دید کلی

مایع یا گاز بر هر جسمی که در آن غوطه‌ور است فشار وارد می‌کند. این فشار را هیدروستاتیکی می‌گویند. پرده‌های گوش به تغییرات فشار هیدروستاتیک حساس‌اند. به همین دلیل وقتی در آب شیرجه می‌رویم و یا وقتی در آسانسور ناگهان بالا می‌رویم این تغییرات را احساس می‌کنیم. همه ما در ته یک دریای هوا زندگی می‌کنیم و از این هوا فشاری بر همه چیز وارد می‌شود. روش کلاسیک اندازه گیری این فشار که هنوز هم بطور وسیعی رایج است فشار سنج جیوه‌ای است.



تصویر

اتمسفر چیست؟

در لایه‌های جو زمین فشار ناشی از هوای محیط به چگالی هوا و ارتفاع از سطح زمین ، دمای هوا و سرعت وزش باد وابسته است. این فشار بیشترین مقدارش را در سطح دریا دارد و در ارتفاعات بالا به شدت با تابع نمایی کاهش می‌یابد. برای همین است که در بالای کوه تخم مرغ زودتر پخته می‌شود و یا اینکه آب سریعتر می‌جوشد، زیرا فشار هوا پایین بوده و دما نیز ارتباط مستقیم با فشار هوا دارد. با این حال بر حسب رنج فشار جو زمین رابه لایه‌هایی طبقه بندی نموده‌اند. بد نیست بدانید که این فشار به تغییرات شدت تابش نور خورشید نیز بستگی دارد و در اثر توان تابش بالا ، افزایش می‌یابد.

طرز ساخت فشار سنج جیوه‌ای

  • یک لوله شیشه‌ای به طول حدود یک متر انتخاب و آنرا از جیوه پرکنید. انتهای باز لوله را با انگشت بگیرید و در همین حال آن را داخل یک ظرف پر از آب جیوه قرار دهید . وقتی انگشت خود را بردارید جیوه درلوله پایین می‌آید و یک ناحیه خلأ در فضای بالای جیوه تشکیل می‌دهد. جیوه در لوله ، در بالای ظرف جیوه ، معیاری از فشار هوا است.

  • توجه کنید که کار با فشار سنج جیوه‌ای اقدامات احتیاطی ویژه‌ای را لازم دارد. چون جیوه سمی است برای انجام آزمایش بایستی موارد احتیاطی کار با آن را رعایت نمایید.

  • اولین فشار سنج محتوی آب بود و ارتفاع ستون آن به بیش از 10.37m می‌رسید. استفاده از جیوه این امکان را فراهم کرد که طول لوله کوتاهتر باشد، زیرا چگالی جیوه بیش از 13 برابر چگالی آب است.

اندازه گیری فشار جو

وقتی فشار هوا برابر یک اتمسفر استاندارد یا 101.3pa است ، ارتفاع ستون جیوه چقدر است؟ تعادل هیدروستاتیکی وقتی برقرار می‌شود که فشار ناشی از وزن ستون جیوه در ته لوله ، با فشار جوی که جیوه را در ته لوله نگه می‌دارد و مانع ریختن آن در ظرف می‌شود، برابر باشد.



تصویر




بنابراین می‌خواهیم بدانیم ، طول ستون جیوه چقدر باشد تا فشاری برابر 101.3pa را درته لوله تولید کند؟ حجم جیوه برابر است با طول ستون جیوه (h) ضرب در مساحت سطح آن (A) یعنی v = hA در نتیجه ، فشار اتمسفر بر حسب ارتفاع ستونی از جیوه که این فشار می‌تواند آن را در فشار سنج نگه دارد، اندازه گیری می‌شود.


P = ρgh

می‌توان بر حسب حجم سیال جابجا شده سیال به کمک نیروی ارشمیدس نیز فشار جو را اندازه گیری کرد. البته قوانین شارل گیلوساک ، بویل و مایروت و معادله حالت گازها سنجش فشار هوا را به مراتب آسان نموده‌اند.

مباحث مرتبط با عنوان

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 14:1 |

ریشه لغوی

هر چند که کلمه لاتینی Vacum (خلا) به معنی خالی بودن (تهی ‌بودن) از ماده است. اما موضوع تکنیک خلا چیزی به کلی غیر از مقوله فضای بدون ماده است. در پایین‌تر‌ین وصول امروزه ، هنوز صدها ذره در هر سانتیمتر مکعب از گاز وجود دارد.

نگاه اجمالی

خلا در روی کره زمین در پاره‌ای از اعمال زندگی حیوانی به خلا پایین بر می‌خوریم. اما خلا بالا ، در روی کره زمین بصورت طبیعی ، شناخته (و یا مشاهده) نشده است. پاره‌ای از اعمال طبیعی از لحاظ کاربرد طبیعی خلا صورتی بسیار زنده دارند. نظیر عمل تنفس ، انسان حین دم تا حدود 740 تور هوا را به داخل ریه خود می‌کشد و در حین بازدم قادر است فشار داخل ریه را تا 300 تور پایین بیاورد. اکتاپوس می‌تواند فشار را در بازدم تا حدود 100 تور پایین بیاورد. البته بعضی اعمال طبیعی خلا‌سازی دارای ساز و کاری توأم با پیچیدگی است.



img/daneshnameh_up/4/4b/propic_vacume2.jpg

تاریخچه

سرآغاز تکنیک خلا به سال 1643 می‌رسد. سالی که در آن توریچلی موفق به ایجاد خلا در بالای ستون جیوه واقع در لوله شیشه‌ای دراز سر بسته‌ای شد که پس از پر کردن آن با جیوه از دهانه بازش روی تشتکی از جیوه بطور وارونه قرار می‌گرفت. دوره پیش آهنگ تکنیک خلا تا اختراع لامپ الکتریکی ادامه یافت. در این دوره در مورد مبانی قانونهای گاز پیشرفتهای نظری و تجربی مهمی حاصل شد. (قانونهایبویل ـ ماریوت ، شارل ـ گیلوساک ، برنولی ، آووگادرو ، ماکسول ، بولتزمن و غیره ).

اولین پیشرفت در کاربرد عملی خلا استفاده از آثار مکانیکی حاصل از اختلاف فشار بین خلا و اتمسفر بود. تجربه کلاسیکی گریک (در سال 1654) نشان داد که برای سوا کردن دو نیم کره تو خالی بهم چسبیده به شعاع 119 سانتیمتر که هوای درون آنها تخلیه شده بود. نیاز به نیروی کشش 16 نیوتن لازم است که دو اسب در دو جهت مخالف هم بر نیمکره‌ها وارد می‌کند. کاربرد این دانش برای افزایش راندمان ترامواها در دوبلین فقط چند سالی دوام یافت.

سیر تحولی و رشد

کار سیستمهای انتقال هوای فشرده یا خلا که در سالهای 1860 ـ 1850 در لندن و پاریس آغاز شده با کمی نو سازی تا کنون ادامه دارد. ساخت لامپ الکتریکی رشته‌ای (ادیسون 1879) نیز یکی از نتایج کار خلا سازی بود که توسط توپلر و اشیرتکل چند سالی پیش اختراع شده بود. خلاسنج ساخت مک لئود (در سال 1874) برای اولین بار امکان اندازه‌گیری فشارهای پایین را فراهم آورد. بدون پایین آوردن چگالی مولکولی (خارج ساختن اجزای فعال اتمسفر از درون محفظه لامپ) کار لامپ الکتریکی امکان پذیر نبود. مبنای کار لوله پرتوی کاتودیک ، افزایش مسیر آزاد میانگین مولکولها در درون لوله بود. اولین کاربرد عایق حرارتی حاصل از خلا ساخت فلاسک دو جداره بود (در سال 1893).

