چرا هواپیماها، پرواز می‌کنند؟

چرا هواپیماها پرواز می‌کنند؟، عنوان مقاله‌ای است که در این شماره فصل‌نامه رشد آموزش فیزیک چاپ شده است. نویسنده این مقاله، ال.جی.اف.هرمانس دکترای فیزیک دانشگاه لایدن هلند و مترجم آن سیدمهدی میرفتحی دبیر فیزیک شهرستان رامسر می‌باشد. این مقاله در ادامه تقدیم مخاطبان ارزشمند سایت می‌شود.
«بسیاری از فیزیکدانان در پاسخ به این پرسش که بال هواپیما چگونه کار می‌کند به توضیح معمولی براساس اصل برنولی می‌پردازند، ایده اصلی مبتنی بر خمیده بودن سطح بالایی بال و کمابیش مسطح بودن سطح پایینی بال است. هوا در برخورد با لبه جلویی بال هواپیما، به دو بخش تقسیم می‌شود. این دو بخش دوباره در لبه پشتی بال به یکدیگر خواهند پیوست. چون مسافتی که هوا در سطح بالایی بال طی می‌کند بیشتر از سطح پایینی است، پس سرعت هوا در سطح بالایی باید بیشتر باشد. طبق اصول برنولی سرعت بیشتر، فشار کمتر را ایجاب می‌کند، بنابراین نیروی خالص رو به بالا بر بال‌ها وارد خواهد شد. این استدلال ساده و منطقی به نظر می‌رسد. اما غلط است. می‌دانیم که این استدلال باید غلط باشد چرا که اگر این چنین توجیهی صحیح باشد، چگونه هواپیماها می‌توانند واژگونه پرواز کنند؟ پس چه عاملی با وارد کردن نیرو به بال سبب بالا رفتن هواپیما می‌شود؟ معلوم شده است که تمام آن‌چه نیاز داریم انحراف جریان هوا به سمت پایین، به واسطه برش عرضی بال است. خمیدگی خط جریان بال کلید این معما است. قایقی بادبانی را در نظر بگیرید و برای یک لحظه دکل آن را نادیده بگیرید. بادبان را می‌توان بالی عمودی در نظر گرفت. بادبان به‌خوبی قایق را پیش می‌برد، اما شکل آن هیچ شباهتی به بال‌های معمولی هواپیما ندارد. مسافتی که جریان هوا در دو سوی بادبان می‌پیماید با هم فرق ندارند، بنابراین توضیح اصل برنولی که بر تفاوت مسافت‌ها استوار است در اینجا به‌کار نمی‌آید. در عین حال، بادبان به این دلیل ساده که جریان هوا را خمیده می‌کند کارایی زیادی دارد. با بررسی این پدیده، رابطه‌ای ساده میان خمیدگی جریان هوا و تغییرات فشار (عمود بر جریان‌های خطی) خواهیم یافت:  ، که n مختصه عمود بر خط‌های جریان ، چگالی هوا، v سرعت هوا و R شعاع خمیدگی است. علامت این رابطه به‌گونه‌ای است که شاهد کاهش فشار به طرف داخل منحنی جریان هوا خواهیم بود. این موضوع سبب کاهش فشار در بخش کوژ بال هواپیما و افزایش فشار در بخش آن خواهد شد.
در واقع، بال‌های خمیده نازک مانند بادبان قایق، انتخابی ایده‌آل برای ایجاد خمیدگی در خط جریان ایده‌آل‌اند. بال‌های پرندگان نیز می‌خواهند چنین باشند. این برای این هواپیما انتخابی جالب نیست؛ بال‌های خمیده نازک با نیازهای ساختاری سازگار نیستند، و علاوه بر این حجم مفید لازم برای ذخیره سوخت را ندارند. خوشبختانه هر شکلی که در جریان هوا خمیدگی به‌وجود آورد، حتی یک بال متقارن، می‌تواند نیروی بالا بر تولید کند. تمام آنچه باید انجام دهیم، انتخاب مناسب «زاویه حمله» لبه جلویی بال بر جریان هوا  است: اگر بال کمی رو به بالا شیب‌دار شود، سطح بالایی آن با همان کارآمدی بال خمیده نازک در خط جریان خمیدگی تولید می‌کند، این امر سهم زیادی در بالا رفتن هواپیما خواهد داشت. در زیر بال، نواحی با حالت‌های دیگری از خمیدگی وجود دارد که اثر خالصی را به‌وجود می‌آورند که نزدیک به صفر است.
لذا برای یک بال متقارن، میزان نیروی بالابر- مثبت یا منفی- صرفاً مسئله تنظیم زاویه حمله در برخورد با جریان هوا است که در محدوده‌ای مشخص قرار دارد. ...وحالا پرواز واژگون با هواپیما هم‌چون آب خوردن است، البته اگر تمایل داشته باشید!»