อุณหภูมิมีผลต่อการบินมากกว่าที่คิด

          สัตว์หลายชนิดที่บินได้เช่น นก แมลง ผีเสื้อ ผึ้ง ฯลฯ ส่วนมากมีการวิวัฒนาการและปรับโครงสร้างร่างกายให้เหมาะสมกับการบินและสภาพแวดล้อมที่อาศัย ยกตัวอย่างเช่น ขนาดของปีก รูปร่างของปีก น้ำหนักตัว โครงสร้างของกระดูก เป็นต้น โดยแต่ละรูปแบบก็มีประสิทธิภาพในการบินและรูปแบบการบินที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งหลักการที่เกี่ยวข้องกับการบินนั้นก็คือแรกยกของอากาศที่เกิดจากความดันอากาศ หลักการนี้ยังสามารถอธิบายแรงยกของเครื่องบินได้อีกด้วย


          การบินของนก : นกนั้นมีการปรับตัวเพื่อทางโครงสร้างสำหรับการบินหลายอย่าง เช่น น้ำหนักของร่างกาย โดยนกจะมีการลดขนาดของลำตัวและอวัยวะเพื่อให้มีน้ำหนักที่เบา เนื่องจากโลกมีสนามความโน้มถ่วง (วัตถุที่เคลื่อนที่ภายใต้สนามโน้มถ่วง จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง 9.8 m/s2)  ดังนั้นนกจึงต้องปรับโครงสร้างให้มีน้ำหนักเบา ทำให้ใช้แรงน้อยสำหรับการบิน  อีกทั้งกระดูกมีน้ำหนักเบา เพราะด้านในเป็นโพรงแต่ยังคงความแข็งแรง ขนของนกมีน้ำหนักเบาและบางมีการเรียงตัวเป็นแผงช่วยในการอุ้มอากาศ ซึ่งปีกของนกนั้นด้านบนจะมีความยาวที่มากกว่าด้านล่าง ขณะที่นกกำลังบินในอากาศ อากาศจะไหลผ่านปีกนก แรงดันด้านบนจะน้อยกว่าด้านล่าง ดังนั้นแรงดันด้านล่างจะทำให้เกิดแรงยกตัวขึ้น (lift) ขณะเดียวกันก็มีแรงผลักถอยหลังเกิดขึ้นด้วย (drag) ยิ่งอากาศไหลผ่านปีกเร็วเท่าไหร่ จะมีแรกยกมากขึ้นเท่านั้น เป็นไปตาม Bernoulli effect และกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน ขนาดของปีกก็มีผลต่อแรงยกเช่นกัน ถ้ามีขนาดของปีกที่ใหญ่ ก็เหมือนกับมีพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นส่งผลทำให้แรงยกเพิ่มขึ้นนั่นเอง นอกจากนี้มุมปะทะระหว่างอากาศกับปีกของนก (angle of attack) ก็มีผลด้วยเช่นกัน คือแรงยกจะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับองศาของมุม แต่มุมของปีกจะต้องน้อยกว่า 6 องศาเท่านั้น (สำหรับนก) เพราะถ้ามุมมากกว่า 6 องศา จะทำให้เกิดแรงต้านและอากาศหลังปีกจะหมุนวนแบบปั่นป่วนความเร็วของนกจะลดลง หรือเป็นช่วงที่นกกำลังจะเกาะที่กิ่งไม้นั่นเอง นอกจากนี้ angle of attack ยังใช้กับปีกของเครื่องบินอีกด้วย วิศวกรจึงออกแบบให้ปีกของเครื่องบินมีการทำมุมกับแนวปะทะของอากาศ เพื่อเพิ่มแรงยกนั่นเอง (angle of attack สำหรับเครื่องบินต้องน้อยกว่า 18 องศา) 

