Een door mensen gemaakt vliegtuig vliegt volgens dezelfde fysische principes als een vogel: het moet de zwaartekracht overwinnen om lift en vlucht te bereiken. De vleugels van een vliegtuig werken om de lift te genereren en bereiken dit door de luchtstroom om hen heen te buigen. Zonder vleugels is een vliegtuig slechts een auto.

Vliegtuigkrachten

Vliegtuigen - en vogels - kunnen vliegen omdat ze vier krachten balanceren: lift, gewicht, weerstand en stuwkracht. Een vliegtuig neemt de lucht in wanneer de lift - de kracht die op het ondervlak van zijn vleugels naar boven duwt - groter is dan het gewicht van het vliegtuig vanwege de zwaartekracht. Lift wordt gecreëerd door de luchtstroom rond het vliegtuig, vooral rond de vleugels. Slepen is de kracht van luchtweerstand tegen de beweging van het vliegtuig. Deze kracht neemt toe met een hogere vliegtuigsnelheid maar neemt af als het vliegtuig een vloeiende, of aerodynamische vorm heeft. De motor en het voortstuwingssysteem van het vliegtuig, hetzij jet of propeller, genereert een duwkracht om de weerstand te overwinnen.

Newton en Bernoulli

Twee Europese wetenschappers hebben de principes van vliegtuigvluchten toegelicht. De Engelse fysicus Isaac Newton (1642-1727) somt drie bewegingswetten op die van toepassing zijn op alle bewegende objecten. De eerste is dat objecten in rust of in uniforme beweging blijven tenzij ze gedwongen worden te veranderen door een externe kracht. De tweede stelt dat een kracht die op een object wordt gericht, ervoor zorgt dat deze versnelt in de richting van die kracht. De derde stelt dat er voor elke kracht een gelijke en tegengestelde kracht bestaat. De Zwitserse wiskundige Daniel Bernoulli (1700-1782) was een pionier in het ontwikkelen van een wiskundige verklaring voor vloeistofdynamica, de mechanica van hoe vloeistof en gassen stromen. Zijn belangrijkste bevinding, bekend als het Bernoulli-principe, stelt dat naarmate de snelheid van de luchtstroming toeneemt, de druk daalt.

Attackhelling

Vliegtuigvleugels zijn ontworpen om enigszins van de horizontale lijn te kantelen, ook bekend als het pad van de vlucht. Deze kantelhoek wordt de aanvalshoek genoemd en is de belangrijkste variabele bij het genereren van lift. Een vliegtuig begint te bewegen wanneer de piloot stuwkracht uit de motor toepast om het vliegtuig vooruit te laten rijden op de grond. De piloot draait het vliegtuig omhoog door de neus op te tillen om de aanvalshoek te vergroten en het opstijgen te bereiken. Een te grote aanvalshoek zal het vliegtuig echter blokkeren.

Flow Curvature

Lift wordt gegenereerd door de lucht rond de vleugels van een vliegtuig. Terwijl de luchtstroom de voorrand van een vleugel raakt, splitst deze zich in twee delen, waarvan sommige langs het bovenoppervlak stromen en sommige langs het oppervlak eronder stromen. De vorm van een vleugel is enigszins asymmetrisch, met een groter oppervlak aan de bovenzijde. De luchtstroom kleeft aan het bovenoppervlak wanneer het beweegt tussen de voor- en achterkant van de vleugel, waarbij de druk wordt gebogen en verlaagd volgens het Bernoulli-principe. Terwijl het vliegtuig snelheid wint, neemt de lift toe volgens de tweede bewegingswet van Newton. Dit op zijn beurt verhoogt de luchtkromming op het bovenoppervlak en dwingt meer lucht naar beneden vanaf de achterrand van de vleugel. Terwijl het vliegtuig door de lucht beweegt, buigt de onderkant van de vleugel die naar de luchtstroom kijkt in de aanvalshoek ook wat lucht naar beneden toe af. Deze neerwaartse luchtstroom genereert een gelijke en tegenovergestelde reactie in een opwaartse stroom van hogedruklucht (de derde wet van Newton), waardoor de lift toeneemt en het vliegtuig in de lucht blijft.