یکی از ابتدایی ترین سوالاتی که هرکدام از ما در ابتدای راه خلبانی خواهیم پرسید این است که هواپیما چطور پرواز میکند؟ برای پاسخ به این سوال نیاز است که بخش مقالات مربوط به آیرودینامیک را به خوبی مطالعه نمایید و با نیروهای تاثیرگذار بر هواپیما آشنا شوید. در این مقاله سعی داریم شمارا با یکی از این نیروها که عامل اصلی به پرواز درآمدن هواپیماست آشنا سازیم. نیرویی بالا برنده یا همان نیروی لیفت (lift)

 

لیفت

همانطور که گفته شد نیروی لیف اساس بحث آیرودینامیک است. نیرویی مقابل نیروی وزن  ولی در خلاف جهت با آن.در یک پرواز مستقیم  و در ارتفاع ثابت نیروی وزن و نیروی لیف با یکدیگر برابری میکنند.در این حالت هواپما در تعادل قرار دارد و  اگر دیگر عوامل ثابت باقی بمانند  هواپیما نه صعود میکند و نه ارتفاع از دست میدهد.

اما زمانی که هواپیما در رمپ قرار دارد نیز تعادل وجود دارد اما اینجا نیروهای آیرودینامیکی در تعادل هواپیما تثیر ندارند.

اما برای درک نیروی لیف و تاثیر ان در پرواز نیاز دارید ابتدا  اساس قانون  حرکت را در مورد هوا ٫

بال و هواپیما بدانید.

 

قوانین حرکت نیوتون

در قرن هفدهم میلادی  فردی به نام ایزاک نیوتون که معرف حضورتان هست(!)٫ قوانینی  را مطرح کرد که امروزه دلیل بوجود امدن نیروی لیف توسط بال را توضیح میدهد.

 

قانون شماره یک نیوتون:

تمایل اجسام به حفظ حالت خود

یک جسم در حالت سکون تمایل دارد در همان حالت بماند و برعکس یک جسم در حال حرکت تمایل دارد به حرکت خود به همان صورت که بود ادامه دهد.برای مثال یک هواپیما که بدون حرکت در رمپ پارک شده است تمایل دارد در همین حالت استراحت بماند! تا زمانی که نیرویی آن را وادار به حرکت کند. اما این نیرو لازم است به اندازه ی کافی قدرتمند باشد تا از پس اندازه ی  هواپیما بربیاید!

 

قانون شماره دو نیوتون:

 

هرگاه بر جسمی نیرو وارد کنیم٫ آن جسم تحت تاثیر نیروی وارد شده شتاب میگیرد. این شتاب با نیروی وارد شده رابطه ی مستقیم و با جسم نسبت معکوس دارد. معمولا این قانون به صورت فرمول نیز بیان می شود: F = M✖️A  که در این فرمول (F) نیرو ٫ (M) جسم و (A) شتاب هستند.

 

قانون سوم نیوتون:

قانون عمل و عکس العمل

برای هرعملی٫ عکس العملی به همان میزان ولی در خلاف جهت آن وجود دارد.

مانند تاثیری که هوا و بال هواپیما بر یکدیگر میگذارند.

اصل برنولی و اساس کار آن

دنیل برنولی یک ریاضی دان سوییسی بود که ایده های نیوتون را گسترش داد و به نتیجه ی جدیدی رسید که امروزه به نام قانون برنولی شناخته میشود.

این قانون که در سال ۱۷۳۸ میلادی در نشریه ی او تحت عنوان هیدرودینامیک منتشر شد به توضیح حرکت سیالات میپردازد.در این متن معادله ی برنولی که اصل اساسی دیفرانسیل فشار هوا را توصیف میکند برای اولین بار عنوان شد. طبق اصل برنولی با افزایش سرعت یک سیال مانند هوا فشار داخلی آن کاهش میابد. (ناگفته نماند که این اصل بر اساس قانون دوم نیوتون نوشته شده است.)