             การบินของผึ้ง : โครงสร้างลำตัวผึ้งจะมีนำหนักเบาและมีขนาดเล็ก ผึ้งจะมีการขยับปีกด้วยความถี่สูง (230 ครั้ง/วินาที) กล้ามเนื้อที่ควบคุมการขยับปีกไม่ได้ติดต่อกับปีกโดยตรงแต่จะยึดกับผนังส่วนอก การบินของผึ้งจะแตกต่างกับของสัตว์ปีกพวกนกคือ การกระพือปีกของผึ้งมีทิศทางในแนวขนานกับลำตัวหรือหน้า-หลัง ในขณะที่นกจะการกระพือปีกในแนวตั้งฉากกับลำตัวหรือบน-ล่าง ผึ้งยังมีการควบคุมปีกให้เอียงทำมุมเล็กน้อยคล้ายกับการหมุดของใบพัดหรือหมุนคล้ายเลขแปด ส่งผลทำให้เกิดการหมุนวนของอากาศขนาดเล็กบริเวณเหนือปีก ซึ่งจะมีความดันอากาศต่ำกว่า บริเวณรอบ ๆ ทำให้เกิดแรงยกตัวขึ้นจากบริเวณใต้ปีกของผึ้ง การเกิดอากาศหมุนวนขนาดเล็กบริเวณเหนือปีกด้วยการกระพือปีกของผึ้งนี้เองที่ทำ ให้ผึ้งสามารถบินในอากาศได้


            การบินของเครื่องบิน : เครื่องบินถูกออกแบบรูปร่างให้มีลักษณะที่คล้ายกับนก ดังนั้นลักษณะการไหลของอากาศจะเหมือนกับนก โดยอาศัยแรงยกใต้ปีกยกขึ้น เพราะอากาศด้านบนปีกเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าด้านล่าง แต่จะแตกต่างกันตรงที่นกสามารถปรับองศาของปีกได้ ในขณะที่เครื่องบินปีกจะทำมุมคงที่ ตรงนี้ทำให้กระแสของอากาศที่ไหลผ่านปีกของเครื่องบินคงที่และเป็นไปตามกฎอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) ใขขณะที่เฮลิคอปเตอร์จะใช้วิธีการเดียวกันกับแมลงในการสร้างแรงยกตัวและเคลื่อนที่ โดยอาศัยการหมุนของใบพัดทำให้เกิดแรงยกขึ้น ซึ่งวิธีนี้เองทำให้แมลง ผึ้ง และเฮลิคอปเตอร์ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นในแนวดิ่งและยังสามารถลอยตัวนิ่งๆในอากาศได้ ซึ่งวิธีแบบนี้นกและเครื่องบินไม่สามารถทำได้ เพราะต้องเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตลอดเวลา


            อุณหภูมิมีผลต่อการบินอย่างไร : จากที่กล่าวมาข้างต้น การบินจะอาศัยแรงยกของอากาศในการดันปีกเครื่องบิน แต่ทว่าถ้ามีอุณหภูมิที่สูงขึ้นกลับไม่เป็นเช่นนั้น แรงยกที่ใต้ปีกเครื่องบินกลับน้อยลงกว่าเดิมจึงอาจทำให้ไม่สามารถเอาเครื่องขึ้นได้ ปรากฎการณ์นี้สามารถอธิบายด้วยกฎของชาร์ล (Charle's Law) “ถ้ามวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สหรืออากาศจะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ” นั่นก็คือ ถ้าอากาศร้อนขึ้น ส่งผลทำให้ความหนาแน่นของอากาศลดลงหรืออากาศเบาบางลงนั่นเอง (โมเลกุลของอากาศน้อยลง เพราะอากาศเกิดการขยายตัวเนื่องจากความร้อน) จึงส่งผลให้โมเลกุลของกาศที่จะไปชนกับปีกเครื่องบินทำให้เกิดแรงยกใต้ปีกได้น้อยลง ในขณะที่เครื่องยนต์จะสร้างแรงขับได้น้อยเนื่องจากอากาศเบาบาง หรือเครื่องยนต์ทำงานได้ไม่เต็มที่ ซึ่งเป็นไปตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตัน เพราะโมเลกุลของอากาศน้อยเกินไป ส่งผลให้เกิดความเร่งน้อยและความเร็วในการขึ้นช้า เพราะต้องทำความเร็วจนกว่าจะมีกระแสของอากาศไหลผ่านปีกแล้วทำให้มีแรงยกที่ปลอดภัยสำหรับการบิน ดังนั้นสนามบินที่อยู่สูงกว่าระดับน้ำทะเลมาก ๆ หรือสนามบินที่มีสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิค่อนข้างสูงเช่นแถบตะวันออกกลางจะต้องมี Runway ให้เครื่องบินได้วิ่งยาวกว่าเพื่อทำให้เกิดแรงยกใต้ปีกให้มากขึ้น เครื่องบินต้องวิ่งให้เร็วและไกลขึ้นกว่าจะยกตัวขึ้นบินได้ หรือในทวีปอเมริกาใต้ต้องกำหนดเที่ยวบินระยะไกลให้ขึ้นบินในช่วงเย็นหรือกลางคืน ซึ่งมีสภาพอากาศเย็นกว่ากลางวัน ทั้งนี้สายการบินจะไม่ให้เครื่องบินบินขึ้นหากอุณหภูมิสูงกว่า 50 องศาเซลเซียส แม้แต่สัตว์เองก็ได้รับผลกระทบเช่นเดียวกัน นกจะไม่บินถ้ามีอุณหภูมิสูงเพราะเจอปัญหาเดียวกันกับเครื่องบินอักทั้งต้องใช้พลังงานงานสูงกว่าเดิมในการบิน

 


อ้างอิง

• [1] หนังสือเรียนวิชาฟิสิกส์ เล่ม 5 ของ สสวท. ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551, สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
• [2] Constantin Rotaru and Michael Todorov, Helicopter Flight Physics, Flight Physics - Models, Techniques and Technologies (2018) DOI: 10.5772/intechopen.71516 
• [3] บทความข่าว “อากาศร้อนจัดจนต้องยกเลิกเที่ยวบินกว่า 40 เที่ยวในสหรัฐฯ” สำนักข่าว BBC-Thai ลงวันที่ 20 มิถุนายน 2017. https://www.bbc.com/thai/international-40341477 . สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
• [4] R.J. Bomphrey, G.K. Taylor, and A.L.R. Thomas, Smoke visualization of free-flying bumblebees indicates independent leading-edge vortices on each wing pair, Experiments in Fluids, 46 (2009) 811–821
• [5] Harold Rowett, The Physics of Bird Flight 5 th Grade. Objectives: To explain how a bird is able to fly to identify three types of flight that birds use. สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
• [6] พจน์ แสงมณี และขวัญสุดา ประวะภูโต. (2552). Compact ชีววิทยา ม. 5 เล่ม 3, หน้า 16-18. สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
• [7] บทความฟิสิกส์ “การบินของแมลง” สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, http://physics.ipst.ac.th/%E0%B8%9A%E0%B8%97%E0%B8%84%E0%B8%A7%E0%B8%B2%E0%B8%A1%E0%B8%97%E0%B8%94%E0%B8%AA%E0%B8%AD%E0%B8%9A/ , สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
• [8] สมศรี ตั้งมงคลเลิศ, บทความ “ฟิสิกส์กับการบินของแมลง”, วารสาร สสวท. วันที่ 20 พฤศจิกายน 2544, https://www.nectec.or.th/schoolnet/library/create-web/10000/science/10000-585.html , สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
• [9] SPENCER FRANK, Vortex tilting and the enhancement of spanwise flow in flapping wing flight, University of Central Florida, 2011. https://stars.library.ucf.edu/honorstheses1990-2015/1218 , สืบค้นเมื่อ 24 กันยายน 2562
•