อธิบายเกี่ยวกับเครื่องบิน

Leif Ristroph รองศาสตราจารย์จาก Courant Institute of Mathematical Sciences แห่งมหาวิทยาลัยนิวยอร์กและผู้เขียนงานวิจัยกล่าวว่า "การศึกษานี้เริ่มต้นจากความอยากรู้อยากเห็นง่ายๆ ว่าเครื่องบินกระดาษดีอย่างไร และอะไรที่จำเป็นสำหรับการร่อนได้อย่างราบรื่น" วารสารกลศาสตร์ของไหล . "การตอบคำถามพื้นฐานดังกล่าวกลายเป็นเรื่องที่ห่างไกลจากการเล่นของเด็ก เราค้นพบว่าหลักอากาศพลศาสตร์ของการที่เครื่องบินกระดาษรักษาระดับการบินนั้นแตกต่างจากความเสถียรของเครื่องบินทั่วไปอย่างมาก" “นกร่อนและบินได้อย่างง่ายดาย และเครื่องบินกระดาษเมื่อปรับอย่างเหมาะสม ก็สามารถร่อนเป็นระยะทางไกลได้เช่นกัน” ผู้เขียน Jane Wang ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมและฟิสิกส์ที่ Cornell University กล่าว "น่าประหลาดใจที่ไม่มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ดีสำหรับการทำนายการบินร่อนที่ดูเหมือนง่ายแต่ละเอียดอ่อนนี้" เนื่องจากเราสามารถสร้างเครื่องบินสมัยใหม่ที่ซับซ้อนให้บินได้ นักวิจัยกล่าวว่า บางคนอาจคิดว่าเรารู้ทุกอย่างเกี่ยวกับเครื่องบินที่ง่ายที่สุด "แต่เครื่องบินกระดาษแม้ว่าจะทำได้ง่าย แต่ก็เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์ที่ซับซ้อนอย่างน่าประหลาดใจ" ริสโทรฟกล่าว ผู้เขียนเริ่มศึกษาโดยพิจารณาถึงสิ่งที่จำเป็นเพื่อให้เครื่องบินร่อนได้อย่างราบรื่น เนื่องจากเครื่องบินกระดาษไม่มีเครื่องยนต์และอาศัยแรงโน้มถ่วงและการออกแบบที่เหมาะสมสำหรับการเคลื่อนที่ เครื่องบินเหล่านี้จึงเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการสำรวจปัจจัยเบื้องหลังความเสถียรในการบิน เพื่อตรวจสอบปรากฏการณ์นี้ นักวิจัยได้ทำการทดลองในห้องปฏิบัติการโดยปล่อย เครื่องบิน กระดาษที่มีจุดศูนย์กลางมวลต่างกันไปในอากาศ ผลที่ได้ร่วมกับการศึกษาแผ่นเปลือกโลกที่ตกลงในถังเก็บน้ำ ทำให้ทีมสามารถประดิษฐ์แบบจำลองอากาศพลศาสตร์ใหม่และยังมี "เครื่องจำลองการบิน" ที่สามารถทำนายการเคลื่อนที่ได้ เพื่อหาการออกแบบที่ดีที่สุด นักวิจัยได้ติดเทปทองแดงบางๆ ในปริมาณต่างๆ กันไว้ที่ส่วนหน้าของระนาบกระดาษ ทำให้มีจุดศูนย์กลางมวลต่างๆ กัน น้ำหนักตะกั่วที่เติมลงในจานในน้ำมีจุดประสงค์เดียวกัน "เกณฑ์สำคัญของเครื่องร่อนที่ประสบความสำเร็จคือจุดศูนย์กลางมวลต้องอยู่ในตำแหน่งที่ 'พอดี'" ริสโทรฟอธิบาย "เครื่องบินกระดาษที่ดีทำได้ด้วยการพับขอบด้านหน้าหลายๆ ครั้งหรือใช้คลิปหนีบกระดาษเพิ่มเติม ซึ่งต้องมีการลองผิดลองถูกเล็กน้อย" ในการทดลอง นักวิจัยพบว่าการเคลื่อนที่ของเที่ยวบินขึ้นอยู่กับจุดศูนย์กลางมวล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ถ้าน้ำหนักอยู่ที่กึ่งกลางของปีกหรือเคลื่อนออกจากกึ่งกลางเพียงเล็กน้อยเท่านั้น มันจะเกิดการเคลื่อนไหวที่ดุร้าย เช่น กระพือปีกหรือไม้ลอย หากน้ำหนักถูกเลื่อนไปทางขอบด้านหนึ่งมากเกินไป เครื่องบินก็จะดิ่งลงอย่างรวดเร็วและชน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างนั้น มี "จุดที่น่าสนใจ" สำหรับจุดศูนย์กลางมวลที่ให้การร่อนที่มั่นคง นักวิจัยได้จับคู่งานทดลองกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานของ "โปรแกรมจำลองการบิน" ซึ่งเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ประสบความสำเร็จในการจำลองการเคลื่อนที่ของเที่ยวบินที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังช่วยอธิบายว่าทำไมเครื่องบินกระดาษจึงมีความเสถียรในการเหิน เมื่อจุดศูนย์กลางมวลอยู่ใน "จุดที่น่าสนใจ" แรงแอโรไดนามิกบนปีกเครื่องบินจะดันปีกกลับลงมาหากเครื่องบินเคลื่อนขึ้น และกลับขึ้นหากเครื่องบินเคลื่อนลง “ตำแหน่งของแรงแอโรไดนามิกหรือจุดศูนย์กลางของแรงกดจะแปรผันตามมุมของการบิน เพื่อให้มั่นใจถึงความมั่นคง” ริสโทรฟอธิบาย เขาตั้งข้อสังเกตว่าไดนามิกนี้ไม่ได้เกิดขึ้นกับปีกเครื่องบินทั่วไป ซึ่งเป็นปีกเครื่องบิน ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีรูปร่างทำงานเพื่อสร้างแรงยก "ผลกระทบที่เราพบในเครื่องบินกระดาษไม่ได้เกิดขึ้นกับปีกเครื่องบินแบบดั้งเดิมที่ใช้เป็นปีกเครื่องบิน ซึ่งจุดศูนย์กลางของแรงกดจะอยู่กับที่ตลอดมุมที่เกิดขึ้นระหว่างการบิน" ริสโทรฟกล่าว "การเคลื่อนตัวของจุดศูนย์กลางความดันจึงดูเป็นคุณสมบัติเฉพาะของปีกที่บางและแบน และกลายเป็นความลับของการบินที่มั่นคงของเครื่องบินกระดาษ" "นี่คือเหตุผลที่เครื่องบินต้องการปีกหางแยกต่างหากเพื่อเป็นตัวกันโคลง ในขณะที่เครื่องบินกระดาษสามารถบินหนีไปได้ด้วยปีกหลักที่ให้ทั้งแรงยกและความมั่นคง" เขาสรุป "เราหวังว่าการค้นพบของเราจะเป็นประโยชน์ในการใช้งานการบินขนาดเล็ก ซึ่งคุณอาจต้องการการออกแบบที่เรียบง่ายซึ่งไม่ต้องการพื้นผิวการบิน เซ็นเซอร์ และตัวควบคุมเพิ่มเติมมากนัก"