اختراع دیودها (1902) و تریودها (در سال 1907) که در خلا کار می‌کنند و استفاده از رشته تنگستن (در سال 1909) سرآغاز توسعه لامپهای الکترونیکی و تکمیل لامپ الکتریکی بود. همه این پیشرفتها که یکی به مبنای دیگری صورت می‌گرفت نیاز به تخلیه بیشتر و خلاسنجی بهتر و دقیقتر را روز افزون می‌ساخت. پمپ‌های دیفوزیون (Langmuir.Gaede) در سالهای 1915 و 1916 ساخته شدند. قبل از آن تاریخ ، در سال 1906 پیرانی خلاسنج (gauge) خود را ساخت و سپس در سال 1916 با ساخته شدن خلاسنج یونشی با کاتد گرم به اندازه گیری خلاهای بالا فراهم شد.



img/daneshnameh_up/f/f0/turbine-oil.jpg




توسعه تکنولوژی خلا تا جنگ جهانی دوم ادامه یافت، در سالهای 36 ـ 1935 به سه بند تازه دسترسی یافت. پمپهای گازی بالاست (gas Ballast) ، پمپ دیفوزیون روغنی و خلاسنج یونشی با کاتد سرد پتینگ (Prnning) این سه قلم همراه با خلاسنج پیرانی ، از آن زمان تا کنون جزو اجزای جدایی ناپذیر اعلای سیستمهای خلا گشته است. از سال 1940 به بعد تکنولوژی خلا پیشرفت بسیار بزرگی در زمینه دستگاههای پژوهشی فیزیک هسته‌ای (سیکلوترون و جداسازی ایزوتوپ و غیره) ، فلز کاری خلا ، اندودن و خشک کردن تحت سرمای خلا داشته است.

تا سال 1950 گستره معرفی خلا به10-7 ـ 10-6 تور می‌رسید. شاید هم در آن سالها رسیدن به فشارهای پایین تر امکان پذیر بوده است، ولی با اندازه گیری آن فشار امکاناتی در دسترس نبود. خلاسنج بایارد ـ آلبرت (Bayard – Alpert gauge) در 1950 راه اندازه‌گیری فشارهای پایین‌تر را گشود، فشارهایی که بعدها نام خلا فرا بالا به خود گرفتند. ساخت پمپهای یونی در سالهای بعد 1953 ، رسیدن به فشارهای بسیار پایین را امکان پذیر ساخت. در دهه اخیر پژوهشهای فضایی و کوشش در راه حل مسائل خاص این زمینه ، جهش کمی بزرگی را برای تکنولوژی خلا فراهم آورده است.

مفهوم خلا

کلمه خلا به هر فضایی که فشار آن کمتر از فشار اتمسفر است، اطلاق می‌شود. خلا کامل یا مطلق (فضای تهی از ماده) که در آن ، فضا به کلی عاری از ماده باشد، حالتی است دست نیافتنی. فشار اتمسفر 760mmHg و چگالی عددی آن برابر n = 2.5x1019mol/Cm3 است.


  • واحدی از فشار که عمدتا مورد استفاده ما خواهد بود، عبارت تور (Torr) است که به نام توریچلی ساخته شده و با تقریب خوبی ، برابر 1torr = 1mmHg است.

  • واحد رایج دیگری به نام میکروبار است که برابر است با: 1Din/Cm3

  • واحد فشار در دستگاه SI عبارت است از N/m2 یا Pa پاسکال.

  • واحدهای بسیار دیگری برای فشار وجود دارد که پاره‌ای از آنها در تکنیک خلا بکار می‌روند.



img/daneshnameh_up/f/fd/vacume.jpg

انواع خلا

  • خلا طبیعی: خلأی است بدون دخالت انسان در طبیعت و از جمله کره زمین و طبقات جو آن موجود است.

  • خلا مصنوعی: خلأی است که بدست انسان فراهم می‌آید و اصل موضوع تکنیک خلا همین مورد است.

خلا در فضا

می‌دانیم که فشار هوا در سطح دریا برابر 760 تور است و با صعود از سطح دریا به ارتفاعات بالا ، به تدریج کاهش می‌یابد. تا در ارتفاع 1000 کیلومتری (تروپوسفر و استراتوسفر) این کاهش کاملا منظم بوده و آهنگ افت آن برابر یک مرتبه مقداری از هر 15 کیلومتر است. با این افت منظم فشار مقدار آن در ارتفاع حدود 90 کیلومتری بوجود می‌آید. در یونسفر (400 ـ 100 کیلومتر) تعداد زیادی اتم یونیده موجود است و فشار در آن ناحیه به ازای هر 200 ـ 100 کیلومتر از ارتفاع به مقدار 10 بار کاهش می‌یابد. و بالاخره در ارتفاع 1000 کیلومتری به 10-10 تور می‌رسد. در بالاتر از ارتفاع 400 کیلومتری شرایط خلا فرا بالا موجود است. در بالاتر از این ارتفاع ، آهنگ کاهش فشار باز هم کندتر می‌شود و نهایتا ارتفاع 10000 کیلومتری به حدود 1013 تور می‌رسد.

کاربردهای خلا در علوم و فنون

کاربردهای بسیار گوناگون خلا را می‌توان حالت فیزیکی کاربرد و یا بر حسب زمینه آن طبقه بندی کرد. روشن است که هر یک از موارد کاربردی از یک یا چند وضعیت و حالت فیزیکی بهره می‌گیرند. وضعیتهایی که ناشی از رقیق کردن گازها ، در ظرف تخلیه مورد کاربرد ، پی در پی بوجود می‌آیند. در پاره‌ای از موارد کاربردی ، فرآورده‌ها یا قابلیتهایی حاصل می‌شوند که بطور دائم در کل عمر آن ماندگارند. (مانند لامپها ، لوله‌های الکترونیکی و لوله‌های تخلیه الکتریکی ماشینهای شتاب دهنده و …) ، حال آنکه در پاره‌ای دیگر از کاربردهای تکنیکی ، حالت خلا فقط برای مدلی معین به عنوان واسطه‌ای در فرآیند تولید و به کار می‌رود. و محصول نهایی در شرایط اتمسفر مورد استفاده قرار می‌گیرد. (نظیر افزودن از خلا Vacum Caoting ـ خشکاندن در خلا و بارو کردن در خلا).

مباحث مرتبط با عنوان

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 13:59 |



فهرست مقالات مکانیک سیالات
مباحث علمی مباحث کاربردی و تجربی
مکانیک کلاسیک فشاسنج جیوهای
سیال قعودی سطح آب
شاره فیلم سطحی
چگالی فیلم صابون
فشار فیلم روغنی
ارشمیدس
نیروی ارشمیدس
پاسکال
واحد فشار
اصل پاسکال
جریان شاره
معادله پیوستگی
معادله برنولی
نیروی چسبندگی
فشار بحرانی
تعادل سیالات
معادلات حرکت سیالات
قوانین بقای حرکت سیال
ارتعاش طبیعی سیال
ََََََعدد ماخ
چسبندگی
مکانیک بی بعد
عدد رینولد
حرکت لایهای سیال
شاره دیالکتریک
مکانیک شاره
مشخصه فیزیکی شاره















مکانیک سیالات یا شاره‌ها دانشی است که به بررسی شاره‌های ساکن و متحرک و برهمکنش میان آنها و اجسام ساکن یا متحرک واقع در داخل یا پیرامون آنها می‌‌پردازد.

مقدمه

با توجه به این که استاتیک و تحرک شاره‌ها در طبیعت ، صنعت و زندگی روزمره انسان کاربرد فراوان دارد، لذا دانشمندان آزمایشهای گسترده و اغلب مبتکرانه را در این زمینه ترتیب می‌‌دهند. این آزمایشها بیشتر کاربرد صنعتی دارند و همین امر سبب ایجاد علمی ‌به نام مکانیک سیالات شده است. لازم به ذکر است که مکانیک سیالات محاسباتی ، در صنایع هوایی و ساخت سفینه‌های فضایی کاربرد دارد، به همین دلیل نیاز به تحقیقات و پژوهشهای علمی ‌و عملی در مکانیک سیالات وجود دارد.

