แรงทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics forces)

แรงทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics forces)

ในบทความนี้จะพูดถึงแรงทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics forces) ที่เกิดขึ้นบนแพนอากาศ การที่แพนอากาศเคลื่อนที่ผ่านสนามการไหลของของไหลหรือการที่ของไหล (Flow) เคลื่อนที่ผ่านแพนอากาศ จะมีแรงและโมเมนต์ทางอากาศพลศาสตร์เกิดกับแพนอากาศอันเป็นผลมาจากแรงเนื่องจากการกระจายความดัน (Pressure distribution) และแรงเนื่องจากการแจกแจงความเค้นเฉือน (Shear stress distribution) รอบแพนอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 1 ความดันจะมีทิศตั้งฉากกับผิววัตถุเสมอ ความดันที่มีค่าบวกแสดงด้วยเวกเตอร์ทิศพุ่งเข้าหาผิววัตถุ ส่วนความดันที่มีค่าเป็นลบ (ค่าน้อยกว่าศูนย์) แทนด้วยทิศพุ่งออกจากผิววัตถุ ส่วนความเค้นเฉือนมีทิศสัมผัสกับผิววัตถุ

รูปที่ 1

เมื่ออินทิเกรตแรงเนื่องจากความดันและความเค้นเฉือนรอบแพนอากาศจะได้แรงลัพธ์ R และโมเมนต์สุทธิ M บนแพนอากาศดังแสดงในรูปที่ 2

สามารถแตกองค์ประกอบของแรงลัพธ์ R ได้เป็น 2 รูปแบบ ดังรูปที่ 2 ให้ V เป็นความเร็วลมสัมพัทธ์ในที่นี้ประมาณให้มีค่าเท่ากับความเร็วลมในระยะไกลจากแพนอากาศ หรือที่เรียกว่า ความเร็วกระแสอิสระ (freestream velocity) ส่วนมุมปะทะ (angle of attack) เป็นมุมระหว่างความเร็วสัมพัทธ์กับแนวเส้นคอร์ดของแพนอากาศ เราจะนิยามให้

L = แรงยก (Lift) คือ องค์ประกอบของแรงลัพธ์ ในทิศตั้งฉากกับ ความเร็วลมสัมพัทธ์

D = แรงต้าน (Drag) คือ องค์ประกอบของแรงลัพธ์ ในทิศขนานกับ ความเร็วลมสัมพัทธ์

N = แรงตั้งฉาก (Normal force) คือ องค์ประกอบของแรงลัพธ์ ในทิศตั้งฉากกับคอร์ด

A = แรงแนวแกน (Axial force) คือ องค์ประกอบของแรงลัพธ์ ในทิศขนานกับคอร์ด

รูปที่ 2 แรงลัพธ์และองค์ประกอบของแรงลัพธ์บนแพนอากาศ

สัมประสิทธิ์ของแรงและโมเมนต์ทางอากาศพลศาสตร์

ปริมาณที่สำคัญทางอากาศพลศาสตร์อีกอย่างหนึ่งคือ สัมประสิทธิ์ของแรงและโมเมนต์ ซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีหน่วย

แรงทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำกับอากาศยาน (Aerodynamic Force on Aircraft)

แรงทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำกับอากาศยาน

พิจารณาแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำกับอากาศยาน (คำว่า อากาศยาน หมายถึงยานพาหนะ หรือยานยนต์ที่เคลื่อนที่ในอากาศ เช่น เครื่องบิน จรวด เป็นต้น)  ดังรูปที่ 1 และ2 เมื่ออากาศยานทำการบิน จะมีแรงทางอากาศพลศาสตร์กระทำกับอากาศยาน หลักๆ ดังนี้

1. แรงยก (Lift) คือ แรงที่มีทิศทางตั้งฉากกับทิศทางของความเร็วลมสัมพัทธ์ เป็นแรงที่ทำหน้าที่พยุงอากาศยานให้ลอยได้ในอากาศ
2. แรงต้าน (Drag) คือ แรงที่มีทิศทางขนานกับทิศทางของความเร็วลมสัมพัทธ์ ซึ่งมีทิศทางตรงข้าม กับการเคลื่อนที่ของอากาศยาน
3. แรงขับ (Thrust) คือ แรงปฏิกิริยาที่ขับ (ผลักดัน) ให้อากาศยานเคลื่อนที่ไปข้างหน้า อาศัยหลักการกฎข้อที่สามของนิวตัน (action = reaction)
4. น้ำหนัก (Weight) คือ แรงดึงดูดของโลกที่กระทำกับอากาศยาน มีทิศทางชี้ลงสู่จุดศูนย์กลางของโลกเสมอ

รูปที่ 1 แรงทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำกับเครื่องบิน

รูปที่ 2 แรงทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำกับจรวด
(รูปจาก http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/rktaero.html)