مهدي كياني
کاربر فعال مهندسی هوافضا
چطور پرواز می‌کنند
چطور پرواز می‌کنند؟شاید تا به حال با هواپیما پرواز کرده باشید شاید هم نه! اما من فکر می‌کنم که نشستن در هواپیمای بزرگی که درونش خیلی هم با اتوبوس فرق ندارد، رابطه نزدیکی با پرواز ندارد. در عوض کسی که تا به حال بادبادک هوا کرده باشد، خوب با پرواز و حس پرنده بودن آشناست. در واقع باید دانست که همان اصولی بادبادک را پرواز می‌دهد که بوئینگ را! اولین شباهت آنها این است که هر دو در هوا پرواز می‌کنند.
هوا چیست؟ همان چیزی که در کتاب علوم دبستان می‌خوانیم. ماده ای که مولکولهایش دایما حرکت می‌کنند. این حرکت و برخورد مولکولها به همه اشیا، منشا پدید آمدن فشار هواست که نقش مهمی در شناوری اجسام در آسمان دارد.
بگذارید بعضی از خواص مهم رفتار هوا را دوباره بررسی کنیم:
1- دو صفحه کاغذ کاملا یکسان را در نظر بگیرید. یکی از آنها را مچاله کنید و هر دو را از یک ارتفاع رها سازید. چه می‌بینید؟ این پدیده چه چیزی را نشان می‌دهد؟ چرا چیزهایی که پرواز می‌کنند (اهم از پرنده‌ها و هواپیما) به بال احتیاج دارند؟
2- یک نوار کاغذی باریک ببرید و آن را در دست بگیرید. حالا روی نوار بدمید. چه اتفاقی می‌افتد؟ چرا کاغذ در هوا به پرواز درمی آید؟ چرا فشار هوا روی آن، باعث افتادن کاغذ نمی شود؟
خاموش
آهسته
متوسط
تند
تندتر
بسیار تند
گردباد
اگر جواب این سوال‌ها را نمی دانید آنها را به یاد بسپارید تا در حین کشف نحوه پرواز هواپیما هشیارتر به قضیه نگاه کنید. حتما موافقید که مهمترین مساله ای که باید به آن غلبه کرد، وزن است. یعنی هواپیما اول باید از زمین بلند شود تا بعد بتوانیم راجع به جلو یا عقب رفتنش بحث کنیم. نیروی وزن طبیعتا همه اجسام را رو به پایین (یعنی زمین) می‌کشد پس ما به نیرویی به سمت بالا احتیاج داریم. به این نیرو "بالابر" یا "لیفت" می‌گویند.
برای درک چگونگی ایجاد این نیرو بهتر است به بال یک هواپیما نگاهی بیندازیم و البته یک نگاه یواشکی به قوانین فیزیک:
جریان هوا با رسیدن به بال به دو قسمت تقسیم می‌شود و یکی از رو و دیگری از زیر بال می‌گذرد. آزمایش و مشاهده و واقعیت پرواز هواپیما نشان می‌دهد که جریان رویی بسیار سریعتر از جریان زیر بال است. در اینجاست که نوبت برنولی می‌شود تا با قانونش نشان بدهد پرواز چطور ممکن است.
قانون برنولی
قانون برنولی صورتی دیگر از قانون بقای انرژی است. برای درک آن به تصویر زیر نگاه کنید:
تصویر به سادگی به ما می‌گوید که سیالی که تحت فشار بیشتری است، سرعت کمتری دارد. برای درک این مفهوم باید به انرژی مکانیکی هوای در حال حرکت توجه کنید. این انرژی در واحد حجم برابر است با انرژی جنبشی ناشی از حرکت هوا و انرژی پتانسیل موجود بین مولکولهای هوا. این انرژی پتانسیل، درست مانند انرژی پتانسیلی که در فنر ذخیره می‌شود، با فشرده شدن مولکولهای هوا در هوای فشرده ذخیره می‌شود.
