ทำไมใบพัดโดรนสี่ใบจึงหมุนคนละทิศ

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

โดรนสี่ใบพัดที่กำลังลอยนิ่งดูเหมือนแทบไม่ขยับ ตัวลำชี้ไปทางเดิม กล้องก็รักษามุมภาพไว้ได้ ทั้งที่เหนือหัวมันมีมอเตอร์ 4 ตัวกำลังหมุนใบพัดด้วยความเร็วสูงมาก จุดสำคัญไม่ได้อยู่ที่แรงยกเพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่แรงบิดที่แอบส่งกลับมาที่ตัวลำ

มอเตอร์ทุกตัวต้องออกแรงบิดเพื่อหมุนใบพัด หากใบพัดหมุนตามเข็มนาฬิกา ตัวโดรนจะได้รับแรงบิดปฏิกิริยาที่พยายามหมุนไปทางตรงข้าม หลักนี้สอดคล้องกับกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน: เมื่อวัตถุออกแรงต่ออีกวัตถุหนึ่ง ก็จะมีแรงปฏิกิริยาขนาดเท่ากันในทิศตรงข้ามเกิดขึ้นกับวัตถุอีกชิ้น

เพราะฉะนั้น ถ้าใบพัดทั้ง 4 ใบหมุนทิศเดียวกัน แรงบิดปฏิกิริยาจะสะสมไปทางเดียวกัน ตัวลำจะหมุนรอบแกนตั้งหรือ “ควง” ทันที แม้แรงยกจะมากพอให้ลอยได้ก็ตาม

วิธีแก้คือแบ่งใบพัดเป็น 2 ใบหมุนตามเข็มนาฬิกา และอีก 2 ใบหมุนทวนเข็มนาฬิกา โดยมักวางใบที่หมุนทิศเดียวกันไว้คนละมุมทแยง แรงบิดจากสองฝั่งจึงหักล้างกัน ขณะลอยนิ่ง แรงบิดรวมที่ตัวลำได้รับควรใกล้ศูนย์ โดรนจึงไม่หมุนเอง

การจัดคู่หมุนคนละทิศยังทำให้ระบบควบคุมใช้แรงบิดได้อย่างตั้งใจด้วย หากต้องการให้โดรนหันหัวไปทางขวา ระบบจะเร่งคู่ใบพัดด้านหนึ่ง และลดความเร็วของอีกคู่หนึ่งในปริมาณที่สัมพันธ์กัน แรงยกรวมจึงยังใกล้เดิม แต่แรงบิดสองด้านไม่เท่ากันชั่วคราว ตัวลำจึงหมุนหันไปยังทิศที่สั่ง

การบินไปข้างหน้า ถอยหลัง หรือเอียงซ้ายขวาใช้หลักใกล้กัน แต่เปลี่ยนจากการจัดการแรงบิดเป็นการปรับแรงยกของแต่ละมุม เช่น เพิ่มแรงยกด้านหลังและลดด้านหน้า ตัวลำจะก้มลงแล้วเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ส่วนการหันซ้ายขวาอาศัยความต่างของแรงบิดจากคู่ใบพัดหมุนสวนกัน

จึงเป็นเหตุผลที่ใบพัดและตำแหน่งมอเตอร์สลับกันแบบมีแบบแผน ไม่ใช่ใส่ใบพัดชนิดใดลงตำแหน่งใดก็ได้ ใบพัดสำหรับทิศตามเข็มและทวนเข็มมีรูปทรงหรือการติดตั้งที่ต่างกันเพื่อผลักอากาศลงด้านล่างได้ถูกทิศ หากใส่สลับผิด โดรนอาจยกตัวไม่ได้ หมุนผิดปกติ หรือพลิกคว่ำตั้งแต่เริ่มเร่งมอเตอร์

แรงบิดจริงอาจไม่สมดุลเป๊ะตลอดเวลา เพราะมีลม ใบพัดสึก น้ำหนักบรรทุก และความคลาดเคลื่อนของมอเตอร์ ระบบควบคุมการบินจึงต้องตรวจจับการหมุนของตัวลำและปรับรอบมอเตอร์ตลอดการบิน แต่พื้นฐานที่ทำให้มันมีอำนาจควบคุมอยู่แล้ว คือการมีใบพัดสองทิศที่คอยชดเชยแรงบิดให้กันตั้งแต่ต้น