વિમાન ઉડવા પાછળ વિજ્ઞાનના કેટલાક મૂળભૂત સિદ્ધાંતો કામ કરે છે. મુખ્યત્વે ચાર બળો (forces) વિમાનને હવામાં રહેવામાં મદદ કરે છે:
1 . લિફ્ટ (Lift): –
આ એક ઊર્ધ્વગામી બળ છે જે વિમાનને ઉપરની તરફ ઉંચકે છે અને તેને હવામાં રાખે છે. વિમાનની પાંખો (wings) ખાસ આકારની બનાવવામાં આવે છે, જેને “એરફોઇલ” (airfoil) કહેવાય છે. પાંખની ઉપરની સપાટી વક્ર હોય છે અને નીચેની સપાટી પ્રમાણમાં સપાટ હોય છે. જ્યારે વિમાન આગળ વધે છે, ત્યારે હવા પાંખની ઉપરથી ઝડપથી પસાર થાય છે અને નીચેથી ધીમેથી પસાર થાય છે. બર્નોલીના સિદ્ધાંત (Bernoulli’s Principle) મુજબ, જ્યાં હવાની ગતિ વધારે હોય ત્યાં દબાણ ઓછું થાય છે. આથી, પાંખની ઉપરની બાજુએ હવાનું દબાણ ઓછું થાય છે અને નીચેની બાજુએ હવાનું દબાણ વધારે રહે છે. દબાણના આ તફાવતને કારણે પાંખ ઉપરની તરફ ધકેલાય છે, જે લિફ્ટ બળ ઉત્પન્ન કરે છે.
થ્રસ્ટ (Thrust): –
આ એક અગ્રગામી બળ છે જે વિમાનને આગળ ધકેલે છે. જેટ એન્જિન (jet engines) અથવા પ્રોપેલર (propellers) આ થ્રસ્ટ ઉત્પન્ન કરે છે. જેટ એન્જિન હવાને અંદર ખેંચીને તેને બાળીને ગરમ વાયુઓને પાછળની તરફ ધકેલે છે. ન્યૂટનના ત્રીજા નિયમ (Newton’s Third Law of Motion) મુજબ, દરેક ક્રિયાની સમાન અને વિરુદ્ધ પ્રતિક્રિયા હોય છે. આથી, ગરમ વાયુઓ પાછળ ધકેલાવાથી વિમાન આગળની તરફ ગતિ કરે છે.
ડ્રેગ (Drag): –
આ એક પ્રતિકારક બળ છે જે વિમાનની ગતિનો વિરોધ કરે છે. હવાના ઘર્ષણ (air resistance) અને વિમાનના આકારને કારણે આ બળ ઉત્પન્ન થાય છે. વિમાનને શક્ય તેટલું સુવ્યવસ્થિત (aerodynamic) બનાવવામાં આવે છે જેથી ડ્રેગ ઓછો થાય અને વિમાન વધુ કાર્યક્ષમ રીતે ઉડી શકે.
ગુરુત્વાકર્ષણ (Gravity) / વજન (Weight):
આ એક અધોગામી બળ છે જે વિમાનને પૃથ્વી તરફ નીચે ખેંચે છે. વિમાનનું વજન જેટલું વધારે હોય, ગુરુત્વાકર્ષણ બળ પણ તેટલું જ વધારે હોય છે.
વિમાન કેવી રીતે ઉડે છે તેની પ્રક્રિયા :–
ટેકઓફ (Takeoff):
વિમાન રનવે પર એન્જિનના થ્રસ્ટ દ્વારા ગતિ પકડે છે. જેમ જેમ ઝડપ વધે છે તેમ તેમ પાંખો પર લિફ્ટ બળ વધે છે. જ્યારે લિફ્ટ બળ વિમાનના વજન કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે વિમાન જમીન છોડીને હવામાં ઉપર ઉડે છે.