تاریخچه

تا اوایل قرن بیستم مطالعه سیالات را اساسا دو گروه هیدرولیک‌دانان و ریاضیدانان، انجام می‌‌دادند. هیدرولیک‌دانان به صورت تجربی کار می‌‌کردند، در حالی که ریاضیدانان توجه خود را بر روشهای تحلیلی متمرکز کرده بودند. آزمایشهای وسیع و اغلب مبتکرانه گروه اول اطلاعات زیاد و ارزشمندی را در اختیار مهندس کاربردی آن روز قرار می‌‌داد. البته به علت عدم تعمیم یک نظریه کارآمد این نتایج دارای ارزش محدودی بودند. ریاضیدانان نیز با غفلت از اطلاعات تجربی مفروضات آن چنان ساده‌ای را در نظر می‌‌گرفتند که نتایج آنها گاه بطور کامل با واقعیت مغایرت داشت.

محققان برجسته‌ای مانند رینولدز ، فرود ، پرانتل و فن کارمان پی بردند که مطالعه سیالات باید آمیزه‌ای از نظریه و آزمایش باشد. این مطالعات سرآغازی برای رسیدن علم مکانیک سیالات به مرحله کنونی آن بوده است. تسهیلات جدید پژوهش و آزمون که ریاضیدانان و فیزیکدانان ، مهندسان و تکنیسین‌های ماهر در کار جمعی از آن استفاده می‌‌کنند، هر دو دیدگاه را به هم نزدیک می‌‌کند.

سیالات

سیال را ماده‌ای تعریف می‌کنند که وقتی تنش برشی هر چند کوچکی وجود داشته باشد، شکل آن بطور پیوسته تغییر کند. جسم جامد وقتی تحت تاثیر تنش برشی قرار بگیرد، تغییر مکان معینی می‌‌دهد، یا کاملا می‌‌شکند. مثلا قطعه جامد وقتی تحت تاثیر تنش برشی τ قرار بگیرد، تغییر شکلی می‌‌دهد که آن را با زاویه Δα مشخص کرده‌ایم. اگر به جای آن یک ذره سیال قرار داشت، Δα ثابتی وجود نداشت، حتی اگر تنش بینهایت کوچک می‌‌بود. در عوض تا وقتی که تنش برشی τ اعمال شود، یک تعییر شکل پیوسته ادامه دارد.

در موادی مانند پارافین که گاهی آنها را پلاستیک می‌‌نامیم، هر دو نوع تغییر شکل برشی را می‌‌توان یافت که اگر به مقدار معینی کمتر باشد، تغییر مکانهایی مشابه تغییر مکان جسم جامد بوجود می‌‌آید و اگر مقدار تنش برشی بیش از این مقدار باشد، به تغییر شکل پیوسته‌ای مشابه تغییر شکل سیال می‌‌انجامد. مقدار این تنش برشی حد فاصل ، به نوع و حالت ماده بستگی دارد.

استاتیک سیالات

اگر تمام ذرات یک سیال یا بی حرکت باشند، یا نسبت به یک دستگاه مختصات لخت بطور همسان سرعت ثابت داشته باشند، آن سیال را استاتیک در نظر می‌‌گیرند. در سیال ساکن یا سیال در حال حرکت یکنواخت ، از آنجا که سیال نمی‌‌تواند بدون حرکت در برابر تنش برشی مقاومت کند، سیال ساکن لزوما باید بطور کامل از تنش برشی فارغ باشد. سیالی که حرکت یکنواخت دارد، یعنی جریانی که در آن سرعت تمام اجزا یکسان است، نیز فارغ از تنش برشی است، زیرا تغییرات سرعت در تمام جهتها در جریان یکنواخت باید صفر باشد.

جریان با سطح آزاد

جریان با سطح آزاد معمولا به جریانی از مایع گفته می‌‌شود که در آن قسمتی از مرز جریان که سطح آزاد نامیده می‌‌شود، فقط تحت تاثیر شرایط معینی از فشار قرار داشته باشد. حرکت آب در اقیانوسها ، در رودخانه‌ها و همچنین جریان مایعات در لوله‌های نیمه پر ، جریانهایی با سطح آزاد به شمار می‌‌آیند که در آنها فشار جو روی سطح مرز اعمال می‌‌شود. در تحلیل جریان با سطح آزاد ، وضعیت هندسی سطح آزاد از قبل معلوم نیست.

تعیین شکل هندسی مربوطه یک قسمت از جواب است، یعنی با یک شرط مرزی بسیار دشوار مواجهیم. به همین دلیل تحلیلهایی کلی بسیار پیچیده هستند و خارج حوزه این مقاله قرار می‌‌گیرند. اگرچه قسمت اعظم مبحثی که باید بررسی شود، در آغاز فقط برای متخصصان هیدرولیک و مهندسان ساختمان جالب به نظر می‌‌رسد، ولی بعدا خواهید دید که امواج آب و پرش هیدرولیکی ، به ترتیب با موج فشاری و موج شوکی که در جریان تراکم پذیر بررسی می‌‌شوند، قابل قیاس‌اند.

مکانیک سیالات محاسباتی

با ورود کامپیوتر به صحنه ، روش سومی ‌به نام مکانیک سیالات محاسباتی پدید آ‌مده است. وقتی با استفاده از کامپیوتر پارامترهای مختلف مورد نظر را که در برنامه هستند، به اختیار تغییر می‌‌دهیم، با شبیه سازی عددی دینامیک سیالات سر و کار پیدا می‌‌کنیم. به کمک این شیوه پدیده‌های جدید کشف شده‌اند، قبل از آن که به کمک آزمایش و در عمل یافت شده باشند. به این ترتیب می‌‌توان مکانیک سیالات محاسباتی را به عنوان رشته علمی ‌جداگانه‌ای تلقی کرد که مکمل دینامیک سیالات نظری و آزمایشی به شمار می‌‌آید.

صنایع بطور روزمره از کامپیوتر بهره می‌‌گیرند تا از آن برای حل کردن مسائلی مربوط به جریان سیال که برای طراحی وسیله‌هایی چون پمپها ،‍ کمپرسورها و موتورها مورد نیازند، کمک بگیرند. مهندسان هواپیما جریان سه بعدی پیرامون کل هواپیما را در کامپیوتر شبیه سازی می‌‌کنند تا مشخصه‌های پرواز را پیش بینی کنند. در حقیقت قسمت قابل توجهی از بودجه طرح و توسعه غالبا به بررسیهای مبحث دینامیک سیالات محاسباتی اختصاص داده می‌‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 13:57 |

نگاه اجمالی

آئرودینامیک بخشی از فیزیک است که به بررسی مکانیک اجسام متحرک در گازها اختصاص دارد. و در آن بویژه به نیروهای وارد بر اجسامی که در هوا در حرکتند توجه می‌شود. آزمایش نشان می‌دهد که نیروی وارد بر جسم متحرک در هوا بستگی به شکل جسم و سرعت آن دارد. یکی از این نیروها ، نیروی رو به بالایی است که آن را بالابر آئرودینامیکی می‌نامند. همچنین نیرویی هم از جهت مخالف حرکت بر جسم وارد می‌شود که آن را مقاومت یا پس کششی آئرودینامیکی می‌نامند.

مهندسی آئرودینامیک

رشته مهندسی آئرودینامیک رشته‌ای است که در آن اجسام ، با استفاده از اصول شناخته شده آئرودینامیک ، به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شوند که به هنگام حرکت در هوا اثرات آئردینامیکی وارد بر آنها بهینه شود. برای مثال هواپیماها ، اتومبیلها و کامیونها و انواع پرتابه‌ها را بر اساس اصول آئرودینامیک طراحی می‌کنند. در هر یک از این موارد لازم است که مقاومت آئردینامیکی وارد بر جسم به هنگام حرکت در هوا به کمترین مقدار برسد. این نوع طراحی را مقاومت - کاهی می‌نامند. زیرا این طراحی عبور هوا را در اطراف جسم تسهیل می‌کند و نیروی مقاومت وارد بر جسم را به حداقل می‌رساند.