برای درک بهتر قانون برنولی به مثال زیر توجه کنید:

فرض کنید یک شلنگ آب در دست دارید که  با باز کردن شیر٫ آب با سرعت ثابتی از آن خارج مشود. حال اگر سر شلنگ آب را با دست بگیرید و فقط کمی سر آن را باز بگذارید در این حالت شما جلوی فشار آب را گرفته اید و میبینید که آب با سرعت بیشتری خارج میشود. حال تصور کنید این اتفاق درون یک لوله میفتد. (به شکل ۳ـ۳ دقت کنید) لوله ای که قسمتی از آن باریک شده باشد و جریان هوا در ان عبور کند. زمانی که هوا از داخل این لوله عبور میکند در قسمتی که لوله باریک شده است فشار مولکول های هوا کاهش  ولی سرعت عبور آنها افزایش میابد. این لوله را لوله ی ونتوری (venturi) می نامند.

شکل ۳ـ۳

همانطور که سرعت و فشار سنج این شکل نشان میدهد در قسمت باریک شده ی لوله ی ونتوری ٫ شاهد کم شدن فشار استاتیک (فشار ساکن) و افزایش سرعت (انرژي جنبشی)خواهیم بود.(توجه داشته باشید برای صحبت در مورد سرعت در لوله ی ونتوری از واژه ی velocity استفاده میشود و نه سرعت. دلیل آن هم این است که speed سرعتییست که جهت ندارد اما سرعت مولکول های هوا درون لوله ی ونتوری جهت دار است پس از واژه ی velocity استفاده میکنیم.)

حال برای درک ارتباط قانون ونتوری و نیروی لیف به ادامه ی مطالب توجه نمایید.

 

 

 

(Airfoil) ایرفویل چیست؟

ایرفویل هر سطحیست که وقتی در تعامل با جریان  هوا قرار میگیرد  نیروی آیرودینامیکی تولید کند . درواقع بال هواپیما نیز  یک نوع ایرفویل است.برای درک چگونگی این موضوع به شکل زیر توجه نمایید.

 

چرخش جریان هوا اطراف یک  ایرفویل  (مثل بال) دلیل اصلی تولید نیروی لیف میباشد. این جریان هوای چرخشی اطراف ایرفویل٫ بر توزیع فشار روی آن تاثیر میگذارد.شکل ۶-۳  اما این توزیع فشار در همه جای بال به یک میزان نیست ..و همین موضوع اساس کار ایرفویل میباشد.

شکل و فرم بال هواپیما به گونه ای طراحی شده است که به صورت همزمان از  قانون برنولی و قوانین نیوتون پیروی میکند. به این صورت که کمان بزرگتر در سطح بالایی بال باعث می شود هوا در هنگام پایین امدن از بال شتاب بگیرد.

 

شکل ۴-۳

بالاش انحراف جریان هوا در قسمت بالایی بال

پایینش قسمتی از ایرفویل که ابتدا جریان هوا با این قسمت برخورد میکند

زیر شکل: زمانی که ایرفویل در طول هوا حرکت میکند٫ جریان هوارا اطراف خود پخش میکند.

سمت راست بالا قسمتی از ایرفویل که جریان هوای بالای بال به جریان هوای پایین بال مجدا ادغام میشوند.

 

 

راست پایین: جریان هوای منحرف شده  رو به پایین که از سطح زیری بال و از trailing adge(لبه ی فرار بال)  میگذرد.

 

 

 

 

 

شکل ۵-۳

 

کمبر: یک منحنی که سطح بالایی و پایینی بال را به هم وصل میکند

 

کرد لاین: خطی فرضی و مستقیم  که لیدینگ ایج (لبه ی حمله) را به تریلین ایج (لبه ی فرار) وصل میکند.

 

انگل اف اتک زاویه ی حمله : زاویه ی بین کرد لاین و مسیر جریان هوا

 

 

 

همانطور که انگل اف اتک (زاویه ی حمله) افزایش پیدا میکندمیزان نیروی لیفت نیز زیاد میشود. اما فراموش نکنید که نیروی لیفت همواره عمود بر جریان هواست فارق از این که زاویه ی حمله چقدر باشد.