ચડાઈ (Climb):
એકવાર હવામાં આવ્યા પછી, પાઇલટ એન્જિનના થ્રસ્ટને વધારીને અને પાંખોના એંગલને સમાયોજિત કરીને વિમાનને ચોક્કસ ઊંચાઈ સુધી ચડાવે છે.
ક્રુઝ (Cruise):
ઇચ્છિત ઊંચાઈ પર પહોંચ્યા પછી, પાઇલટ થ્રસ્ટ અને લિફ્ટને ગુરુત્વાકર્ષણ અને ડ્રેગ સાથે સંતુલિત કરે છે. આ સ્થિતિમાં વિમાન સ્થિર ગતિ અને ઊંચાઈ પર ઉડે છે. મોટાભાગના કોમર્શિયલ વિમાન 30,000 થી 40,000 ફૂટની ઊંચાઈએ ઉડે છે કારણ કે આ ઊંચાઈ પર હવાની ઘનતા ઓછી હોવાથી ડ્રેગ ઓછો થાય છે અને ઇંધણની કાર્યક્ષમતા વધે છે.
ઉતરાણ (Landing):
ઉતરાણ માટે, પાઇલટ એન્જિનનો થ્રસ્ટ ઘટાડે છે અને વિમાનની પાંખો પરના ફ્લેપ્સ (flaps) અને સ્પોઇલર્સ (spoilers) જેવા ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરીને લિફ્ટ અને ડ્રેગને નિયંત્રિત કરે છે, જેથી વિમાન ધીમે ધીમે નીચે આવીને રનવે પર સુરક્ષિત રીતે ઉતરી શકે.
વિમાનના મુખ્ય ભાગો અને તેમનો ફાળો
વિમાન ઘણાં બધાં ભાગોનું બનેલું હોય છે, અને દરેક ભાગ વિમાનને ઉડવામાં મદદરૂપ થાય છે:
પાંખો (Wings):
વિમાનનો સૌથી મહત્ત્વનો ભાગ છે જે લિફ્ટ ઉત્પન્ન કરે છે. પાંખોની અંદર ઇંધણ સંગ્રહ કરવા માટેની ટાંકીઓ પણ હોય છે. આ ઉપરાંત, પાંખો પર કેટલાક નાના, હલનચલન કરી શકે તેવા ભાગો હોય છે જે ઉડાનને નિયંત્રિત કરવામાં મદદ કરે છે:
ફ્લેપ્સ (Flaps):
આ પાંખના પાછળના ભાગમાં આવેલા હોય છે અને ટેકઓફ અને લેન્ડિંગ દરમિયાન લિફ્ટ વધારવા અને ડ્રેગ ઉત્પન્ન કરવા માટે નીચેની તરફ ઝુકે છે.
એઇલરન્સ (Ailerons):
આ પાંખના બહારના છેડે આવેલા હોય છે અને વિમાનને ડાબે કે જમણે વળવામાં (રોલિંગ) મદદ કરે છે.
સ્પોઇલર્સ (Spoilers):
આ પાંખની ઉપરની સપાટી પર હોય છે અને ઉતરાણ દરમિયાન લિફ્ટ ઘટાડવા અને બ્રેકિંગમાં મદદ કરવા માટે ઉપર ઉંચા થાય છે.
ફ્યુઝલેજ (Fuselage):
આ વિમાનનો મુખ્ય ભાગ છે જ્યાં મુસાફરો, કાર્ગો અને પાયલટ બેસે છે. આ ભાગ વિમાનના અન્ય ભાગોને એકબીજા સાથે જોડી રાખે છે.
એન્જિન (Engines):
આ થ્રસ્ટ ઉત્પન્ન કરે છે, જે વિમાનને આગળ ધકેલે છે. મોટાભાગના આધુનિક વિમાન ટર્બોફૅન જેટ એન્જિનનો ઉપયોગ કરે છે.