دو مثال عملی برای آئرودینامیک

آهنگ مصرف انرژی در اتومبیل استانداردی که با سرعت حدود 65km/h حرکت می‌کند، در حدود 72km است. تقریبا 4.6w از این انرژی صرف غلبه بر مقاومت آئرودینامیکی یا مقاومت هوا می‌شود. مطالعات تجربی نشان می‌دهد که توان لازم برای اینکه اتومبیلی بتواند بر مقاومت هوا غلبه کند تقریبا به نسبت مکعب سرعت آن افزایش می‌یابد. بنابراین توان لازم برای غلبه بر مقاومت هوا برای اتومبیلی که با سرعت 130km/h در حرکت است، هشت برابر توان لازم برای اتومبیلی است که با سرعت 65km/h حرکت می‌کند.

در دوره بحران انرژی در دهه 1970 مقاومت - کاهی در کامیونهای باربری اثرات مقاومت هوا را بین 10 تا 20 درصد کاهش داد. و کاستن حداکثر سرعت مجاز از 120km/h به 90km/h این اثرات را تا حدود 220 درصد کاهش داد. اینها دو نمونه عملی از تحلیل آئرودینامیکی هستند که در مسائل واقعی بکار رفته‌اند.

اساس آئرودینامیک

یکی از مفیدترین تحلیلهای آئرودینامیکی ، بررسی حرکت گوی کروی در هواست. حرکت کره‌ای با سقوط آزاد در هوا را با استفاده از رابطه‌ای پس کششی (یا مقاومتی) که به قانون استوکس مشهور است، می‌توان بررسی کرد. این قانون به صورت 6πηrv = نیروی پس کششی نوشته می‌شود که در آن η ضریب چسبندگی هوا ، r شعاع کره ، v سرعت کره است. این نیروی مقاومت در خلاف جهت نیروی ناشی از گرانی (یا وزن) بر جسم وارد می‌شود.

سرعت سقوط کره تا آنجا افزایش می‌یابد که بزرگی نیروی مقاومتی با وزن جسم برابر می‌شود: mg = 6πnrv. سرعتی که از معادله بدست می‌آید، v=mg/6πnr ، چون تا پایان حرکت ثابت می‌ماند سرعت حد می‌گویند. همین نوع تحلیل را می‌توان برای شکلی از جسم که در هوا سقوط آزاد می‌کند بکار برد، اما ضریب شکل جسم و نحوه وابستگی به سرعت را باید از طریق آزمایش بدست آورد.

بررسی حالات فیزیکی اجسام در آئرودینامیک (مسیر حرکت)

در حرکت جسم کروی در هوا

وضعیت حرکت توپهای بیسبال ، تنیس ، گلف ، بستکبال ، وزنه برداری پرتاب شده در پرتاب وزنه را می‌توان بر اساس سیر حرکت کره‌ای که در هوا پرتاب شده است بررسی کرد. در تمام این موارد نیروی مقاومت کند کننده وارد بر توپ متحرک با مربع سرعت کره در هوا متناسب است. به همین ترتیب نیروی مقاومت وارد بر دونده‌ای که با سرعت V در جهت مخالف با بادی که با سرعت V می‌وزد در حرکت است متناسب خواهد بود. با V+v)2)

در پرش طول

در پرش طول نیروی مقاومتی حرکت ورزشکار را پیش از جدا شدن از زمین کند می‌کند و همچنین سرعت پرش وی را در هوا کاهش می‌دهد. در این تحلیل ، چگالی هوا نیز نقش دارد. برای مثال در بازیهای المپیک شهر مکزیک ، برای پرش رکوردهایی کسب شد که می‌توان کاهش چگالی هوا را که ناشی از ارتفاع زیاد محل مسابقات بود در آنها موثر دانست.

اثر حفاظتی

می‌توان نشان داد که اثر حفاظتی دویدن پشت سر دونده‌ای دیگر می‌تواند مقاومت وارد بر دونده پشت سری را به مقدار 2/1 تا 5/1 نیروی مقاومت وارد بر دونده جلویی کاهش بدهد. این مطلب ، مبنای فیزیکی روشهای دوندگان با تجزیه رمی است که "زیر سایه رقیب" حرکت می‌کنند. همین اصل را در مورد دوچرخه سواری نیز می‌توان بکار برد که نتیجه موثرتری دارد. زیرا سرعتهای دوچرخه سواری بیش از دو برابر سرعتهای دویدن هستند. اثر حفاظتی برای دوچرخه سواران نشان می‌دهد که نیروی مقاومت وارد بر دوچرخه سوار جلویی هشت برابر نیروی مقاومت وارد بر دونده عقبی است. به این ترتیب نیروی مقاومت وارد بر دوچرخه عقبی دست کم به 3/1 کاهش خواهد یافت.
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 13:55 |
چگونه می توان با استفاده ازروش های علم فیزیک مرکز ثقل یک خط کش را تعیین کرد؟

img/daneshnameh_up/b/b2/ov10.jpg


وسایل مورد نیاز

  • یک خط کش
  • یک وزنه (یا سنگ)

شرح آزمایش

خط کش را طوری در دست بگیرید که هر یک از دو انتهای آن روی یک انگشت باشد. سپس انگشتان را به هم نزدیک کنید تا به هم برسند. دو انگشت شما زیر نقطه ی مرکز ثقل به هم می رسند.
وزنه (یا سنگ) را با نوار چسب به نقطه ای دلخواه از خط کش ببندید و آزمایش را با دو انگشت تکرار کنید. محل وزنه را تغییر داده و آزمایش را تکرار کنید. دو انگشت شما همیشه در زیر نقطه ی مرکز ثقل به هم می رسند.

چه اتفاقی به وقوع پیوسته است؟

مرکز ثقل خط کش نقطه ایست که شما می توانید آن را روی یک انگشت بطور متعادل نگهدارید. هنگامیکه خط کش را با دو انگشت نگه داشته اید، غالبا یک انگشت (آن که به مرکز ثقل نزدیک تر است) نسبت به انگشت دیگر اندکی وزن بیشتری متحمل می شود. وقتی انگشتان را به هم نزدیک تر می کنید، آن انگشتی که وزن کم تری را حمل می کند، راحت تر و سریع تر حرکت می کند. حرکت دو انگشت بطور متناوب با هم جابجا می شود تا اینکه در مرکز ثقل، جایی که هر دو به یک مقدار وزن را تحمل می کنند، به هم برسند
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 11:48 |
پیدا کردن مرکز ثقل اجسام و اجرام گوناگونی برای کاربردهای متفاوت  

سلام

پیدا کردن مرکز ثقل اجسام و اجرام گوناگونی برای کاربردهای متفاوت از اهمیت بسیار زیادی برخودار است. برای پیداکردن مرکز ثقل اجسام یا گرانیگاه آنها می توانیم آنها را به مثلثهای مختلف تقسیم کنیم و با اتصال اواسط اضلاع که اصطلاحا محل برخورد میانه ها نامیده می شود محل مرکز تقل را شناسایی کنیم، اما همه اجسام را نمی توانیم به مثلثها تقسیم کنیم زیرا همه اجسام اشکال و ابعاد مشخص و منظم را ندارند. پس باید راه دیگری برای شناسایی گرانیگاه اجسام وجود داشته باشد. نکته مهم و اساسی در مورد مرکز ثقل اجرام ، این است که هنگامی که ما اجسام را به گونه ای قرار دهیم که گرانیگاه آنها به عنوان تکیه گاهشان قرار بگیرد، جسم در هر وضعیتی که باشد به حالت متعادل و ثابت باقی خواهد ماند.

برای این کار شما می توانید اکنون مرکز ثقل جسم در امتداد خط شاقولی است که در اختیار دارید و باید در محلی زیر نقطه آویزش واقع شده باشد. این خط مجموعه ای از نقاط است و برای شناسایی نقطه اصلی باید جسم را از نقطه ای دیگر بیاویزید وهمین امر را تکرار کنید. در مجموع این دو حالت ، شما دو خط متقاطع دارید که تنها نقطه ای را به عنوان فصل مشترک دارند، این نقطه همان مرکز ثقل یا گرانیگاه جسم به شمار می رود وشما می توانید با قرار دادن جسم بر یک پایه نوک تیز درستی نقطه شناسایی شده را به راحتی بررسی کنید. البته در مورد برخی از اجسام ، این حالت غیر ممکن است، زیرا شما نمی توانید مرکز یک حلقه یا یک کره توخالی را بر یک تکیه گاه قرار دهید، اما در مورد اجسام توپر این کار به راحتی قابل انجام خواهد بود وشما حتی می توانید، اجسام غیر همگن و با شکل غیر منظم هندسی را نیز از نظر مرکز ثقل شناسایی کنید.

