Nguyên lý hoạt động của máy bay [ Cách động cơ hoạt động ]

Nguyên lý hoạt động của máy bay [ Cách động cơ hoạt động ]

Di chuyển bằng đường hàng không trở nên quá phổ biến. Thế nhưng, không phải ai cũng biết được nguyên lý hoạt động để máy bay cất cánh khỏi mặt đất…

Như Ngài Cayley đã nói để duy trì một chiếc máy bay trong chuyến bay, ba yếu tố phải được đảm bảo: lực nâng của máy bay, lực đẩy của nó và cuối cùng là độ ổn định của nó. Máy bay đang bay với vận tốc bay thì chịu tác dụng của 4 lực. 4 lực chính điều khiển máy bay đang bay được tính toán dưới đây.

Hai trong số các lực này được tạo ra bởi sự chuyển động tương đối của không khí so với mặt phẳng. Đầu tiên là thang máy. Lực này hướng lên trên và có tác dụng vuông góc với độ dời của mặt phẳng. Chính nhờ lực này mà máy bay được duy trì trên không.

Thứ hai là lực cản. Nó được tác động theo hướng ngược lại với hướng dịch chuyển của mặt phẳng. Đó là do hành động phá vỡ không khí trên máy bay và trái ngược với sự tiến lên của máy bay. Lực nâng và lực cản được gọi là lực khí động học vì chúng sinh ra từ tác động của không khí do chuyển vị của máy bay.

Ai phát minh ra máy Mp3? Ra đời như thế nào?

Lực do trọng lực, trọng lượng của máy bay, ngược với lực nâng. Sự cân bằng của lực nâng và trọng lượng dẫn đến thực tế là máy bay được duy trì ở độ cao không đổi. Để đảm bảo rằng máy bay tiếp tục chuyển động về phía trước, cần cung cấp một lực bù cho lực gọi là lực cản. Lực này được gọi là lực đẩy.

Lực đẩy được tạo ra bởi hệ thống đẩy của máy bay, động cơ. Trong trường hợp máy bay đang bay ở tốc độ bay, vai trò của động cơ là bù lại lực cản, nhưng không làm cho máy bay leo lên. Mặt khác, tại thời điểm cất cánh, công suất động cơ sẽ được sử dụng để đưa máy bay lên độ cao bay.

Còn những chiếc thủy phi cơ không có động cơ thì sao? Lực nâng của thủy phi cơ thường được bắt đầu bởi một máy bay kéo nó đến một độ cao nhất định. Sau đó, thủy phi cơ được thả và bắt đầu chuyến bay tự hành. Vì nó không có bất kỳ động cơ nào nên nó phải đi theo một quỹ đạo đi xuống so với không khí để giữ tốc độ của nó. Để tránh tiếp cận mặt đất quá nhanh, nó phải tìm các khu vực mà không khí đi theo hướng tăng dần. Điều đó cho phép tục chuyến bay của nó.

Ai phát minh ra Facebook? Lịch sử ứng dụng

Nâng Và Trọng Lượng

Để giữ cho máy bay bay ở độ cao không đổi, lực nâng phải cân bằng lực do trọng lực (trọng lượng của máy bay). Lực nâng này được tạo ra bởi luồng không khí xung quanh máy bay, cụ thể là luồng không khí xung quanh cánh của nó.

Hai trang tính sẽ gần nhau hơn. Trước khi thổi (trong trường hợp không có bất kỳ luồng gió nào), hai tấm dù bất động sẽ chịu áp suất khí quyển ở cả hai phía, áp suất này sẽ giống nhau ở hai mặt của tấm. Nói chung, áp suất khí quyển là không thể đo được.

Sau khi hiểu được áp suất của chất lỏng khi nó ở trạng thái nghỉ ngơi là gì, hãy kiểm tra điều gì xảy ra ngay khi chất lỏng này chuyển động (trong thí nghiệm của chúng tôi là không khí giữa hai tấm). Năm 1738, Daniel Bernoulli áp dụng nguyên tắc bảo toàn năng lượng cho chất lỏng và tuyên bố rằng năng lượng của chất lỏng được tạo thành từ năng lượng do vận tốc của nó – một mặt là động năng và mặt khác là năng lượng do áp suất của nó – thế năng và theo nguyên tắc bảo toàn thì tổng của hai loại năng lượng này không đổi. Nói cách khác có nghĩa là nếu áp suất tĩnh tăng, vận tốc sẽ chỉ có thể giảm và ngược lại.

