مکانیک , مهندسی 4563 بازدید

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 «برا» (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.

aerodynamic-forces
نیروهای وارد شده به هواپیمای در حال پرواز

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 = برا

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

thrust

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.

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.

drag

برا

به نیروی آیرودینامیکی که عمودِ جهت جریان، به جسم وارد می‌شود، «برا» (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 برا تولید می‌کنند].

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 برا چگونه ایجاد می‌شود؟

همان‌گونه که در بالا نیز بیان شد،‌ نیروی برا 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.

pressure-distribution
توزیع فشار اطراف ایرفویل

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 برا و پسا را در شرایط مختلف پروازی محاسبه کنند.

«ضریب برا» (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.

lift-coefficient

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

lift-coefficient
رابطه *

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

airfoil

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 برا 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 × CL × A × ρ × V2= 0.5 × 0.55 × 17.956 × 1 × 452= 9999 N

توجه داشته باشید که ضریب برا 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:

^^

مجید عوض زاده (+)

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

بر اساس رای 16 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *