สนุกกับการบิน : หลักการบินเบื้องต้น สร้างสรรค์ การเรียบเรียงกระบวนการสร้าง การแก้ไขปัญหา
สื่อการเรียนรู้ชุดนี้ จะช่วยให้นักเรียนเกิดแรงบันดาลใจในเรื่องการบินและอากาศยาน ผ่านเครื่องร่อนพุ่งด้วยมือแบบปีกชั้นเดียว และปีกสองชั้น เครื่องบินพลังยางปีกชั้นเดียว และปีกสองชั้น นักเรียนจะเข้าใจพื้นฐานหลักการที่ทำให้เครื่องบินลอยอยู่ได้ และยังเห็นการใช้งานพลังงานศักย์ยืดหยุ่นจากหนังยางมาหมุนใบพัดเครื่องบินอีกด้วย

เรียนรู้องค์ประกอบการบินเบื้องต้น

ส่วนประกอบของเครื่องบิน

ส่วนประกอบของเครื่องบิน

ส่วนปีก

เป็นส่วนที่มีความสำคัญที่สุด ที่ทำให้เครื่องบินสามารถบินอยู่บนอากาศได้ โดยเมื่อปีกเครื่องร่อนเคลื่อนที่ผ่านอากาศ มวลกระแสอากาศจะไหลผ่านพื้นผิวปีกทั้งด้านบนและด้านล่างไปพร้อมๆ กัน แต่เนื่องจากปีกเครื่องร่อน มีลักษณะเป็นรูปแพนอากาศ (Airfoil) ทำให้กระแสอากาศที่ไหลผ่านผิวปีกด้านบนที่มีมุมโค้งมากกว่าด้านล่างต้องเคลื่อนที่เร็วกว่ากระแสอากาศด้านล่างปีก ทำให้เกิดความดันอากาศที่แตกต่างกัน โดยด้านบนของปีก มีแรงดันอากาศน้อยกว่าด้านล่าง อากาศด้านล่างจึงดันปีกให้เคลื่อนไปทางด้านบนทำให้เกิดแรงยกขึ้นที่ปีก และยกน้ำหนักของเครื่องร่อนทั้งลำให้ลอยอยู่ในอากาศได้

แรงที่กระทำต่อเครื่องบิน

แรงที่กระทำต่อเครื่องบิน

บนปีกยังมีอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมลักษณะการบิน คือ ปีกแก้เอียง หรือ แอร์ล่อน (Airelons) และปีกเพิ่มลดแรงยก หรือ แฟลบ (Flap)  โดย แอร์ล่อน จะติดตั้งอยู่ที่ชายหลังปีก ในเครื่องบินจริงส่วนใหญ่มักติดตั้งอยู่ส่วนของปลายปีก สามารถพับขึ้นลงสลับข้างกัน เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมเครื่องบินให้เครื่องบินเอียงซ้าย-ขวา หรือหมุนรอบแกนลำตัว ( Longitudinal Axis ) ส่วนแฟลบ จะติดตั้งอยู่ที่ชายปีกหลังด้านใน อยู่ติดกับลำตัว สามารถเลื่อนคลี่ออก เพื่อเพิ่มส่วนโค้งของด้านบนของปีก และเพิ่มพื้นที่ของปีก ซึ่งเป็นการเพิ่ม แรงยกให้มากขึ้นกว่าในขณะบินปกติ ใช้ในการขึ้นหรือร่อนลงที่ต้องใช้ความเร็วต่ำ

ปีกกับการเกิดแรงยก

เราทราบกันมาแล้วว่า “ปีก” เป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดแรงยก ซึ่งทำให้เครื่องบินสามารถบินอยู่บนอากาศได้ เหตุผลที่ทำให้ปีกสามารถสร้างแรงยกได้นั้น เป็นเพราะว่าเมื่อมวลอากาศเคลื่อนที่ผ่านปีกลักษณะรูปทรงของปีกด้านบนที่โค้งจะทำให้มวลอากาศที่เคลื่อนที่มีความเร็วเปลี่ยนไป เกิดเป็นแรงยกที่ปีกขึ้นมาทำให้เครื่องบินลอยได้

หากนำปีกเครื่องบินลำหนึ่งมาตัดตามขวาง จะเห็นว่าปีกเครื่องบินที่เราเห็นเป็นแผ่นสี่เหลี่ยมผืนผ้านั้น แท้จริงแล้วไม่ใช่เป็นแผ่นสี่เหลี่ยมแบนๆ แต่ปีกมีรูปทรงตามขวางเป็นรูปคล้ายหยดน้ำ รูปทรงนี้เรียกว่า “แพนอากาศ” หรือ “แอร์ฟอยล์”

ส่วนลำตัว

เป็นแกนกลางของเครื่องบินเป็นที่ซึ่งใช้ในการวางเครื่องยนต์ (สำหรับเครื่องบินแบบเครื่องยนต์เดียว) ติดตั้งปีก มีห้องโดยสาร ห้องเก็บสัมภาระ และเป็นคานสำหรับติดตั้งชุดหาง

ส่วนหาง

ประกอบด้วยอุปกรณ์สำคัญหลัก 2 ชิ้นคือ แพนหางดิ่ง (Fin) และ แพนหางระดับ (Stabilizer) เป็นส่วนที่ทำให้เกิดแรงในทิศทางที่แตกต่างกัน เพื่อให้เครื่องบิน สามารถบินไปในอากาศ โดยทีเสถียรภาพในการบินตรง ในทางยาวตามแนวลำตัว (Longitudinal Stability) และเสถียรภาพด้านทิศทางการบิน (Directional Stability) ซึ่งที่แพนหางดิ่งและแพนหางระดับ ยังเป็นที่ตั้งของอุปกรณ์พื้นผิวบังคับการบินอีก 2 ชิ้นคือ

  • หางเสือ (Rudder) ติดตั้งอยู่บริเวณชายหลังของแพนหางดิ่ง ทำหน้าที่ในการบังคับทิศทางการบินของเครื่องบินให้หันหัวเครื่องบินไปทางซ้าย (บินเลี้ยวซ้าย) หรือทางขวา (บินเลี้ยวขวา) เครื่องบินบางแบบ ออกแบบให้บิดแพนหางดิ่งได้ทั้งชิ้นเพื่อทำหน้าที่เป็นหางเสือด้วยในตัว
  • แพนหางขึ้นลง (Elevator) ติดตั้งอยู่บริเวณชายหลังของแพนหางระดับ ทำหน้าที่ในการบังคับเครื่องบินให้ก้มหัวลง (บินดำลง) และเชิดหัวขึ้น (บินไต่ขึ้น) เครื่องบินบางแบบออกแบบให้สามารถบิดแพนหางระดับได้ทั้งแพน เพื่อทำหน้าที่เป็นอิเลเวเตอร์

แรงที่กระทำต่อเครื่องบิน

มีแรงที่กระทำต่อเครื่องบินตลอดเวลาขณะที่เครื่องบินกำลังบินอยู่ในอากาศ มี 4 แรง คือ

  1. แรงยก (Lift)
  2. แรงดึงดูดของโลก (Gravity Force or Weight)
  3. แรงขับไปข้างหน้า (Thrust)
  4. แรงต้านทาน หรือแรงฉุด (Drag )
แรงที่กระทำต่อเครื่องบิน

แรงที่กระทำต่อเครื่องบิน

โดยที่แรงทั้ง 4 นี้ จะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลที่เหมาะสม ไม่เช่นนั้นแล้ว เครื่องบินจะไม่สามารถบินอยู่บนอากาศได้เลย แรงทั้ง 4 จะมีทิศทางที่ตรงข้ามกัน คือ “แรงยก” มีทิศทางตรงข้ามกับ “แรงดึงดูดของโลก”, “แรงขับ” มีทิศทางตรงข้ามกับ “แรงต้าน”

การสร้างเครื่องร่อนพุ่งด้วยมือ

เครื่องร่อนพุ่งด้วยมือเป็นเครื่องบินเล็กที่สามารถสร้างได้ง่ายที่สุด เครื่องร่อนกระดาษพับก็จัดเป็นเครื่องร่อนพุ่งด้วยมือเช่นกัน เครื่องร่อนพุ่งด้วยมือสามารถสร้างจากวัสดุนานาชนิด ทั้งกระดาษ, ไม้บัลซ่า, ไม้อัด, โฟมแผ่น, พลาสติก และวัสดุผสมต่างๆ หัวใจสำคัญของการสร้างเครื่องร่อนเพื่อให้ได้เครื่องร่อนที่ดี มีเสถียรภาพในการร่อน อยู่ที่ความละเอียดประณีตในทุกขั้นตอนการสร้าง เช่น การตั้งมุมแพนหางดิ่งให้ตั้งฉากกับแพนหางระดับ การวัดและทำมุมยกของปีก เป็นต้น

การหาจุดศูนย์ถ่วง C.G. และการถ่วงน้ำหนักเครื่องร่อนพุ่งด้วยมือ

จุดศูนย์ถ่วง เป็นสิ่งสำคัญในการสร้างเครื่องร่อนและเครื่องบินเล็กทุกชนิด โดยจุดศูนย์ถ่วงเป็นจุดกึ่งกลางของมวลรวมของเครื่องร่อนทั้งลำ ไม่ว่าจะวัดชั่งน้ำหนักตามแนวยาว และตามแนวขวาง อธิบายให้เห็นภาพง่ายๆ คือ เมื่อแขวนเครื่องร่อนตรงจุดศูนย์ถ่วง เครื่องร่อนจะต้องห้อยอยู่ในแนวระดับ โดยที่ไม่เอนเอียงไปทางด้านใดด้านหนึ่ง

การหาจุดศูนย์ถ่วง (C.G.)