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 11:44 |

اریخچه

شسصت سال از مرگ نیوتن گذشته بود که هنری کاوندیش قانون گرانش را از طریق تجربی و به کمک یک ترازوی دوار در آزمایشگاه تأیید کرد. در این آزمایش همچنین اندازه عددی ثابت گرانش G برای نخستین بار بدست آمد. ضریب G ضریب جاذبه عمومی نیوتن نام دارد و مقدار آن در سیستم SI برابر است با: 6.67X10-11

نخستین اندازه گیری دقیق را کاوندیش در سال 1177/1789 انجام داد در قرن 19 نیز پوئین تینگ و بویز اصلاحات مهمی در این اندازه گیری انجام دادند.

اطلاعات اولیه

ثابتهای بنیادی در دنیای فیزیک نقش بسیار مهمی ‌ایفا می‌‌کنند. ساده‌ترین و شاید بارزترین نقش آنها این است که روابط تناسبی را به تساوی تبدیل می‌‌کنند. به عنوان مثال ، در قانون کولن گفته می‌‌شود که نیروی الکتریکی یا نیروی کولن با حاصل‌ضرب بار دو ذره باردار نسبت مستقیم دارد و با مجذور فاصله بین آنها نسبت عکس دارد. این بیان به صورت یک رابطه تناسبی بیان می‌‌گردد، اما اگر طرف دوم را در یک ثابت تناسب ضرب کنیم، این تناسب به تساوی تبدیل می‌‌شود.

اهمیت ثابتهای بنیادی فیزیک به همین جا ختم نمی‌‌شود، بلکه این ثابتها دارای مفاهیم فیزیکی هستند و نیز می‌‌توان از ترکیب آنها به کمیت‌های با ارزش فیزیکی دست یافت. به عنوان مثال ، می‌‌توان از ترکیب سه ثابت معروف مانند ثابت پلانک (h) ، سرعت نور (C) و ثابت جهانی گرانش ، زمان پلانک را بدست آورد.

اهمیت ثابت جهانی گرانش

این ثابت که در قانون جهانی گرانش نیوتن ظاهر می‌‌شود، ثابت عمده‌ای در نظریه گرانش نیوتن و نظریه نسبیت عام انیشتین است. در هر نظریه مربوط به ساختار اجسام بزرگ و تکامل جهان این ثابت نقش عمده‌ای دارد. مقدار ثابت جهانی گرانش که آزمایشهای تجربی مانند ترازوی کاندویش قابل محاسبه است به قرار زیر است:


طرز کار ترازوی کاوندیش

یک میله سبک با دو گلوله ، دو سرش به توسط یک رشته نازک بلند آویخته شده است. به منظور آنکه از اخلال جریان هوا ممانعت بشود ترازو در داخل حبابی شیشه‌ای قرار دارد، دو گلوله بسیار سنگین نیز خارج از حباب شیشه‌ای قرار دارد و گرد یک محور مرکزی می‌چرخند. هنگامی که ترازو به حالت سکون در می‌آید وضع گلوله‌های بزرگ تغییر می‌کند و ملاحظه می‌شود که میله بر اثر نیروهای گرانش گلوله‌های بزرگ ، حول نقطه آویز با یک زاویه معین می‌چرخد.

اندازه گیری G

ثابت G به کمک روش انحراف بیشینه تعیین می شود، همانطور که در طرز ترازو گفته شود میله بر اثر گرانش گلوله‌های بزرگ حول نقطه آویز می‌چرخد. در حین چرخش با گشتاور نیروها مخالفت می‌کند، ө زاویه پیچش رشته هنگام حرکت گلوله‌ها از موضعی به موضع دیگر با مشاهده انحراف باریکه بازتابیده از آینه کوچک متصل به رشته اندازه گیری شود (تصویر رشته لامپ توسط آینه متصل به m و m روی خط کش مدرج می‌افتد و در نتیجه هر گونه دوران m و m قابل اندازه گیری است).

اگر جرمها و فاصله میان آنها و نیز ثابت پیچش رشته معلوم باشد، می‌توانیم G را از روی زاویه پیچش اندازه گیری شده محاسبه کنیم. چون نیروی جاذبه کم است اگر بخواهیم پیچش قابل مشاهده‌ای داشته باشیم باید ثابت پیچش رشته فوق العاده کوچک باشد. در این ترازو جرمها مسلما ذره نیستند، بلکه اجسامی بزرگ هستند، اما چون این جرمها کره‌های یکنواختی هستند از لحاظ گرانشی طوری عمل می‌کنند که گویی تمام جرم آنها در مرکزشان متمرکز شده است. چون G بسیار کوچک است نیروهای گرانشی میان اجسام بر روی سطح زمین فوق العاده کوچک هستند و می‌توان از آنها صرفنظر کرد.

مقایسه ثابت جهانی گرانش با ثابتهای دیگر

اگر مقدار عددی ثابتهای مختلف را مورد توجه قرار دهیم، ملاحظه می‌‌گردد که ثابت گرانش دقتش از دیگر ثابتهای فیزیکی مهم کمتر است. آزمایشهای مستمری در آزمایشگاههای دنیا در حال انجام است تا دقت ثابتهای مختلف را بهبود بخشند. یک ثابت خاص ممکن است به تنهایی یا به همراه ثابتهای دیگر در آزمایشهای گوناگونی دخالت داشته باشد.

مباحث مرتبط با عنوان

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 11:40 |

نیروهایی كه با آن سر و كار داریم

برای بدست آوردن وضعیت حركت یك جسم اولین گام شناختن نیروهایی است كه به آن جسم وارد می‌شود. اگر در همان گام اول دچار اشتباه شویم، مثل این است كه مسئله دیگری را حل كرده باشیم و از مسئله اول دور می‌افتیم. در این بخش با نیروهای مهمی كه در مسائل دینامیك معمولاً وارد می‌شوند آشنا می‌شویم و در مورد هر كدام سعی می‌كنیم ماهیت، اندازه و منشأ آنها را شرح دهیم.


