เครื่องบิน บินได้อย่างไร เรื่องไม่ง่าย ที่ใคร ๆ มักเข้าใจผิด

สำหรับนักเรียนที่ได้มีโอกาสเรียนวิชาฟิสิกส์เรื่องของไหลมาแล้ว คำถามที่ว่า ทำไมเครื่องบินถึงบินได้ ก็คงไม่ใช่คำถามที่ยากนัก หลายคนคงสามารถอธิบายโดยอาศัยหลักการทางฟิสิกส์ที่ได้ร่ำเรียนไป และแอบยิ้ม พร้อมกับคิดในใจว่า "คำถามพื้นๆ แบบนี้ ไม่ได้กินเราหร๊อกกก" แต่หารู้ไม่ว่า คำถามพื้นๆ แบบที่ว่ามานี้ นักฟิสิกส์ชั้นครูก็ยังคงถกเถียงกันอย่างไร้ข้อสรุป เอาล่ะสิ มันมีอะไรซับซ้อนกว่าที่เราคิดอีกแล้วครับ  ในองค์ความรู้นี้ผมขอนำเสนอบทความที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการบินของเครื่องบิน ไว้อย่างน่าสนใจ ล้างสมองให้ว่างๆ ลืมคำอธิบายเก่าๆไปก่อน แล้วเปิดใจรับข้อมูลใหม่ๆ ถ้าพร้อมแล้ว ก็เชิญทางนี้ครับ

เบื้องหลังแห่งปีก

ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin, 1824-1907) นักฟิสิกส์ชั้นผู้ใหญ่ ผู้ค้นพบความรู้สำคัญเกี่ยวกับความร้อนไว้มากมายเคบกล่าววาทะเด็ดไว้ (เมื่อกว่าร้อยปีที่แล้ว) ว่า "เครื่องจักรที่หนักกว่าอากาศไม่มีทางบินได้"

ไม่ รู้ว่าลอร์ดเคลวิน "พลาด" หรือ "จงใจ" พูดให้เหล่านักวิทยาศาสตร์และวิศวกรนักประดิษฐ์เกิดแรงฮึด รู้แค่ว่าคำกล่าวนี้ไม่จริงแน่นอน เพราะเครื่องจักรสารพัดรูปแบบพากันบินให้ว่อนพื้นดิน

ที่เราคุ้นเคยกันที่สุดก็คงไม่พ้นเครื่องบิน แต่เครื่องบินก็เหมือนกับงานโฆษณาที่เราไม่ค่อยรู้เบื้องหลังของมัน เอาแค่ "อะไรทำให้เครื่องบินลอยอยู่บนท้องฟ้าได้" ก็ตอบยากแล้ว เหล่านักวิทยาศาสตร์พากันถกเถียงในเรื่องนี้เป็นเวลานาน เพราะนี่เป็นเรื่องสำคัญต่อการออกแบบปีกเครื่องบินให้มีประสิทธิภาพ

จอห์น ดี. แอนเดอร์สัน (John D. Anderson) วิศวกรการบินผู้เขียนหนังสือเกี่ยวกับเครื่องบินไว้หลายแง่มุมถึงกับกล่าว ด้วยความประหลาดใจทำนองว่า "เป็นเรื่องน่าแปลกที่เรายังคงถกเถียงกันเพื่ออธิบายว่า อะไรทำให้เกิดแรงยกต่อเครื่องบินทั้งที่เราประดิษฐ์เครื่องบินกันมาได้ตั้ง นานแล้ว"

ก็ไม่น่าแปลกที่จะสงสัย เพราะเครื่องบินไม่ได้มีไอพ่นขับดันแบบจรวดที่เห็นได้ชัดๆ ว่ากำลังผลักดันจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้าไปตรงๆ แต่แรงยกของเครื่องบินเกิดบริเวณปีกเครื่องบิน

รูปแสดงลักษณะของปีกเครื่องบิน

คราวนี้ถ้าได้นั่งเครื่องบินติดๆ หน้าต่าง ลองมองออกไปข้างนอก จะสังเกตเห็นปีกเครื่องบินมีลักษณธลาดลงมาทางด้านหลังเล็กน้อย ดังรูปด้านบน

หากมองภาพตัดขวางของปีกเครื่องบินจะเห้นว่า อากาศที่ปะทะเครื่องบินด้านหน้าจะเคนื่อนผ่านปีกเครื่องบินไปทางด้านหลังแล้วเคลื่อนที่ลงดังรูป