بنابراین این انرژی با فشار هوا رابطه مستقیم دارد:
انرژ پتانسل در واحد حجم = P
در عین حال انرژی جنبشی برابر است با =
و می‌دانیم که مجموعه این دو نوع انرژی هموار مقدار ثابتی است. (فرض بر این است که اتلاف انرژی وجود ندارد و انرژی ای هم تولید نمی شود). پس می‌بینید که با افزایش فشار طبعا سرعت جریان هوا کاهش می‌یابد. به بال هواپیما برمی گردیم. جریان پایینی سرعت کمتری دارد پس دارای فشار بیشتری است. اختلاف فشار بین دو سطح بال، نیرویی رو به بالا به آن وارد می‌آورد که همان نیروی بالابر است. (به خاطر دارید که فشار یعنی نیرو تقسیم بر سطح) می‌شود به همین سادگی تصور کرد که ما نیروی بالابر را فهمیده ایم اما اگر شما هم به اندازه مخترعانی مثل برادران رایت تیزبین باشید، متوجه می‌شوید که ما درباره اینکه چرا جریان رویی سریعتر از جریان زیری است هیچ توضیحی نداده ایم. در واقع در این باره چیزی مثل جنگ صلیبی در کتابهای درسی، دانشگاهی و حتی مدرسه های پرواز وجود دارد.
بعضی عقیده دارند دلیل پدید آمدن اختلاف سرعت، شکل خاص بال است. یعنی خمیده بودن رویه بال و صاف بودن زیر آن باعث می‌شود که هوایی که از روی بال می‌گذرد، مسیر طولانی تری طی کند و چون فکر می‌کنند ذرات هوایی که در تغییر بال از هم جدا شده اند لزوما باید همزمان به انتهای بال برسند، پس مجبورند سریعتر حرکت کنند. این ایده چندان قابل قبول نیست. چون دلیلی بر این همزمانی در دست نیست و تازه مگر ندیده اید که خلبانها در نمایشهای هوایی وارونه پرواز می‌کنند! اما در آن حال هم با اینکه سطح صاف بال رو به بالا قرار می‌گیرد، هواپیما قادر به پرواز است.
دیدگاه دوم را با استفاده از مفهوم "زاویه حمله" توضیح می‌دهند. به این شکل نگاه کنید. هنگامی که باد به سطح بادبادک می‌خورد به خاطر زاویه ای که دارد، به طرف پایین منحرف می‌شود. یعنی نیروی هوا را به پایین می‌راند و بنابراین، طبق قانون سوم نیوتن، عکس العمل آن نیرو باید بادبادک را به بالا هل بدهد. عین این اتفاق در بال هواپیما هم رخ می‌دهد. وجود این زاویه که مقدار انحراف محور بال از محور جریان هواست برای پایین راندن هوا ضروری است و به آن "زاویه حمله بال" می‌گویند. اما دیده شده است که با زاویه حمله صفر هم هواپیما از زمین بلند می‌شود و گذشته از این چرا بالها را به شکل خمیده می‌سازند؟
شاید باید اینطور تصور کرد که هردوی این توضیحات تا حدی درست هستند. در هر حال ما اینجا نرم افزاری داریم که به شما کمک می‌کند، این ارتباطها را خودتان کشف و بررسی کنید.
در این نرم افزار شکل بال را در میان جریان هوا می‌بینید. دکمه قرمز شروع تازه ای به شما می‌دهد. دکمه زیر آن واحدهای انگلیسی یا متریک را به شما می‌دهد. با دکمه سوم می‌توانید تست پرواز، تغییرات شکل و زاویه یا اندازه را انجام دهید. دکمه چهارم شکل نموداری را که در زیر صفحه دارید و متغیرهایی را که می‌خواهید رسم شوند تغییر می‌دهد. با دکمه‌ها بازی کنید و ببینید حق با کدام دسته است؟
چطور پرواز می‌کنند؟شاید تا به حال با هواپیما پرواز کرده باشید شاید هم نه! اما من فکر می‌کنم که نشستن در هواپیمای بزرگی که درونش خیلی هم با اتوبوس فرق ندارد، رابطه نزدیکی با پرواز ندارد. در عوض کسی که تا به حال بادبادک هوا کرده باشد، خوب با پرواز و حس پرنده بودن آشناست. در واقع باید دانست که همان اصولی بادبادک را پرواز می‌دهد که بوئینگ را! اولین شباهت آنها این است که هر دو در هوا پرواز می‌کنند.
هوا چیست؟ همان چیزی که در کتاب علوم دبستان می‌خوانیم. ماده ای که مولکولهایش دایما حرکت می‌کنند. این حرکت و برخورد مولکولها به همه اشیا، منشا پدید آمدن فشار هواست که نقش مهمی در شناوری اجسام در آسمان دارد.
بگذارید بعضی از خواص مهم رفتار هوا را دوباره بررسی کنیم:
1- دو صفحه کاغذ کاملا یکسان را در نظر بگیرید. یکی از آنها را مچاله کنید و هر دو را از یک ارتفاع رها سازید. چه می‌بینید؟ این پدیده چه چیزی را نشان می‌دهد؟ چرا چیزهایی که پرواز می‌کنند (اهم از پرنده‌ها و هواپیما) به بال احتیاج دارند؟
2- یک نوار کاغذی باریک ببرید و آن را در دست بگیرید. حالا روی نوار بدمید. چه اتفاقی می‌افتد؟ چرا کاغذ در هوا به پرواز درمی آید؟ چرا فشار هوا روی آن، باعث افتادن کاغذ نمی شود؟
خاموش
آهسته
متوسط
تند
تندتر
بسیار تند
گردباد
اگر جواب این سوال‌ها را نمی دانید آنها را به یاد بسپارید تا در حین کشف نحوه پرواز هواپیما هشیارتر به قضیه نگاه کنید. حتما موافقید که مهمترین مساله ای که باید به آن غلبه کرد، وزن است. یعنی هواپیما اول باید از زمین بلند شود تا بعد بتوانیم راجع به جلو یا عقب رفتنش بحث کنیم. نیروی وزن طبیعتا همه اجسام را رو به پایین (یعنی زمین) می‌کشد پس ما به نیرویی به سمت بالا احتیاج داریم. به این نیرو "بالابر" یا "لیفت" می‌گویند.
برای درک چگونگی ایجاد این نیرو بهتر است به بال یک هواپیما نگاهی بیندازیم و البته یک نگاه یواشکی به قوانین فیزیک:
جریان هوا با رسیدن به بال به دو قسمت تقسیم می‌شود و یکی از رو و دیگری از زیر بال می‌گذرد. آزمایش و مشاهده و واقعیت پرواز هواپیما نشان می‌دهد که جریان رویی بسیار سریعتر از جریان زیر بال است. در اینجاست که نوبت برنولی می‌شود تا با قانونش نشان بدهد پرواز چطور ممکن است.
قانون برنولی
قانون برنولی صورتی دیگر از قانون بقای انرژی است. برای درک آن به تصویر زیر نگاه کنید:
تصویر به سادگی به ما می‌گوید که سیالی که تحت فشار بیشتری است، سرعت کمتری دارد. برای درک این مفهوم باید به انرژی مکانیکی هوای در حال حرکت توجه کنید. این انرژی در واحد حجم برابر است با انرژی جنبشی ناشی از حرکت هوا و انرژی پتانسیل موجود بین مولکولهای هوا. این انرژی پتانسیل، درست مانند انرژی پتانسیلی که در فنر ذخیره می‌شود، با فشرده شدن مولکولهای هوا در هوای فشرده ذخیره می‌شود.