Trong thí nghiệm của chúng tôi, khi chúng tôi thổi giữa hai tấm, vận tốc của không khí tăng lên giữa các tấm. Kết quả là áp suất trở nên thấp hơn áp suất khí quyển và các tấm bị hút lần lượt. Hiện tượng giống hệt xảy ra trên cánh của một chiếc máy bay khi một luồng không khí bao quanh nó. Hình dạng của cánh, được gọi là biên dạng, được đặc trưng bởi phần trên có hình khum lớn hơn và một cạnh sắc nét. Ngoài ra, trong quá trình bay, cánh của máy bay hơi bị kéo lên, so với quỹ đạo của máy bay như người ta có thể thấy trên hình đối diện, người ta nói rằng cánh có biên độ nhỏ.

Hình dạng đặc biệt này và tỷ lệ xuất hiện sẽ tạo ra một dòng chảy phức tạp, được đặc trưng bởi tốc độ cao hơn ở phần trên của cánh. Theo nguyên lý Bernoulli mà chúng ta vừa thử nghiệm, áp suất lên phần trên của cánh máy bay giảm mạnh. Điều này tạo ra một lực tác động lên: Lực nâng. Nhiệm vụ của phi công là điều chỉnh tốc độ của máy bay và tốc độ của nó trong điều kiện lực nâng cân bằng với trọng lượng của máy bay.

Lực Đẩy: Kéo Và Lực Đẩy

Cho đến nay chúng tôi chỉ xem xét lực nâng yêu cầu biên dạng của cánh. Trên thực tế, không khí di chuyển tương đối với bề mặt của cánh và của thân máy bay tạo ra một lực ma sát “lớn lên như hình vuông” của vận tốc. Máy bay bay càng nhanh thì lực ma sát này càng lớn. Lực cản này trái ngược với chuyển động của máy bay và sẽ phải được bù lại bằng lực đẩy do động cơ cung cấp.

Đừng quên rằng các máy bay được trang bị một thân máy bay, cần thiết cho việc vận chuyển hành khách và hàng hóa. Mặc dù nó đóng góp một phần nhỏ vào lực nâng cần thiết để cân bằng trọng lượng của máy bay, nhưng nó làm tăng một cách đáng kể lực cản khi tiến lên.

Ngoài ra, người ta lợi dụng sự hiện diện của chúng để gắn vào thân máy bay các thiết bị khác nhau cần thiết để điều khiển các thao tác trên máy bay và trên mặt đất. Đó là cơ cấu điều khiển và các bề mặt điều khiển nâng cao, thanh răng, bánh răng hạ cánh,… Tất cả đều góp phần tăng lực cản tiến và được tính vào tổng lực ma sát Kéo.

Ai phát minh ra Giấy? Sự xuất hiện của giấy

Cánh cong

Cũng tồn tại một lực cản được gọi là lực cản cảm ứng, lực cản này cũng trái ngược với chuyển động. Hiện tượng này xảy ra ở cuối cánh. Chúng tôi thấy rằng phần trên của cánh bị lõm và phần dưới của cánh bị quá áp. Điều gì xảy ra ở các đầu từ cánh?

Không khí có xu hướng lách qua cánh để di chuyển từ vùng áp cao xuống vùng khí áp thấp. Điều này sẽ tạo ra các xoáy ở đầu cánh như được thấy trên bức ảnh đối diện. Những xoáy này là những vật tiêu thụ năng lượng mạnh và chúng sẽ tạo ra một lực cản gia tăng đáng kể được gọi là lực cản cảm ứng. Lực nâng càng lớn thì lực cản cảm ứng càng quan trọng.

