نیروهای آیرودینامیکی — چگونه یک جسم به پرواز در می‌آید؟

قبل از آنکه در مورد نحوه پرواز هواپیما صحبت شود، مهم است بدانید که نیروهای آیرودینامیکی چه مفهومی دارند. هواپیمایی را فرض کنید که در حال پرواز است. به چنین سیستمی چهار نیروی «برآر» (Lift)، «پسا» (Drag)، وزن و «تراست» (Thrust) وارد می‌شود. این چهار نیرو تحت عنوان نیروهای آیرودینامیکی شناخته می‌شوند و در شکل زیر نشان داده شده‌‌اند.

پرواز پایدار

به‌منظور انجام پروازی پایدار توسط یک جسم پرنده، نیروهای ذکر شده در بالا، بایستی به شکل زیر، معادل هم باشند.

تراست = پسا

وزن = برآر

فیلم آموزش آیرودینامیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

اگر به هر دلیلی نیروی پسا از تراست بیشتر شود، سرعت جسم مفروض کم خواهد شد. هم‌چنین در صورتی‌ که برآر از وزن کمتر شود، ارتفاع جسم در حال پرواز، کم خواهد شد. به‌منظور ارتفاع دادن به جسم، نیروی برآر بایستی از وزن بیشتر باشد.

تراست

به نیروی آیرودینامیکی که جسم پرنده را رو به جلو حرکت می‌دهد، «تراست» (Thrust) گفته می‌شود. به منظور به حرکت در آوردن هر جسمی، نیروی تراست تولیدی، بایستی از نیروهای مقاوم در مقابل حرکت جسم بیشتر باشد.

فیلم آموزش مفاهیم مقدماتی آیرودینامیک (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

در هواپیماها این نیرو با استفاده از سیستم پیشرانش، ایجاد می‌شود. معمولا این سیستم‌ها مبتنی بر جت یا پره هستند. پره، نوعی فن خانگی است که در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر، هوا را به سمت خود می‌کشد. انیمیشن زیر مسیر جریان هوا درون پره یک هواپیما را نشان می‌دهد.

پسا

هرگاه جسمی در یک سیال حرکت کند، نیرویی خلاف جهت جریانِ عبوری، به آن وارد می‌شود؛ به نیروی مذکور، «پسا» (Drag) گفته می‌شود. برای نمونه هنگامی که سوار خودرو هستید، اگر دست خود را بیرون از پنجره قرار دهید،‌ هوای عبوری به دستتان نیرویی در خلاف جهت حرکت خودرو وارد می‌کند. این نیرو همان پسا است. اندازه نیروی وارد شده به شما به عواملی هم‌چون مساحت دست، سرعت خودرو و چگالی هوا وابسته خواهد بود.

فیلم آموزش روش های مهندسی محاسبه مشتقات پایداری در طراحی هواپیما در فرادرس

کلیک کنید

اگر دقت کنید، شرکت‌کنندگان مسابقات اسکی، بدن خود را جمع می‌کنند. دلیل این عمل، کاهش سطحِ جریانِ عبوری روی بدن است، که منجر به کاهش نیروی پسا خواهد شد.

برآر

به نیروی آیرودینامیکی که عمودِ جهت جریان، به جسم وارد می‌شود، «برآر» (Lift) می‌گویند. این نیرو نسبت به سه نیروی دیگر از پیچیدگی بیشتری برخوردار است؛ چراکه به‌منظور تشریح آن، نیازمند روابط ریاضی هستیم. در یک هواپیمای مسافربری، بیشترین نیروی لازم برای به پرواز در آوردن، در بال‌ها ایجاد می‌شود [در یک هواپیما، سازه‌های دیگری نیز وجود دارند که نیروی برآر تولید می‌کنند.

فیلم آموزش پروژه محور کتیا – مدل سازی غیر پارامتریک بدنه هواپیما در CATIA در فرادرس

کلیک کنید

مقدمه‌ای در مورد سیال

در مفاهیم آیرودینامیکی، هوا نوعی سیال فرض می‌شود. این گاز همانند آب و یا هر مایع دیگری جریان می‌یابد. شباهت هوا به مایعات در حدی است که گاهی اوقات آزمایشات آیرودینامیکی را زیر آب انجام می‌دهند. توجه داشته باشید که تنها در حالتی نیروهای آیرودینامیکی وجود دارند که سیالی در حال حرکت باشد. این مفهوم در مورد نیروی پسا نیز صادق است.