รูปแสดงลักษณะการเคลื่อนที่ของอากาศผ่านปีกเครื่องบิน

ในสถานการณ์จริงอากาศไม่ได้มีลักษณะราบเรียบแบบที่เห็นในรูป ลักษณะกระแสอากาศในรูปนี้เป็นการวาดเพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น แต่ในความเป็นจริงจะมีกระแสอากาศไหลวนเกิดขึ้น การคิดคำนวณที่ถูกต้องสมบูรณ์กว่าจึงต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย

รูปแสดงลักษณะกระแสอากาศไหลวน

เราอาจมองได้ว่าปีกเครื่องบินออกแรงผลักอากาศให้เปลี่ยนทิศทางมาเคลื่อนที่ลง ทำให้อากาศออกแรงผลักเครื่องบิน ในทิศขึ้น! เป็นรีแอ็กชั่นที่เกิดในทิศทางตรงกันข้าม หลักการเดียวกับเวลา้ราจะขึ้นจากสระน้ำ เราใช้แขนออกแรงกดยันขอบสระ ทำให้ขอบสระออกแรงดันตัวเราขึ้นมา

แต่บางทีเรามักได้ยินคำอธิบายเรื่องนี้อีกแนวหนึ่ง ซึ่งมักผิดพลาดในรายละเอียด นั่นคือการอธิบายว่า อากาศที่เคลื่อนผ่านด้านบนของปีกเครื่องบินกับอากาศที่เคลื่อนผ่านปีกด้านล่าง เดินทางไหลมาบรรจบเจอกันตรงท้ายปีกเครื่องบินพร้อมๆกัน ลักษณะความโค้งของปีกเครื่องบินทำให้เราพบว่าอากาศที่ไหลผ่านด้านบนของปีกจะเดินทางเร็วกว่าอากาศที่เดินทางด้านล่างของปีก แปลว่าอากาศด้านบนจะไหลเร็ว ขณะที่อากาศด้านล่างจะไหลช้า จากนั้นจึงนำหลักของแบร์นูลลี (Daniel Bernoulli) เข้ามาสรุปว่า การเกิดแรงดันปีกเครื่องบินในทิศขึ้นนั้นเป็นเพราะ "อากาศด้านล่างที่ไหลช้ามีความดันสูงกว่าอากาศด้านบนที่ไหลเร็ว" คำอธิบายนี้ผิด ตรงที่บอกว่า "อากาศสองส่วนเดินทางไหลมาบรรจบเจอกันตรงด้านท้ายของปีกเครื่องบินพร้อมๆกัน" เพราะจริงๆแล้วมันไม่จำเป็นเลยที่อากาศทั้งสองส่วนจะเดินทางถึงท้ายปีกพร้อมกัน มันไม่ได้นัดกันสซะหน่อยว่าต้องมาถึงพร้อมกัน

แต่คำอธิบายนี้ก็ไม่ได้ผิดไปซะทั้งหมด เพราะอากาศที่ไหลผ่านปีกเครื่องบินด้านบนไหลเร็วกว่าด้านล่างจริงๆ ดังรูป

รูปแสดงการทดลองฉีดควันใส่วัตถุที่มีลักษณธเหมือนปีกเครื่องบิน จะเห็นได้ชัดเจนว่า ควันเส้นสีขาวๆ ที่ไหลผ่านด้านบนของปีกเครื่องบินไหลได้เร็วกว่าควันด้านล่าง

ปัจจุบันคำอธิบายส่วนใหญ่มองว่า แรงยกตัวนั้นมาจากทั้งสองแนวคิด คือ ทั้งจากอากาศที่เคลื่อนที่ลง (รีแอ็กชั่น) และจากหลักของแบร์นูลลี ส่วนคำอธิบายจริงๆ จังๆ ว่าสองส้วนนี้ส่งผลมากน้อยกว่ากันแค่ไหน อย่างไร ค่อนข้างซับซ้อนมาก

บทความนี้ชี้ให้เห็นว่า เบื้องหลังเรื่องราวหรือเทคโนโลยีหนึ่งๆนั้น มีความซับซ้อนซ่อนอยู่มากมาย บางครั้งหากเราไม่มองเรื่องราวหนึ่งๆ อย่างฉาบฉวย เราอาจเห็นเบื้องหลังการถ่ายทำอับซับซ้อนที่แอบซ่อนอยู่

ที่มา : หนังสือมายากลศาสตร์ สำนักพิมพ์มติชน โดย Mister Tompkin