การหาจุดศูนย์ถ่วง (C.G.)

การกำหนดจุดศูนย์ถ่วง ควรเริ่มจากการตรวจดูความสมดุลของเครื่องร่อนทางซีกซ้ายและซีกขวาก่อน โดยจะถือแนวกึ่งกลางตามแนวยาวของลำตัว เป็นแกนกลางแบ่งซีกซ้ายและซีกขวา และจะกำหนดให้เครื่องร่อนจะต้องมีน้ำหนักเท่ากันทั้งด้านซ้ายและด้านขวา เมื่อได้น้ำหนักทางด้านซ้ายและขวาเท่ากันแล้ว จากนั้นก็จะทำการหาจุดศูนย์ถ่วงรวม (Center of Gravity) หรือที่เรียกว่า การหาจุดซีจี (C.G.) โดยตำแหน่งจุด C.G. ของเครื่องร่อนพุ่งด้วยมือส่วนมากจะกำหนดไว้ที่ระยะประมาณ 20-30 เปอร์เซ็นต์ของระยะความกว้างของปีก เมื่อวัดจากชายหน้าปีก

สำหรับการสร้างเครื่องร่อนตามแบบก็สามารถสังเกตได้จากเครื่องหมายวงกลมกากบาท บนตำแหน่งที่กำหนดไว้บนแบบ ซึ่งส่วนมากจะระบุที่ภาพด้านข้างของลำตัว จากตำแหน่งเครื่องหมาย C.G. หากยกเครื่องร่อนขึ้นตรงๆ โดยใช้นิ้วมือทั้ง 2 ข้างชี้ขึ้นที่ใต้ปีก ตรงตำแหน่ง C.G. ที่กำหนด เครื่องร่อนจะต้องสามารถทรงตัวอยู่บนปลายนิ้วทั้ง 2 ได้ โดยไม่มีอาการเอียงไปทางด้านหัว หรือท้าย ถ้าเครื่องร่อนเอนไปทางด้านหัว แสดงว่าเครื่องร่อนนั้น มีน้ำหนักทางด้านหัวมากกว่าทางหาง (หัวหนัก) หรือหากเครื่องร่อนเงยหัวขึ้น แสดงว่าเครื่องร่อนนั้น มีน้ำหนักทางด้านหางหนักกว่าทางด้านหัว (หางหนัก)

การหาจุดศูนย์ถ่วงที่เหมาะสม

การหาจุดศูนย์ถ่วงที่เหมาะสม

การหาจุดศูนย์ถ่วงที่เหมาะสม

หากร่อนแล้วพบว่าเครื่องร่อน ปักหัวลงสู่พื้นดินทันที อาจมีสาเหตุมาจากหัวเครื่องร่อนหนักเกินไป ให้ขยับตำแหน่งของวัสดุถ่วงน้ำหนักมาทางหลังอีกเล็กน้อย หรือลดน้ำหนักวัสดุถ่วงน้ำหนักลงนิดหน่อยแล้วทดลองร่อนใหม่ หรืออาจเกิดจากแพนหางระดับทำมุมไม่ขนานกับเส้นแนวใต้ปีก หรือเครื่องร่อนบินเชิดหัวขึ้นฟ้าทันที แล้วม้วนตัวร่วงตกลงสู่พื้นดิน เรียกว่าอาการ “สตอล” ( Stall) แสดงว่าเครื่องร่อนนั้นหางหนัก ให้เลื่อนน้ำหนักมาทางหัวหรือเพิ่มน้ำหนักถ่วงให้มากขึ้น หรืออาจเกิดจากการติดตั้งแพนหางระดับที่ไม่ขนานกับเส้นแนวใต้ปีก ที่ต้องแก้ไขกันในระดับโครงสร้างเครื่องร่อนต่อไป

การปรับแต่งสมดุลเครื่องร่อน (มองจากด้านข้าง)

การปรับแต่งสมดุลเครื่องร่อน (มองจากด้านข้าง)

การปรับแต่งสมดุลเครื่องร่อน (มองจากด้านบน)

การปรับแต่งสมดุลเครื่องร่อน (มองจากด้านบน)

เอกสารอ้างอิง : คัดและเรียบเรียงบางส่วนจากเอกสารประกอบ เอกสารความสนุกสนาน “ค่ายวิทยาศาสตร์การบิน” ซีเอ็ดคิดดีแคมป์ โดย ธนวัฒน์ หัสดี

 

ติดต่อสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่

บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน) 1858/87-90 ถนนเทพรัตน แขวงบางนาใต้ เขตบางนา กรุงเทพมหานคร 10260
โทรศัพท์ 0 2826 8263 โทรสาร 0 2826 8356-59 อีเมล์ stem@se-ed.com