Có thể hiểu một cách đơn giản rằng lực cản này sẽ càng nhỏ khi sải cánh của máy bay càng lớn. Đó là trường hợp của những chiếc thủy phi cơ không có động cơ và phải tiêu thụ ít năng lượng tiềm năng nhất có thể để ở trên không trong thời gian dài nhất có thể, Trên những chiếc máy bay được thiết kế gần đây, điều đó có thể xảy ra, nhờ vào sự tồn tại bằng vật liệu composite mới, để uốn cong các đầu của cánh.

Thiết bị này được gọi là Winglet và được trình bày ngược lại trên Laserjet 60, được phát triển rất nhiều cho máy bay thương mại và thủy phi cơ, và được biết đến là phổ biến trên các mẫu máy bay mới lớn hơn. Các nhà sản xuất máy bay nỗ lực không ngừng để giảm tiêu thụ máy bay và giảm lượng khí thải gây ô nhiễm của chúng. Loại thiết bị này góp phần tạo nên điều đó.

Ai là người phát minh ra ô tô? Chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới

Các xoáy tạo ra bởi các đầu của cánh cũng có tác động đến việc quản lý không lưu. Thật vậy, những vòng xoáy này có tuổi thọ lớn hơn vì máy bay nặng hơn. Các xoáy này biến mất sau một thời gian nhất định dưới tác dụng của sự hỗn loạn của gió khí quyển và sự tiêu tán tự nhiên của chúng. Do đó, cần phải đợi một khoảng thời gian đủ trước khi máy bay sau cất cánh để tránh việc nó có thể bị mất ổn định do các xoáy tạo ra bởi máy bay vừa cất cánh.

Một yếu tố khác tạo ra lực cản là thiết bị hạ cánh. Đó là lý do tại sao ngay khi không còn cần thiết, nó được rút lại trong thân máy bay. Trong quá trình tiếp cận sân bay, nó chỉ được hạ xuống một thời gian ngắn trước khi hạ cánh, khi máy bay đã giảm tốc đáng kể. Việc triển khai nó luôn tạo ra một tiếng ồn đáng kể do tác động nhiễu loạn của nó đối với dòng chảy xung quanh máy bay.

Lực nâng và lực cản liên quan đến các thuộc tính vật lý và các dòng chảy xung quanh mặt phẳng. Vẫn cần phải hiểu hệ thống được thực hiện để tạo ra lực duy trì máy bay trong chuyến bay. Lực đẩy này được tạo ra bởi động cơ của máy bay, là thành quả của các dự án nghiên cứu lâu dài và phát triển công nghệ.

Hành động làm phồng quả bóng tương đương với việc tăng áp suất bên trong nó lên trên áp suất khí quyển xung quanh. Miễn là người ta duy trì các ngón tay trên đầu mở của quả bóng bay, các lực do áp suất quá cao sẽ được tác dụng lên thành của quả bóng bay. Khi mở đầu cuối, vì áp suất bên trong quan trọng hơn bên ngoài, không khí sẽ được đưa vào chuyển động để đạt đến sự cân bằng của áp suất. Một lực được tạo ra do gia tốc của không khí đẩy ra.

Do tác dụng của phản lực, một lực ngược chiều được tác dụng lên khí cầu và lực đẩy sau đó theo hướng ngược lại. Đây là một minh họa cho nguyên lý phản ứng-hành động nổi tiếng được Newton phát biểu: “với mỗi hành động (Lực), sẽ tương ứng với một hành động ngang bằng và ngược lại”.

Tính Ổn Định Và Khả Năng Cơ Động Của Máy Bay

Chúng ta hãy bắt đầu bằng cách phân biệt giữa tính ổn định và khả năng cơ động của máy bay:
Khả năng cơ động (khả năng điều khiển của nó) được đảm bảo bởi chuyển động của các bộ phận chuyển động của máy bay khiến nó có thể thay đổi độ cao, tốc độ và hướng.

Tính ổn định của nó là đặc tính của nó để được duy trì ở độ cao và chống lại sự dịch chuyển (ví dụ như gió giật) và trong trường hợp có nhiễu động để phát triển một lực khôi phục các điều kiện bay ban đầu. Cho đến nay chúng tôi chỉ xem xét trường hợp của chiếc máy bay đang bay ở tốc độ và độ cao không đổi. Trong trường hợp này, chúng ta thấy rằng máy bay chịu 4 lực cân bằng (Nâng-Trọng lượng, Lực đẩy-Kéo) tác dụng vào trọng tâm của nó.