بنابراین این انرژی با فشار هوا رابطه مستقیم دارد:
انرژ پتانسل در واحد حجم = P
در عین حال انرژی جنبشی برابر است با =
و می‌دانیم که مجموعه این دو نوع انرژی هموار مقدار ثابتی است. (فرض بر این است که اتلاف انرژی وجود ندارد و انرژی ای هم تولید نمی شود). پس می‌بینید که با افزایش فشار طبعا سرعت جریان هوا کاهش می‌یابد. به بال هواپیما برمی گردیم. جریان پایینی سرعت کمتری دارد پس دارای فشار بیشتری است. اختلاف فشار بین دو سطح بال، نیرویی رو به بالا به آن وارد می‌آورد که همان نیروی بالابر است. (به خاطر دارید که فشار یعنی نیرو تقسیم بر سطح) می‌شود به همین سادگی تصور کرد که ما نیروی بالابر را فهمیده ایم اما اگر شما هم به اندازه مخترعانی مثل برادران رایت تیزبین باشید، متوجه می‌شوید که ما درباره اینکه چرا جریان رویی سریعتر از جریان زیری است هیچ توضیحی نداده ایم. در واقع در این باره چیزی مثل جنگ صلیبی در کتابهای درسی، دانشگاهی و حتی مدرسه های پرواز وجود دارد.
بعضی عقیده دارند دلیل پدید آمدن اختلاف سرعت، شکل خاص بال است. یعنی خمیده بودن رویه بال و صاف بودن زیر آن باعث می‌شود که هوایی که از روی بال می‌گذرد، مسیر طولانی تری طی کند و چون فکر می‌کنند ذرات هوایی که در تغییر بال از هم جدا شده اند لزوما باید همزمان به انتهای بال برسند، پس مجبورند سریعتر حرکت کنند. این ایده چندان قابل قبول نیست. چون دلیلی بر این همزمانی در دست نیست و تازه مگر ندیده اید که خلبانها در نمایشهای هوایی وارونه پرواز می‌کنند! اما در آن حال هم با اینکه سطح صاف بال رو به بالا قرار می‌گیرد، هواپیما قادر به پرواز است.
دیدگاه دوم را با استفاده از مفهوم "زاویه حمله" توضیح می‌دهند. به این شکل نگاه کنید. هنگامی که باد به سطح بادبادک می‌خورد به خاطر زاویه ای که دارد، به طرف پایین منحرف می‌شود. یعنی نیروی هوا را به پایین می‌راند و بنابراین، طبق قانون سوم نیوتن، عکس العمل آن نیرو باید بادبادک را به بالا هل بدهد. عین این اتفاق در بال هواپیما هم رخ می‌دهد. وجود این زاویه که مقدار انحراف محور بال از محور جریان هواست برای پایین راندن هوا ضروری است و به آن "زاویه حمله بال" می‌گویند. اما دیده شده است که با زاویه حمله صفر هم هواپیما از زمین بلند می‌شود و گذشته از این چرا بالها را به شکل خمیده می‌سازند؟
شاید باید اینطور تصور کرد که هردوی این توضیحات تا حدی درست هستند. در هر حال ما اینجا نرم افزاری داریم که به شما کمک می‌کند، این ارتباطها را خودتان کشف و بررسی کنید.
در این نرم افزار شکل بال را در میان جریان هوا می‌بینید. دکمه قرمز شروع تازه ای به شما می‌دهد. دکمه زیر آن واحدهای انگلیسی یا متریک را به شما می‌دهد. با دکمه سوم می‌توانید تست پرواز، تغییرات شکل و زاویه یا اندازه را انجام دهید. دکمه چهارم شکل نموداری را که در زیر صفحه دارید و متغیرهایی را که می‌خواهید رسم شوند تغییر می‌دهد. با دکمه‌ها بازی کنید و ببینید حق با کدام دسته است؟