نیروی وزن


واضح است كه نیروی وزن جزء نیروهای گرانشی از دسته‌بندی اصلی نیروها قرار می‌گیرد كه در فصل مربوط به آن توضیح داده شد.
وزن هر جسم در روی زمین نیروی گرانشی است كه زمین بر آن جسم وارد می‌كند. جهت این نیرو در جهت نیروی گرانشی یعنی به طرف مركز زمین است. برای بدست آوردن مقدار نیروی وزن یك جسم، باید رابطه مربوط به نیروی گرانشی بین دو جسم را بدانیم، كه در اینجا یك جسم، زمین با جرم و دیگری جسمی با جرم مفروض است.
بر طبق قانون گرانش عمومی نیوتن، دو جسم به جرمهای كه در فاصله از یكدیگر قرار گرفته‌اند به هم نیروی جاذبه گرانشی با رابطه زیر وارد می‌كنند
كهثابت گرانش جهانی است. اگر زمین را یك كره متقارن به شعاع در نظر بگیریم، نیروی گرانشی كه زمین به جسمی به جرم كه روی سطح آن قرار دارد وارد می‌كند برابر است با:
كه این نیرو همان نیروی وزن جسم است كه آن را با می‌شناسیم، از مقایسه این دو عبارت با هم در می‌یابیم كه
حال فرض كنید همین جسم به اندازه ارتفاع از سطح زمین بالاتر رفته باشد، در این صورت نیروی وزن خواهد بود:
img/daneshnameh_up/0/02/mph0090a.gif
از رابطه فوق ملاحظه می‌شود كه مقدار به ارتفاع جسم از سطح زمین بستگی دارد و هر چه جسم از سطح زمین بالاتر برود مقدار شتاب جاذبه گرانش و نیروی وزن كمتر خواهد شد بطوریكه در فواصل بسیار دور از سطح زمین عملاً حالت بی‌وزنی وجود دارد، امّا نزدیك به سطح زمین چطور؟ همانطور كه در رابطه بالا دیده می‌شود در مخرج كسر عبارت قرار دارد كه مقدار شعاع زمین عدد بسیار بزرگی است، از این رو در ارتفاعهای كم از سطح زمین مقدار در برابر قابل چشمپوشی است و به همین دلیل شتاب گرانش زمین را در این گونه مسائل مقدار ثابت در نظر می‌گیریم.
حالا برای جسمی كه داخل زمین است اوضاع چگونه است؟ یعنی این جسم چه وزنی را احساس می‌كند؟ اگر جسمی داخل زمین و به شعاع از مركز زمین باشد، نیروی گرانشی كه به آن وارد می‌شود حاصل از كره‌ای به شعاع از زمین است كه گویی در مركز زمین قرار گرفته است: اگر جرم زمین باشد و چگالی زمین را یكنواخت در نظر بگیریم،‌ جرم این كره جدید خواهد بود: ، پس نیرویی كه به جسم وارد می‌كند می‌شود
img/daneshnameh_up/8/84/mph0090b.gif
یعنی هر چه جسم به مركز زمین نزدیكتر می‌شود، نیروی وزن كمتری احساس می‌كند بطوریكه در مركز زمین حالت بی‌وزنی دارد
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 11:38 |
  • یا تا به حال ، جرم مواد را با هم مقایسه کرده‌اید؟
  • آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید که شیر سنگینتر است یا آب؟

مردم گاهی می‌گویند سرب سنگیتر از پَر است. اما یک گونی بزرگ پُر از پَر ، سنیگتر از یک ساچمه سربی است. واژه سنگینی سه مفهوم متفاوت دارد. مثلا در عبارت «یک سنگ خیلی سنگین است و نمی‌شود حرکت داد.» ، منظور وزن سنگ است. در چنین مفهومی هیچ جوابی برای پرسش «شیر سنگینتر است یا آب؟» وجود ندارد. سوالات اخیر مربوط به یک ویژگی عام از کلیه مواد می‌باشد. این ویژگی چگالی یا جرم حجمی نام دارد که از مشخصه‌های فیزیکی مواد به حساب می‌آید که این ویژگی مواد مستقل از ابعاد نمونه می‌باشد. بنابراین برای بیان دقیق ، باید بگوییم چگالی سرب بیشتر از چگالی پر است و در مورد شیر و آب نیز این امر صادق است.

واحدها

در اندازه‌گیری چگالی جامدات و مایعات معمولا جرم را بر حسب گرم (g) یا کیلوگرم (kg) و حجم را بر حسب سانتیمتر مکعب (cm3) یا مترمکعب (m3) بیان می‌کنند که در این صورت چگالی برحسب واحدهای کیلوگرم بر متر مکعب (Kg/m3) یا گرم بر سانتیمتر مکعب (gr/cm3) می‌سنجند. چگالی نشانگر این است که جرم ماده تا چه حد متراکم شده است. مثلا ، سرب یک ماده چگال است، زیرا مقدار زیادی از آن در حجم کوچکتر متراکم شده از طرف دیگر چگالی هوا بسیار کم است.

طریقه اندازه گیری

برای اندازه‌گیری چگالی یک جسم باید هم جرم جسم (m) و هم حجم (V) آن را اندازه‌گیری کنیم. جرم را می‌توانیم با ترازو اندازه‌گیری کنیم. حجم یک جسم جامد را می‌توانیم با راههای گوناگون اندازه بگیریم. مثلا برای بدست آوردن حجم یک مکعب ، اندازه یک ضلع آن را به توان 3 می‌رسانیم و یا برای تعیین حجم یک مکعب مستطیل طول ، عرض و ارتفاع آن را در هم ضرب می‌کنیم. حجم یک مایع را می‌توانیم با ظرف شفاف مدرجی که واحدهای حجم را نشان می‌دهد، اندازه بگیریم. در آزمایشگاه معمولا برای اندازه گیری حجم مایعات از استوانه مدرج استفاده می‌کنند. در مواردی بوسیله اندازه‌گیری جرم نسبی مواد نسبت به هم از طریق چگالی نسبی مواد نسبت به هم می‌توانیم چگالی تک‌تک مواد را اندازه‌گیری نموده و مشخص نماییم.



تصویر
ستون چگالی
روغن
آب
مایع طلا

چگالی نسبی

مقایسه چگالی دو مایع با یکدیگر یا مقایسه چگالی یک جامد با یک مایع خیلی راحت است. اگر چگالی جسمی کمتر از مایع باشد، در آن شناور می‌شود و در غیر اینصورت در آن غرق می گردد. مثلا چگالی چوب از آب کمتر است و برای همین است که چوب روی آب شناور می‌ماند «نیروی ارشمیدس».

مواد چگال

هسته اتمهای تشکیل دهنده مواد و ستارگان از جمله کوتوله‌های سفید ، ستارههای نوترونی ، ابر نواختران ، سیاه چاله‌ها و ... چگالترین موادها هستند.

قیف جدا کننده

وسیله‌ای است که مایعات را بر اساس شاخص چگالی از هم جدا می‌کند؛ مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالی مواد در داخل این ظرف تفکیک می‌شود. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم، مایعی که دارای چگالی بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج می‌گردد تا اینکه به مرز جدایی مایعات روغن و آب برسد، در چنین حالتی شیر را می‌بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا می‌کند.


توجه: تغییرات دما سبب تغییر حجم جسم می‌شود. بنابراین، با تغییر دما چگالی یک ماده تغییر می‌کند. از این رو چگالی اغلب مواد را در ˚25C معین می‌کنند.


تصویر

جدول چگالی بعضی از مواد معمولی در 25 درجه سانتی‌گراد

مادهچگالی g/cm3
گاز طبیعی0.000656
هوا0.00118
اتانول0.78948
سدیم کلرید2.164
فولاد ضد زنگ8.037
جیوه13.545

حل یک مسئله

مسئله: حجم یک قطعه موم 8.50cm3 و جرم آن 8.06g است. چگالی موم را بدست آورید.
راه حل:
چگالی، جرم در واحد حجم است و به صورت زیر نشان داده می‌شود.
D=m/V

با جایگذاری مقادیر معلوم ، خواهیم داشت:
D=8.06g/8.5cm3=0.948g/cm3
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در سه شنبه چهارم آبان 1389 و ساعت 11:34 |
 بال پرنده
بال پرنده چيست؟
دو تعريف برای آن وجود دارد:
1- نوعی از هواپيما است که در آن تنها عامل اجاد کننده برا (مثبت يا منفی) بال است.
2- هواپيمايی که کليه پارامتر های آيروديناميکی آن در ايرفويل بال خلاصه شده است
بنا به هريک از اين تعاريف بعضی از هواپيماها را می توان بال پرنده به حساب آورد يا رد کرد. به عنوان مثل استفاده از دم عمودی در تعريف دوم غير مجاز است. ما در اين خصوص سخت گيری نخواهيم کرد و بحث در اين باره را برای بزرگان هوافضا ميگذاريم.
بال پرنده پديده چندان جديدی در هوفضا نيست. اولين بال پرنده در سال 1917 ميلادی توسط فردی انگليسی با نام جان دن ساخته شد و پرواز کرد.

از اين تارخ به بعد کماکان از اين پيکربندی استفاده شد اما پيشگامان استفاده عملياتی از اين روش آلمانی ها هستند. در سال 1937 ميلادی هواپيمای Ho -V در اين کشور ساخته شد که نخستن کار جدی در اين ضمينه به حساب می آيد.

در سال 1944 اولين جت جنگده بال پرنده باز هم توسط آلمان برای شرکت در جنگ جهانی دوم ساخته شد. که قبل از عملياتی شدن آن جنگ به پايان رسيد.

