مقدمه

نیرو را می‌توان به صورت کشش یا رانشی در یک جهت خاص تعریف نمود. نیرو کمیتی ‌برداری است، از این رو هم جهت دارد و هم اندازه. به منظور توصیف نیروها نخست می‌بایست کمیت و جهت را مشخص کنیم. درتصویر زیر نیروهایی که هنگام پرواز بر هواپیما وارد می‌شوند نشان داده شده‌اند.

نیروی‌های چهارگانه وارد بر هواپیما weight=وزن lift=برا drug=پسا trust=کشش

نیروی وزن

وزن نیرویی است که جهت و راستای آن همواره به سمت مرکز کره زمین می‌باشد. کمیت یا مقدار وزن به جرم تمامی اجزای هواپیما به اضافه میزان سوخت و هرگونه بار دیگر هواپیما (از قبیل سرنشینان ، چمدانها ، محموله و غیره) بستگی دارد. این وزن در سرتاسر هواپیما توزیع می‌گردد، با این وجود می‌توانیم چنین تصور کنیم که وزن جمع شده در نقطه‌ای به نام مرکز ثقل عمل می‌کند.

هواپیما در زمان پرواز حول مرکز ثقل تغییر زاویه می‌دهد. در پرواز دو مسئله عمده وجود دارد؛ اعمال نیروی متقابل برای غلبه بر وزن یک شی و کنترل آن شی در زمان پرواز. هر دوی این مسایل وابسته به وزن آن جسم و محل قرارگیری مرکز ثقل می‌باشند. در حین پرواز مادامی که سوخت هواپیما مصرف می‌شود، وزن هواپیما دائماً تغییر می‌کند، بدین ترتیب نحوه‌ی پراکندگی وزن کل و محل مرکز ثقل نیز عوض می‌شود. از اینرو خلبان بر آن است که برای حفظ تعادل و تنظیم هواپیما پیوسته فرامین را کنترل و تنظیم نماید.

نیروی برا

هواپیما برای چیرگی بر نیروی وزن ، نیرویی مخالف با نام نیروی برا تولید می‌کند. برا از حرکت هواپیما در هوا حاصل گردیده و نیرویی آیرودینامیک یا به بیان فارسی هوا پویا می‌باشد. "آیرو" یعنی هوا و "دینامیک" نیز به معنای حرکت و پویایی است. بردار نیروی برا عمود بر راستای جهت پرواز هواپیما می‌باشد. بزرگی این نیرو به عواملی چند از قبیل شکل ، اندازه و سرعت حرکت هواپیما بستگی دارد، لازم به ذکر است که بالها بیشترین میزان نیروی برا را تولید می‌کنند و این نیرو در نقطه‌ای واحد به نام مرکز فشار عمل می‌کند.

مرکز فشار هم درست مثل مرکز ثقل تعریف می‌شود، با این تفاوت که بجای توزیع وزن ، توزیع فشار حول بدنه را خواهیم داشت. پراکندگی و انتشار نیروی برا در سراسر بدنه نقش خطیری در حل مسایل کنترلی ایفا می‌نماید. سطوح آیرودینامیکی جهت کنترل هواپیما در حرکات غلتش ، پیچش و سمتش استفاده می‌گردند.

نیروی پسا

نیروی آیرودینامیکی دیگری هم در زمان پرواز حضور دارد، که به دنبال مقاومت هوا در برابر حرکت هواپیما حاصل می‌شود. و این نیروی مقاومت کننده نیروی پسا نام دارد. نیروی پسا به موازات و در خلاف جهت پرواز عمل می‌نماید. همانند برا، عوامل زیادی هستند که بر کمیت نیروی پسا تأثیر می‌گذارند، که این عوامل شامل شکل هواپیما ، "چسبناکی هوا" و سرعت پرواز می‌باشند. مولفه‌های نیروی پسا همچون نیروی برا تجمیع گردیده و در یک نقطه‌ واحد که همان مرکز فشار هواپیماست عمل می‌کنند.

نیروی کشش

هواپیما برای غلبه بر پسا از سیستم پیشرانه استفاده کرده و نیرویی به نام نیروی (کشش) رانش تولید می‌کند. جهت نیروهای رانش (کشش) به چگونگی اتصال موتورها به هواپیما بستگی دارد، در این نوع هواپیما زیر بالها دو موتور توربینی به موازات بدنه تعبیه شده است، بطوری که باعث می‌شود نیروی رانش (کشش) در امتداد خط مرکزی بدنه عمل ‌کند. در بعضی هواپیماها مثل هواپیمای عمود پرواز هاریر سیستم به گونه‌ای است که می‌توان جهت نیروی رانشی را تغییر داد تا هواپیما بتواند از باندی کوتاه برخیزد.

کمیت نیروی رانش به عوامل متعددی بستگی دارد که با سیستم پیشرانه در ارتباط می‌باشند، این عوامل شامل نوع موتور ، تعداد موتورها و سیستم گاز می‌باشند. در مورد موتورهای جت اغلب این مسئله باعث اشتباه می‌شود، چرا که نیروی رانش هواپیما ناشی از واکنشی است که از خروج شدید و سریع گاز گرم از اگزوز ، صورت می‌پذیرد. این گاز داغ از پشت خارج می‌شود. ولیکن نیروی رانش در خلاف جهت آن ، یعنی رو به جلو عمل می‌کند.

یعنی همان کنش / واکنش که در قانون سوم نیوتون توضیح داده شده است. چگونگی حرکت هواپیما در هوا بستگی به مقاومت نسبی و جهت نیروهایی دارد که در بالا متذکر شدیم. مادامی که این نیروها متعادل باشند، هواپیما با سرعتی ثابت و بلاتغییر حرکت خواهد کرد، در غیر این صورت (یعنی اگر نیروها ناتعادل باشند) جهت شتاب ‌گیری هواپیما به سمت بزرگترین نیرو خواهد بود.

توجه داشته باشید که وظیفه موتور تنها غلبه بر نیروی پسای هواپیماست، نه این که نیروی برا حاصل کند. یک هواپیماهای مسافری یک میلیون پوندی ، 4 موتور دارد که بطور کل 200.000 پوند نیروی رانش تولید می‌کنند. این بالها هستند که باعث ایجاد برا می‌شوند، نه موتورها. در حقیقت هواپیماهایی با نام گلایدر یا هواسر هم وجود دارند که هیچ موتوری نداشته و در عین حال خیلی خوب پرواز می‌کنند. در این نوع هواپیماها به منظور شروع حرکت لازم برای ایجاد برا توسط بالها می‌بایست از یک منبع خارجی نیرو بهره جست.

اما هنگام پرواز دو نیروی پسا و برا متقابلا در برابر نیروی وزن قرار می‌گیرند. هواپیماهای کاغذی مثال واضحی از این هواپیماها می‌باشند، معهذا انواع گوناگونی از گلایدرها وجود دارند. بعضی از آنها نخست توسط یک هواپیمای موتوردار در هوا یدک شده ، سپس رها می‌شوند و می‌توانند قبل از فرود مسافتهای طویلی را طی کنند. شاتل فضایی نیز هنگام بازگشت به جو و فرود همانند گلایدر عمل می‌کند و از موتورهای راکتی فقط به منظور ورود شاتل به فضا استفاده می‌گردد.