốc dòng chảy đạt đến một giá trị nào đó, chênh lệch áp suất (tương đương với lực nâng) sẽ đủ lớn để vượt qua trọng lực và đối tượng có thể bay lên. Để có đủ lực nâng, vận tốc và diện tích cánh phải đủ: cánh càng rộng, máy bay có thể cất cánh với tốc độ nhỏ hơn, ngược lại, cánh càng nhỏ, đòi hỏi tốc độ càng lớn để cất cánh.
Trong máy bay có đôi cánh cố định để tạo lực nâng. Vận tốc ngang của máy bay đạt được nhờ vào lực đẩy ngang tạo ra bởi động cơ (thông qua cánh quạt hoặc dòng khí phản lực). Động cơ quay cánh quạt (hoặc phun dòng khí phản lực) tạo ra lực đẩy, đẩy máy bay chuyển động tương đối với không khí về phía trước. Khi máy bay chuyển động như vậy, cánh máy bay sẽ được bao bọc bởi dòng khí chảy xung quanh và tạo ra hiệu ứng lực nâng khí động học từ phía dưới lên. Khi vận tốc của máy bay đạt đến giá trị nhất định, lực nâng sẽ đủ lớn để vượt qua trọng lực và máy bay sẽ bay lên.
Hậu quả vật lý của hiện tượng này là lực nâng xuất hiện theo phương từ dưới mặt đất đẩy lên bầu trời. Khi máy bay di chuyển càng nhanh, lực nâng càng lớn, cho đến mức lực nâng vượt qua trọng lực Trái đất, đưa cỗ máy khổng lồ hàng trăm tấn lên không trung.
Hình ảnh minh họa: Các bộ phận của máy bay
Đối với máy bay trực thăng, cánh quạt nằm ngang là cánh nâng. Nó cũng đồng thời tạo lực đẩy ngang để trực thăng di chuyển ngang.
Với máy bay có cánh cố định, lực nâng chỉ tồn tại khi đạt đủ vận tốc. Nếu mất vận tốc, lực nâng sẽ mất (hiện tượng thất tốc), do đó máy bay không thể bay ở chỗ. Trực thăng cũng sử dụng nguyên lý lực nâng khí động học, nhưng cánh quạt nằm ngang xoay xung quanh trục, vẫn duy trì động cơ tại chỗ. Do đó, trực thăng có thể bay ở chỗ.
Cơ cấu điều khiển để máy bay có thể bay được
Đối với máy bay có cánh cố định
Máy bay sử dụng các cơ cấu điều khiển bay để thực hiện các chuyển động bay: cất cánh, hạ cánh; bay sang trái, phải; nghiêng cánh; thay đổi độ cao khi bay ngang; hướng mũi máy bay lên, xuống.
Các cơ cấu điều khiển bao gồm: cánh nâng chính, cánh đuôi ngang, cánh đuôi đứng (bánh lái), cánh tà chính và cánh tà đuôi. Nguyên tắc điều khiển bay rất đơn giản theo lực nâng khí động học và mô-men cơ học. Các cánh đuôi (cánh ngang, cánh đứng) chỉ cần kích thước nhỏ vẫn đủ mô-men nhờ vào khoảng cách từ đuôi đến trọng tâm máy bay.
Cánh đuôi ngang tạo lực nâng ở phần đuôi máy bay, lực nâng này cùng với lực nâng ở cánh chính cân bằng mô-men với trọng lực tại trọng tâm máy bay, giúp máy bay không bị lệch hướng (nếu không có cánh đuôi ngang, lực nâng ở đôi cánh và trọng lực tại trọng tâm máy bay sẽ tạo mô-men làm máy bay lệch hướng).
Cánh tà chính và cánh tà đuôi là các phần có thể di chuyển ở phía sau cánh ngang. Cánh tà chính nằm sau cánh nâng chính và có thể thu vào hoặc đẩy dài ra, cũng như có thể chĩa lên hoặc chúc xuống. Cánh tà đuôi nằm phía sau cánh đuôi ngang và chỉ có thể chĩa lên hoặc chúc xuống, không thể thu vào hoặc đẩy dài. Các cánh tà này có chức năng điều chỉnh lực nâng: Khi thu cánh tà chính vào cánh chính, diện tích cánh giảm và lực nâng cũng giảm. Khi đẩy cánh tà ra, lực nâng tăng. Các cánh tà chính và đuôi khi chĩa lên hoặc chúc xuống sẽ thay đổi hình dạng cánh và dẫn đến thay đổi lực nâng: Chĩa lên làm giảm lực nâng, chúc xuống làm tăng lực nâng.
