विमान कसे उडते?

विमान उडण्यासाठी, आपल्याला वायुगति शास्त्रातील (aerodynamics) चार मूलभूत ऊर्जांचा वापर करावा लागतो : थ्रस्ट, ड्रॅग, वजन आणि लिफ्ट (Thrust, Drag, Weight and Lift).

एखाद्याला त्यांच्या विषयी विचार करताना वाटेल की ते विमानाला हवेत पकडून ठेवणारे चार हातच आहेत, जे भिन्न दिशांनी विमानाला ढकलत आहेत. (diagram)

आपण या ऊर्जा समजून घेवू या :

थ्रस्ट (जोराचा धक्का), मग तो एका पंख्याने किंवा जेट इंजिनाने बसलेला असला, तरी ती एक वायुगतिशास्त्रीय शक्ती (aerodynamic force)आहे, जी विमानाला अवकाशात पुढे पुढे ढकलत नेते. हवा (किंवा वायू) जेव्हा ताकदीने बाहेर फेकले जातात तेंव्हा ज्या वस्तूने अशी हवा (किंवा वायू) मागे ढकललेली आहे, ती वस्तू एक प्रतिक्रिया म्हणून पुढे ढकली जाते.

ड्रॅग ही थ्रस्टच्या विरुद्धची वायुगतिशास्त्रीय शक्ती (aerodynamic force) आहे. हे एक घर्षण आहे जे, अवकाशात फिरताना, विमानाच्या गतीला विरोध करते. ते रस्त्यांवर चाललेल्या अगदी कारसाठीसुद्धा खरे आहे. ( जर त्याने / तिने, कार चालू असताना, एक हात कारच्या खिडकी बाहेर काढला, तर त्याला / तिला ड्रॅगचे एक अत्यंत साधे उदाहरण अनुभवता येईल. एखाद्याचा हात किती ड्रॅग निर्माण करू शकतो, हे काही घटकांवर अवलंबून असते, जसे हाताचा आकार, कारची गती आणि हवेची घनता.)

वजन: पृथ्वीवरील प्रत्येक वस्तूला वजन असते, वस्तुमान आणि गुरुत्वाकर्षण, दोन्ही मिळून, वस्तूला पृथ्वीच्या मध्याच्या दिशेने ओढत असतात.

लिफ्ट ही वजनाच्या विरुद्धची वायुगतिशास्त्रीय शक्ती (aerodynamic force) आहे. ही करामत पंख्यांचा वापर करून साधली जाते, त्यांना एअरफॉइल (airfoil) म्हणून देखील ओळखले जाते.

विमान उडण्यासाठी, थ्रस्ट, ड्रॅग इतकाच किंवा ड्रॅग पेक्षा जास्त असणे आवश्यक आहे. कोणत्याही कारणास्तव, ड्रॅग थ्रस्ट पेक्षा जास्त होतो, तेंव्हा विमानाची गती मंदावते (खरं तर ते पुढे जावू शकत नसते). जर थ्रस्ट वाढला असेल जेणेकरून तो ड्रॅग पेक्षा जास्त असेल तर, विमानाला गती येईल. [ जोराच्या वाऱ्याविरुद्ध हलून, त्याचा प्रयोग करून पहा.]

आता, विमान वेगाने जात असताना, त्याला उडण्यासाठी, ते हवेत उंच उचलले गेले पाहिजे. हे उचलले जाण्याचे प्रत्यक्ष गतिशास्त्र म्हणजे एक शक्ती, जी, जेव्हा हलणाऱ्या द्रवपदार्थाला, एक घनपदार्थ अडथळा करतो तेव्हा दिसून येते. आपल्याला हे माहीत आहे की, विमानात पंखांचा वापर, उचलले जाण्यासाठी केला जातो. हे पंखे, हवेचा झोत, दोन दिशांमध्ये विभागतात, खालून वरती आणि पंखांच्या वर आणि खालून, पंखांच्या खालच्या बाजूने. पंखांना आकार दिलेला असतो आणि ते कलते असतात, जेणेकरून, त्यांच्या वरून जाणारी हवा, त्यांच्या खालून जाणाऱ्या हवेपेक्षा जास्त वेगाने जाते. खालून जाणाऱ्या हवेचा काही भाग, एक ऊर्ध्वगामी शक्ती निर्माण करतो. ही शक्ती 'लिफ्ट' (हवेत उंच उचलले जाण्याची क्रिया) निर्माण करते.

जेव्हा हलती हवा एखाद्या वस्तूवरून वाहते आणि अचानक त्यात एखादा अडथळा येतो जसा पंखांच्या कोनात अचानक वाढ झाली, तर हवेचा मार्ग अरुंद होतो आणि प्रवाहाचा वेग वाढतो कारण सर्व परमाणु जोरात जायला लागतात. एकदा का अडथळा दूर झाला, मार्ग रुंदावतो आणि प्रवाहाची गती पुन्हा मंदावते. (आपण कधीही पाण्याची रबरी नळी चिमटीत धरली असल्यास, आपल्याला या तत्वाचे सक्रिय निरीक्षण झाले असेल. रबरी नळी चिमटीत धरून, आपण द्रवपदार्थाच्या प्रवाहाचा मार्ग मर्यादित करतो, ज्यामुळे परमाणु जोरात जायला लागतात. दाब काढून टाका आणि पाण्याचा प्रवाह, त्याच्या पूर्व स्थितीत परततो)

हवा जसजशी गतीने वर जावू लागते, तसतसा तिचा दाब कमी होत जातो. त्यामुळे पंखांच्या वरून वेगाने जाणारी हवा, पंखांच्या खालून कमी वेगाने जाणाऱ्या हवेपेक्षा कमी दाब निर्माण करते. याच्या परिणामस्वरूप एक वर उचलणारा ऊर्ध्वगामी दाब तयार होतो . त्यामुळे विमान हवेत उडते. द्रवपदार्थ चलन शास्त्र (fluid dynamics) क्षेत्रात याला "बर्नोलीचे तत्व" (“Bernoulli’s Principle”) म्हणून ओळखले जाते.

वैमानिक, टेकऑफ आणि लँडिंग करताना, फ्लाप्स (flaps) (पंख्यांच्या मागे) आणि स्लट (slat) (पंख्यांच्या समोर) उपयोजित करतात. फ्लाप्स (Flaps) पंखांच्या पिछाडीवर धारेवर खाली पसरतात, त्यामुळे त्यांचा आकार बदलतो, ते अधिक हवा भिन्न दिशेला वळवू शकतात आणि अशा प्रकारे अधिक लिफ्ट निर्माण करु शकतात. या बदलामुळे ड्रॅग देखील वाढतो, त्याचा विमानाचे लँडिंग धीम्या गतीने होण्यास मदत होते.