Khả Năng Cơ Động Của Máy Bay

Ngoài chuyển động của nó theo phương ngang, có thể xem xét các chuyển động bên (hiếm đối với mặt phẳng) và chuyển động quay quanh ba trục. Các chuyển động (biểu diễn trên hình đối diện) xung quanh ba trục tương ứng được gọi là cuộn, tung độ và yaw. Các chuyển động này được đặc trưng bởi các phép quay. Trái ngược với ô tô, thuyền hay tàu hỏa, máy bay có thể chuyển động theo 3 trục. Chuyển động này xảy ra xung quanh trọng tâm của máy bay. Trọng tâm của máy bay là vị trí trung bình mà trọng lượng của máy bay tác dụng. Trên các máy bay truyền thống, ba loại thiết bị nằm ở cơ sở điều khiển chuyến bay: cánh quạt, bánh lái và bộ ổn định ngang.

Các ailerons đang hành động đối lập. Điều này có nghĩa là khi aileron bên phải được nâng lên, thì aileron bên trái sẽ hạ xuống, giúp bạn có thể kiểm soát chuyển động của con lăn . Chuyển động của cuộn này được tạo ra do thực tế là ở phía mà cánh quạt được hạ xuống, lực nâng của cánh sẽ tăng lên, trong khi ở phía mà cánh quạt được nâng lên thì lực nâng giảm. Điều này tạo ra sự mất cân bằng của các lực bên phải và bên trái của cánh và máy bay nghiêng về bên phải hoặc bên trái.

Chuyển động của ngáp là chuyển động khi nhìn từ trên xuống, mũi máy bay chuyển động từ phải sang trái (hoặc từ trái sang phải), máy bay quay quanh trọng tâm của nó trong một mặt phẳng nằm ngang. Chuyển động của ngáp này được điều khiển bởi bánh lái thường nằm ở đuôi máy bay. Thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc giống như bánh lái của thuyền.

Các bày của máy bay là sự chuyển động nơi chiếc máy bay quay xung quanh trung tâm của lực hấp dẫn và nơi mũi của máy bay di chuyển trong một kế hoạch dọc (từ trên xuống dưới hoặc lên trên). Pitching được kiểm soát nhờ các bộ ổn định ngang cũng nằm ở phần đuôi của máy bay.

Tính Ổn Định Của Máy Bay

Chúng tôi vừa mô tả cách phi công có thể tự nguyện điều khiển chuyển động của máy bay của mình. Nó vẫn để gợi lên khái niệm về sự ổn định của máy bay. Người ta thường nói về hai loại khái niệm: ổn định tĩnh và ổn định động. Theo định nghĩa, máy bay cân bằng (một người cũng nói là cắt) trong chuyến bay khi kết quả của các lực và các cặp xung quanh trọng tâm là rỗng.

Việc sửa đổi một trong các thông số của chuyến bay do nhiễu động khí quyển (gió, nhiễu động) hoặc do tác động lên bộ điều khiển, sẽ tạm thời sửa đổi các lực và thời điểm này. Nếu kết quả của chúng có xu hướng đưa thiết bị trở lại vị trí cân bằng, thì aerodyne được coi là ổn định về mặt tĩnh. Nếu không, nó không ổn định về mặt tĩnh. Điều quan trọng cần lưu ý là định nghĩa này bao hàm một xu hướng.

Người ta cũng phân biệt giữa tính ổn định với điều khiển tự do hoặc điều khiển bị chặn, tùy thuộc vào việc liệu các điều khiển có thể di chuyển tự do hay chúng được duy trì ở một vị trí cố định trong quá trình chuyển động kéo theo sự xáo trộn. Trước khi cất cánh, phi công sẽ phải điều chỉnh nhiều cách điều khiển khác nhau để đảm bảo sự ổn định này theo tải trọng của máy bay.