در طول اين مدت آمريکايی ها نيز فعاليت هايی در اين زمنه داشتند. عمده فعاليت آنها توسط فردی به نام جک نورثپ صورت گرفت. او در تحقيقات خود به اين نتيجه رسيد که افزايش بازده هواپيما با کم کردن پسای نا شی از دم با استفاده از پيکر بندی بال پرنده امکان پذير است. در سال 1939 تا 1940 نورثپ هواپيمايی با نام N1-M طراحی کرد که منجر به تکميل و ساخت بمب افکن بال پرنده با نام N-9M برای نيروی دريايی آمريکا شد.

پس از آن هواپيمای XB-35 برای حمله به آلمان از سواحل غربی ايالات متحده در صورت سقوط انگلستان طراحی شد. نخستين نمونه از اين هواپيما در سال 1946 ميلادی تکميل شد. بيشترين وزن برخاست آن 209،000 پوند بود. بر مبنای اين طرح هواپيمای YB-35 با موتور توربوجت ساخته شد. در سال 1950 با پايان جنگ اين پروژه نيز پايان يافت و تا سال 1980 که
شروع برنامه ساخت بمب افکن پنهان کار است تلاش قابل ملاحضه ای در اين ضمينه انجام نشد.



2. کليات بال پرنده
· آيروديناميک
می دانيم که اصلی ترين رکن پرواز ايجاد برا است که توسط بال ايجاد می شود. پس امکان ساخت هواپيما بدون بال ممکن نيست. از طرفی در هواپيماهای متعارف 90 تا 110 درصد برا توسط بال توليد می شود در حالی که حدود 25 درصد کل پسا مربوط به بال است.
بدیهی با است صرف نظر از عمل کرد هر يک از اجزاء هواپيما در صورت حذف دم، بدنه و اجزاء
وابسته به آنها بازده هواپيما افزايش می يابد و مسئله پیدا کردن راه کاری موثر برای پر کردن خلاء حذف اين اجزاء است.

o ضرب گشتاور و برا
مهم ترين پارامترها در طراحی بال پرنده ممان است. به دلايلی که در قسمت پايداری توضيح داده خواهد شد بال در اين نوع از هواپيما بايد گشتاور مثبت ايجاد کند.( در هواپيما های معمولی اين گشتاور منفی است) به همين دليل انحنايی در قسمت انتهای بال با عنوان Reflex وجود دارد که باعث ايجاد ممان صفر يا مثبت در ايرفويل می شود. از اثرات ديگر آن کاهش CLα=0 و کاهش CLmax است. البته با کاهش برا در زاويه صفر با مساحت برابر بال زاويه حمله در سرعت سير افزايش می يابد و باتوجه به اين که بهترين نسبت های L/Dmax در زاويه حمله 4 تا 8 درجه ايجاد می شود نسبت L/D در بال پرنده با عمل کرد مشابه بيشتر است اين مسئله را طراحی های حرفه ای به اثبات رسانده است.

o ضريب پسا
شايد مهم ترين مزيت بال پرنده کاهش پسا است. که در کارايی نقش عمده ای دارد. در زير به بررسی کاهش انواع پسا در بال پرنده می پردازيم

1. کم شدن پسای اصطکاکی ناشی از کاهش سطح خيس شده ناشی از حذف دم وبدنه. به عنوان نمونه مقايسه C-5 و XB-35 که از نظر کلاس وزنی مشابه هستند. در اين مقايسه بال
پرنده 33 در صد سطح خيس شده کمتر دارد و Cd min در C-5 برابر با 023/0 و در XB-35 برابر با 012/0 است.

2. کاهش پسای تداخلی به دليل قرار گرفتن اجزاء در تلاطم سير اجزاء
3. در مقابل در سرعت های حدود صوت به دليل بيشتر بودن سطح مقطع از روبه رو در
هواپيما های مشابه پسای موج بيشتر است.

عوامل پائين آمدن بازده را می توان به شرح زير بر شمرد:
1. افت ناشی از پايداری که در واقع انرژی صرف شده برای پايدار ماندن هواپيما است
2.
· پايداری و کنترل
می دانيم که دم در هواپيما های معمولی وظيفه خنثی کردن گشتاور بال و در صورت پايدار بودن هواپيما گشتاور ناشی از وزن جلوتر از cg را دارد( پس از حذف دم در صورتی که گشتاور بال همچنان مثبت باشد) در صورتی که بخواهيم يک بال پرنده بدون دم پايدار بماند يک از سه روش شناخته شده زير را به کار می بريم.

1. بال بدون عقب گرد (plank)
در اين سيستم نياز به ايرفويل با ممان مثبت برای پايداری است که منجر به استفاده از ايرفويل با انحنای رو به بالای زياد در انتهای ايرفويل است. اين روش، پايداری زيادی ايجاد نمی کند به همين دليل در ترکيب با ساير روش های پايداری مثلا cg پائين تر از Ac به کار می رود. اين شيوه معمولا در هواپيما هايی با قدرت مانور و سرعت پائين به کار می رود.

2. عقب گرد (swept wing)
در اين روش تقريبا هر نوع اير فويل با استفاده از swept و پيچش twist مناسب قابل استفاده
است. اما برای گرفتن کارايی مناسب و پسای کمتر بهتر است که از ايرفويل هايی با Cm حدود صفر استفاده شود. اين روش بهترين روش ايجاد پايداری در بال پرنده است ولی در صورتی که دستيابی به کارايی بالا مد نظر باشد تاحدودی پيچيده است.

3. بال و مرکز ثقل پائين (parafoil)
اين شيوه پيکر بندی بيشتر در مورد پهپاد ها کاربرد دارد در اين پيکر بندی از ايرفويل با max
camber نزديک به لبه حمله استفاده می شود.


با توجه به گفته های فوق نشان می دهد که بال پرنده ذاتاً پايدار است.
از مزايای و معايب پايداری بال پرنده می وتوان به شرح زير نامبرد:
1. می توان با کم کردن پايداری استاتيکی Clmax را افزايش داد
2. يکی از سطوح کنترلی Elevator کم می شود
3. از آنجا که اصولا اين سيستم برای هواپيما های پايدار به کار نمی رود قدرت مانور آنها بيشتر است

معايب پايداری بال پرنده نيز به شرح زير است:
1. در هنگام باد کنترل هواپيما بدون سيستم کمکی کنترل مشکل است
2. به دليل داشتن بازوی گشتاور کمتر چرخش حول محور عرضی به سطوح کنترل بزرگتری نياز دارد
3. به دليل خلاصه شدن کنترل دو سطح کنترلی در يک سطح Elevon هدايت هواپيما پيچيده
تر خواهد شد.
4. باز گشت غير متعارف از اسپين
5. بازگشت سخت از لغزش در پرواز غير معمول
البته با انتخاب سيستم کنترل مناسب و طراحی صحيح بسياری از معايب فوق قابل کنترل است.

· سازه
در خصوص سازه می توان گفت که به طور قطع در حالت کلی بال پرنده مزايای بسياری نسبت به ساير پيکر بندی ها دارد. اين مزايا در طرح های حرفه ای مانند BWB به اثبات رسيده است.در BWB تنها بدنه از بوئینگ 747-400 سنگين تر و در مجموع وزن کل 11 درصد از آن سبکتر بود.
علت افزايش وزن بدنه نيز تنها به دليل سيستم تنظيم فشار کابين مسافر بوده است. در زير تعدادی از آنهارا شرح خواهيم داد:
1. پهنای بيشتر spar به دليل داشتن ايرفويل بلند تر و ضخيم تر
2. راحتی ساخت نمونه واحد
3. توزیع وزن داخلی مناسب تر
4. داشتن محفظه بار عريض تر
5. کمتر بودن اتصالات 90 درجه که نيار به تقويت بيشتر دارند
6. سبکتر بودن به دليل حذف دم افقی

· بررسی وزن و مسائل ساخت

در اين مدل از هواپيما به دليل داشتن سازه ساده تر وحذف دم افقی سازه هواپيما تا حدودي سبکتر شده است. از طرف ديگر به دليل کم شدن تعداد قطعات در طرح های مشابه هزينه و زمان کمتری برای ساخت صرف می شود. ولی در هواپيما های مسافربری به دليل سيستم حفظ فشار کابين و پهن بودن کابين اين پرنده ها مشکلاتی را ايجاد می کند.


