آيروديناميك پرواز

تاريخچه

برادران رايت توانستند با استفاده از نبوغ و خلاقيت خود در دهم دسامبر 1903 كه آرزوي ديرينه بشر را كه پرواز بود تحقيق بخشند و از زماني كه اسحاق نيوتن فيزيكدان انگليسي ، نيروي جاذبه را كشف كرد، فكر پرواز و غلبه بر نيروي جاذبه در انسان شدت بيشتري يافت. برادران رايت كه يك مغازه تعميرات دوچرخه داشتند، هميشه در فكر پرواز بودند.

آنها بر اساس اطلاعات و مطالعات كه در مورد پرواز داشتند به ساخت بالها و طراحي هواپيما پرداختند. سپس يك تونل باد كوچك ساخته و اجزاي آيروديناميكي هواپيماي خود را كه از طراحي كاملا نوين و پيشرفته برخوردار بود، آزمايش كردند. و اولين پرواز قابل كنترل هواپيما را انجام دادند. زماني كه هواپيما به پرواز در مي‌آيد تحت تاثير نيروهاي آيروديناميكي قرار مي‌گيرد.

نيروي آيروديناميكي

نيروي آيروديناميك در اثر وزش باد بر روي يك جسم توليد مي‌شود. اين جسم مي‌تواند تير چراغ‌ برق ، يك آسمان خراش ، پل ، هواپيما و يا كابل برق فشار قوي باشد. اما بازتاب نيروي آيروديناميكي كه ايجاد مي‌شود، بستگي به شكل اين جسم خاص كه در معرض وزش باد قرار گرفته است. اگر هم پهن و داراي زاويه تند باشد در برابر باد مقاومت مي‌كند و در جهت وزش باد خم مي‌شود. اما اگر داراي زواياي خميده و يا نيم‌دايره باشد، مقاومت كمتري نسبت به ساير اجسام خواهند داشت. نيروهاي آيروديناميكي شامل چهار نيرو مي‌شود، كه اين نيروها عبارتند از :

نيروي برا (LIFT)

نيروي برا ، نيرويي است كه باعث بالا رفتن هواپيما يا هليكوپتر و اجسام برنده ايجاد مي‌شود. براي اينكه اين نيرو ايجاد شود بايد جسم مورد نظر شكل خاصي داشته باشد، مطلوب‌ترين شكل مي‌تواند به صورت يك قطره آب و يا يك جسم كه يك طرفش نيم‌دايره و طرف مقابل آن زاويه تند داشته باشد. اگر اين جسم به گوشه‌اي در جريان هوا قرار گيرد كه باد از سمت جسم كه حالت نيم‌دايره دارد بوزد و از طرف مقابل كه زاويه تندي دارد جسم را ترك كند، نيروي برا ايجاد خواهد شد. وقتي كه مولكولهاي هوا با لبه جلوي بال برخورد مي‌كند، تعدادي به سمت بالا و تعدادي به سمت پايين بال متمايل مي‌شوند. هر دو گروه مولكولها مي‌بايستي در انتهاي بال همزمان به يكديگر برسند. چون بالاي بال هواپيما انحناي بيشتري دارد و مسافت آن نسبت به زير بال بيشتر است.

در نتيجه مولكولهايي كه از سطح بالايي عبور مي‌كنند. مي‌بايستي با سرعت بيشتري حركت كنند تا با مولكولهاي سطح پايين همزمان به انتهاي بال هواپيما برسند. اين عمل باعث كاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پايين بال خواهد شد. اشاره به اصل برنولي وقتي كه سرعت هوا در سطح بالاي بال بيشتر از سطح پاييني آن باشد، فشار در سطح بالايي كم مي‌شود. حال كه فشار هوا در قسمت بالاي بال كاهش مي‌يابد و يك خلا نسبي ايجاد مي‌شود كه جسم را به طرف خود مي‌كشد. اين خلا نسبي همان نيروي برا مي‌باشد كه باعث بالا رفتن هواپيما مي‌شود. هر چقدر سرعت هواپيما بيشتر باشد مقدار خلا نسبي نيز بيشتر مي‌شود.

نيروي وزن (WEIGHT)

زماني كه ما روي زمين قرار گرفته‌ايم وزن ما بطور عمود بر مركز زمين وارد مي‌شود. وزن ما باعث قرار گرفتن روي زمين و نيز جاذبه‌اي كه برما وارد مي‌شود با وزن ما برابر خواهد بود. طبق قانون نيوتن ، نيروي جاذبه‌اي كه بر جسم ما وارد مي‌شود برابر با يك خواهد بود.

براي اينكه هواپيما به پرواز درآيند بايد بر نيروي جاذبه غلبه كند. وزن هميشه در جهت مخالف نيروي برا است.

نيروي رانش (THRUST)

وقتي جسمي از زمين بلند شده و در فضا قرار مي‌گيرد، بايد نيروي رانش كافي داشته باشد. به عبارت ديگر نيروي رانش باعث مي‌شود تا هواپيما به طرف جلو حركت كرده و جريان لازم را ايجاد كند. جريان ايجاد شده توليد نيروي برا اين كار را خواهد كرد. در هواپيما نيروي رانش بوسيله موتور فراهم مي‌شود.

نيروي پسا (DRAG)

- طبق قانون نيوتن هر عملي يك عكس‌العمل در جهت مخالف خواهد داشت به دليل اينكه نيروي رانش باعث جلو رفتن هواپيما مي‌شود. افزايش اين نيرو باعث افزايش نيروي پسا خواهد شد. وجود نيروي پسا يك امر اجتناب ناپذير است ولي كارشناسان ، طراحان و سازندگان هواپيما سعي مي‌كنند در حين پرواز از مقدار نيروي پسا كاسته شود.

- شكل هواپيما ، هر قدر بالها نازكتر يا محل اتصال اجزا خارجي با بدنه زاويه‌هايي تند نداشته باشد، بخشي از نيروي پسا كاهش مي‌يابد. بستگي به شكل خاص اجزايي كه در توليد نيروي برا نقش دارند. مانند بالها ، و بخشي از بدنه . براي اينكه هواپيما بتواند سرعت‌هاي كم به اندازه كافي نيروي برا و در سرعت‌هاي زياد از توليد نيروي پسا كاسته شود بالهاي آن را به گونه‌اي مناسب طراحي مي‌كنند.

- پس متوجه مي‌شويم كه با افزايش نيروي رانش بر سرعت هواپيما افزوده مي‌شود. با افزوده شدن سرعت هواپيما ، جريان هوا نيز افزايش يافته و نيروي برا افزايش مي‌يابد تا بر وزن هواپيما غلبه كند. با افزايش نيروي برا و رانش بر ميدان نيروي پسا نيز افزوده خواهد شد. اما زماني كه هواپيما در مسير پرواز قرار مي‌گيرد كليه نيروها به حالت تعادل در آمده و هواپيما با سرعت ثابتي به پرواز خود ادامه مي‌دهد.