لازم است بدانید که حرکت سیال روی جسم، نسبی در نظر گرفته می‌شود. برای مثال در مورد هواپیمای در حال پرواز، سیال ساکن است و جسم حرکت می‌کند. ‌در واقع در محاسبه نیروی برا و پسا، سرعت نسبی سیال و جسم اهمیت دارد. بنابراین توجه داشته باشید که درگ و لیفت، هیچگاه در فضای خلاء ایجاد نخواهند شد. به همین دلیل است که در شاتل‌های فضایی بالی وجود ندارد.

نیروی برآر چگونه ایجاد می‌شود؟

همان‌گونه که در بالا نیز بیان شد،‌ نیروی برآر از غوطه‌ور شدن یک جسم در سیال اطرافش ایجاد می‌شود [پسا نیز همین مفهوم را نشان می‌دهد با این تفاوت که این نیرو در راستای جریان به جسم وارد می‌شود]. این نیرو ناشی از متفاوت بودن سرعت در نقاط مختلف جسم است. با توجه به معادله برنولی، این تغییر، منجر به تغییر فشار اطراف جسم شده و نیروی خالصی را به آن وارد می‌کند.

محاسبه نیروی برا

در سال ۱۹۱۵، کنگره آمریکا، اداره کل ملی هوانوردی و فضا (NASA) را تاسیس کرد. در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰، این موسسه آزمایشاتی را در تونل باد خود و روی چندین ایرفویل انجام داد. نتایج بدست آمده به مهندسان کمک می‌کند تا نیروهای برآر و پسا را در شرایط مختلف پروازی محاسبه کنند.

«ضریب برآر» (Lift Coefficient) برای یک ایرفویل عبارت است از عددی بی‌بعد که اندازه نیروی مذکور را با توجه به سرعت سیال، چگالی آن و سطح مقطع ایرفویل، تعیین می‌کند. به زاویه میان جریان عبوری و ایرفویل، «زاویه حمله» (Angle of Attack) گفته می‌شود. توجه داشته باشید که مقدار نیروی وارد شده به یک ایرفویل، با زاویه حمله آن در ارتباط است. در نمودار زیر، نتایج حاصل از تست ایرفویل NACA0012 ارائه شده.

با توجه به این نمودارها، نیروی لیفت را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد.

فرض کنید می‌خواهیم نیروی برآر را حول ایرفویلی با عرض ۱.۳۴ متر و طول ۱۳.۴ متر،‌ محاسبه کنیم.

این ایرفویل، مقطع بال هواپیمایی است که با سرعت ۱۶۱ کیلومتر در ساعت، (معادل با ۴۵ متر در ثانیه) در هوا در حال پرواز است. فرض کنید ضریب برای این ایرفویل، در زاویه حمله ۴ درجه برابر با ۰.۵۵ محاسبه شده. با این فرضیات، نیروی لیفت وارد شده به جسم مفروض، چقدر است؟

در ابتدا بایستی مساحتی محاسبه شود که نیروی برآر به آن اعمال می‌شود. بدین منظور داریم:

A= 1.34 × 13.4= 17.956 m²

چگالی هوا برابر با ۱ کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شده؛ بنابراین با استفاده از رابطه * می‌توان گفت:

L= 0.5 × C_L × A × ρ × V²= 0.5 × 0.55 × 17.956 × 1 × 45²= 9999 N

توجه داشته باشید که ضریب برآر و پسا به زاویه‌ حمله وابسته هستند.

در صورتی که به مباحث مرتبط در زمینه مکانیک سیالات علاقه‌مند هستید، احتمالا آموزش‌های زیر می‌توانند برایتان مفید باشند:

• موتور جت چگونه کار می‌کند؟ به زبان ساده
• مجموعه آموزشی مهندسی مکانیک
• سینماتیک سیالات — مقدمه‌ای بر مکانیک
• معادله برنولی -- به زبان ساده