પૂંછડી (Tail / Empennage):
આ વિમાનને સ્થિરતા પ્રદાન કરે છે અને દિશા નિયંત્રિત કરવામાં મદદ કરે છે. પૂંછડીના મુખ્ય ભાગો છે:
વર્ટિકલ સ્ટેબિલાઇઝર અને રડર (Vertical Stabilizer and Rudder):
આ વિમાનને ડાબે કે જમણે દિશા બદલવામાં (યાવિંગ) મદદ કરે છે. રડર વર્ટિકલ સ્ટેબિલાઇઝરનો જ એક હલનચલન કરતો ભાગ છે.
હોરિઝોન્ટલ સ્ટેબિલાઇઝર અને એલિવેટર્સ (Horizontal Stabilizer and Elevators):
આ વિમાનના નાકને ઉપર કે નીચે કરવામાં (પિચિંગ) મદદ કરે છે. એલિવેટર્સ હોરિઝોન્ટલ સ્ટેબિલાઇઝરનો જ એક હલનચલન કરતો ભાગ છે.
લેન્ડિંગ ગીયર (Landing Gear):
આ વ્હીલ્સની સિસ્ટમ છે જે વિમાનને જમીન પર ગતિ કરવા, ટેકઓફ કરવા અને લેન્ડ કરવા માટે સપોર્ટ પૂરો પાડે છે.
નિયંત્રણ સપાટીઓ અને પાયલટનો રોલ : –
પાયલટ કોકપિટમાં વિવિધ નિયંત્રણોનો ઉપયોગ કરીને વિમાનના આ ભાગોને સંચાલિત કરે છે.
કંટ્રોલ સ્ટીક / યોક (Control Stick / Yoke):
આનો ઉપયોગ એઇલરન્સ અને એલિવેટર્સને નિયંત્રિત કરવા માટે થાય છે, જે વિમાનને રોલ (ડાબે/જમણે ઝુકાવવું) અને પિચ (ઉપર/નીચે નાક કરવું) કરવા દે છે.
રડર પેડલ્સ (Rudder Pedals):
આનો ઉપયોગ રડરને નિયંત્રિત કરવા માટે થાય છે, જે વિમાનને યાવ (ડાબે/જમણે નાક ફેરવવું) કરવા દે છે.
થ્રોટલ (Throttle):
આ એન્જિનના થ્રસ્ટને નિયંત્રિત કરે છે.
પાયલટ સતત આ નિયંત્રણ સપાટીઓનો ઉપયોગ કરીને લિફ્ટ, થ્રસ્ટ, ડ્રેગ અને ગુરુત્વાકર્ષણ બળોને સંતુલિત કરે છે જેથી વિમાન ઇચ્છિત દિશામાં અને ગતિએ ઉડી શકે.
ઊંચાઈ અને હવાનું દબાણ : –
વિમાન ઊંચે ઉડે તેમ હવાનું દબાણ અને ઘનતા ઓછી થાય છે. આના કેટલાક ફાયદા અને ગેરફાયદા છે:
ફાયદા:
ઓછી હવાની ઘનતાને કારણે ડ્રેગ ઓછો થાય છે, જેનાથી વિમાન વધુ ઇંધણ કાર્યક્ષમ રીતે ઉડી શકે છે. આ ઊંચાઈ પર ટર્બ્યુલન્સ (turbulence) પણ ઓછું હોય છે.
ગેરફાયદા:
ઓછી હવાની ઘનતાને કારણે એન્જિનને ઓક્સિજન ઓછો મળે છે, જેથી થ્રસ્ટ ઉત્પન્ન કરવાની ક્ષમતા ઘટે છે. ઉપરાંત, લિફ્ટ ઉત્પન્ન કરવા માટે વધુ ઝડપની જરૂર પડે છે. આ જ કારણ છે કે વિમાનને ખાસ કરીને ઊંચી ઉડાન માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે અને કેબિનનું દબાણ (cabin pressurization) જાળવવું પડે છે જેથી મુસાફરો આરામથી શ્વાસ લઈ શકે.