Cánh đuôi đứng có chức năng làm máy bay duy trì hướng bay thẳng về phía trước. Trên cánh đuôi đứng có bộ phận điều khiển bánh lái đuôi, có vai trò tương tự như bánh lái thông thường: Khi bánh lái đứng đối xứng, không có hiệu ứng Zhukovski tác động theo chiều ngang, nhưng khi bánh lái quay sang phải hoặc trái, sẽ tạo lực tác động ngang vào bánh lái, làm máy bay rẽ hướng sang phải hoặc trái tương ứng. Lực này tạo mô-men (từ bánh lái đến trọng tâm máy bay) làm máy bay hướng mũi sang phải hoặc trái.
Cất cánh, hạ cánh: Khi cất cánh và hạ cánh, máy bay cần duy trì lực nâng với tốc độ máy bay thấp nhất. Điều này được thực hiện bằng cách kéo dài cánh tà tối đa và khi cần, chúc mũi cánh tà xuống phía dưới.
Các chuyển động điều khiển hướng bay
-
Nghiêng cánh điều khiển hướng bay: Để nghiêng cánh, cần tạo sự chênh lệch lực nâng giữa hai cánh chính. Ví dụ, khi cánh tà chính bên phải chúc xuống, cánh tà chính bên trái quay lên. Khi đó, lực nâng bên phải lớn hơn lực nâng bên trái, làm máy bay nghiêng cánh sang trái.
-
Đổi hướng bay ngang sang phải, trái: Để đổi hướng bay, sử dụng bánh lái đuôi để quay về phía cần đi. Khi bánh lái quay, đầu máy bay sẽ rẽ về phía tương ứng. Để thay đổi hướng gấp (góc ngoặt lớn), có thể kết hợp bánh lái với nghiêng cánh để rẽ về phía cần đi.
-
Bay lên, bay xuống trong cất cánh và hạ cánh: Để máy bay tăng độ cao lên hoặc hạ độ cao xuống trong khi bay ngang, sử dụng cánh tà (chính và đuôi) để chĩa lên hoặc chúc xuống. Khi cánh tà chính chĩa lên, lực nâng ở đuôi giảm và lực nâng ở cánh chính giữ nguyên, tạo mô-men làm đầu máy bay hướng lên. Khi cánh tà chính chúc xuống, máy bay sẽ hướng đầu xuống. Có thể kết hợp với cánh tà chính để thay đổi sự phân bố lực nâng giữa cánh chính và cánh đuôi, tạo mô-men làm đầu máy bay hướng lên hoặc xuống.
Chuyến bay kết thúc với việc máy bay hạ cánh trên đường băng. Khi máy bay gần tiếp đất, không khí dưới cánh được ép xuống mặt đất, gây ra những luồng xoáy nhỏ và tạo “hiệu ứng mặt đất” (ground effect), khiến máy bay nhô lên trong một khoảng thời gian ngắn trước khi chính thức đặt chân xuống đường băng.
Để có cái nhìn rõ hơn, hãy xem video dưới đây, đảm bảo bật phụ đề (CC) và chuyển sang tiếng Việt để hiểu thêm!
Vậy là qua bài viết này, chúng ta đã hiểu phần nào về nguyên lý hoạt động của máy bay và đã tìm được câu trả lời cho những câu hỏi: Tại sao máy bay có thể bay lên? Cơ chế hoạt động của máy bay là gì? Nếu bạn thấy thú vị, hãy chia sẻ để ủng hộ Văn Phòng Tuyển Sinh Y Dược Hà Nội!
Xem video:
Ấn vào hình để xem video. Hãy đảm bảo bật phụ đề (CC) và chuyển sang Tiếng Việt để hiểu rõ hơn!