· پيشرانه
پيشران به دليل بازده بالاتر آيروديناميکی سبکتر و کم قدرت تر شده است. البته در بال پرنده موتور عقب در صورت عدم نصب صحيح موتور مشکلاتی در پايداری عرضی ايجاد خواهد کرد. ولی به دليل قرار گرفتن موتور در انتها جريان آشفته آن روی هواپيما اثر نمی کند.

سایت های زیر هم در مورد طراحی و بال های پرنده هستند و اطلاعات نسبتا مفیدی دارند اما به زبان انگلیسی:

- سایتی در مورد اصول اولیه طراحی بال های پرنده:
Basic Design of Flying Wing Models

- سایتی با لینک های خوبی در مورد بال های پرنده :
Nurflugel

- سایت دانشنامه عمومی ویکی پدیا (به قسمت لینک های خارجی آن (External Link) نگاهی بیندازید):
Flying wing - Wikipedia, the free encyclopedia

- ایرفویل های استفاده شده در بال های پرنده :
http://pagesperso-orange.fr/scherrer...h/fwairfe.html
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در یکشنبه یازدهم مهر 1389 و ساعت 20:25 |

آیرودینامیک کلمه‌ای یونانی است متشکل از ایرو به معنای "هوا" و داینامیک به معنای "در حال حرکت".

بدین خاطر به آیرودینامیک تئوری پرواز می‌گویند که تمامی پرندگان و وسایل پرنده برای پرواز از این اصل استفاده می‌کنند.

آیروداینامیک (AERO DYNAMIC) یعنی داشتن حداقل مقاومت هوای در حال حرکت.

هوا یا اتمسفر چیست؟

هوا یا اتمسفر یا جو زمین که تا شعاع 500 مایلی اطراف زمین را فرا گرفته است از ترکیب 78% گاز نیتروژن – 21% اکسیژن و 1% مابقی گازهای موجود در هوا می‌باشد.

اگر اتمسفر اطراف زمین را بصورت یک استوانه در نظر بگیریم مولکول‌های هوا در پایین به مراتب متراکم‌تر از هوای بالا هستند. هرچه بالاتر رویم از غلظت و تراکم مولکول‌های هوا کاسته می‌شود و فاصله‌اش از زمین بیشتر می‌شود.

 عواملی که باعث تغییر غلظت مولکولی هوا می‌شوند : (تراکم مولکولی را کم می‌کنند)

1- دما : در یک ارتفاع ثابت هر چقدر مقدار دما را افزایش دهیم غلظت مولکولی هوا کم می‌شود.

2- رطوبت : در یک ارتفاع ثابت هرچه بخار آب به هوا اضافه کنیم غلظت مولکولی کم خواهد شد. یعنی رطوبت بیشتر تراکم مولکولی هوا را کم می‌کند.

توجه : هوا یا اتمسفر زمین خاصیت چسبندگی هم دارد. اگر دست خود را در هوا تکان دهیم حس می‌کنیم که هوا در بالا و پایین و تمام دست ما در حال جریان است و جدا نمی‌شود. این خاصیت هوا در پرواز خیلی کمک می‌کند چون این خاصیت هوا موجب می‌شود که غلظت آن تغییری نکند و مولکول‌های هوا از هم باز نشوند.

3- کاهش فشار هوا نیز از عواملی است که غلظت مولکولی هوا را کم می‌کند. یعنی در یک ارتفاع مشخص هرچه فشار هوا را کاهش دهیم غلظت مولکولی هوا کم می‌شود.

4- خاصیت مشترک هر دو عامل فشار هوا و دما

اگر هر دوی این عوامل پیش آید باعث کم‌شدن غلظت و تراکم مولکولی هوا می‌شود.

نکته : رطوبت که عامل کاهش غلظت مولکولی هواست فقط در پرواز هواپیماهای ملخ‌دار تاثیر می‌گذارد و غلظت مولکول‌ها را کم می‌کند چون هواپیمای ملخ‌دار موتور جت ندارند.

و در مورد خاصیت چسبندگی اینکه هرچه چسبندگی هوا بیشتر باشد غلظت مولکولی هوا نیز بیشتر است.

 انواع هوا

1- هوای استاندارد: هوایی است که در محلی در کنار دریا در 40 درجه عرضی شمالی جغرافیا بدون رطوبت با درجه حرارت بعلاوه 15 درجه سانتیگراد و فشار 92/29 اینچ جیوه یا 76 سانتیمتر جیوه یا 7/14 پاوند بر اینچ مربع یا 1013 میلبار می‌باشد.

توضیح اینکه در حالت طبیعی همچنین هوایی وجود ندارد چون در کنار دریا رطوبت خیلی زیاد است.

 92/29 اینچ جیوه = 76 سانتیمتر جیوه = 7/14 پاوند بر اینچ مربع = 1013 میلبارد

این فشار استاندارد بازاء هر یک هزار پایی که از سطح زمین دور می‌شویم 1 اینچ جیوه کاهش پیدا می‌کند. بعنوان مثال اگر در سطح دریا فشار 92/29 است در ارتفاع 4 هزار پایی فشار هوا 92/25 اینچ جیوه می‌شود.

تقریبا" تا ارتفاع 50 هزار پایی این مقادیر ثابت است. از 50 هزار پا به بالا بخاطر کاهش شدید غلظت مولکولی هوا دیگر این مقادیر و فرمول‌ها ثابت نبوده و تغییر می‌کند.

درجه حرارت هوا بازاء هر هزار پایی که از سطح زمین دور می‌شویم 2 درجه سانتیگراد کاهش پیدا کرده و خنک‌تر می‌شود. (البته در شرایط استاندارد)

گفتیم که هوا دارای خاصیت چسبندگی است یعنی هر چقدر هوا غلیظ‌تر باشد پرواز بهتر است.

هنگامی که هواپیما می‌خواهد بلند شود به یک طول باند مشخص با توجه به وزن خود نیاز دارد و هر چقدر غلظت مولکولی هوا کمتر شود نیاز به طول باند بیشتری می‌باشد.

تاریخچه آیرودینامیک

اساس آیرودینامیک براساس آزمایشی که بر روی لوله ونتوری (ventury) انجام شد، اصل ایرودینامیک بوجود آمد. ونتوری لوله‌ایست که قطر داخلی لوله در تمام طول سطح یکسان نیست. این آزمایشها توسط دانشمند ایتالیایی بنام برنولی انجام شد.

این دانشمند فشارسنج‌هایی را تعبیه کرد و در داخل لوله کار گذاشت. با دمیدن هوایی با یک سرعت ثابت بداخل لوله ونتوری مشاهده شد که هرچه قطر داخلی لوله کمتر باشد فشار ایستایی (STATIC) در آن نقطه کمتر است. و هرچه پرنده سرعت بیشتری داشته باشد فشار ایستایی در آن منطقه کاهش پیدا می‌کند. (اصل ایرودینامیک)

استاتیک فشار ایستایی هوا را اندازه‌گیری می‌کند. هرچه سرعت هوا بیشتر باشد فشار ایستایی کمتر و هرچه فشار هوا کمتر فشار ایستایی بیشتر است.

در پرواز هواپیماها اصطلاحی به نام باد نسبی (Relative Wind) وجود دارد. هواپیما در داخل هوا حرکت می‌کند این حرکت حرکت نسبی است. هوایی که از روی سطوح فرامین پروازی هواپیما عبور می‌کند باد نسبی است و سرعت هواپیما هم سرعت نسبی است زیرا هواپیما نسبت به باد سرعت پیدا می‌کند.

در داخل هواپیما لوله‌ای بنام پیتواستاتیک (Pitot Static) وجود دارد. محل آن در دماغ هواپیماست جایی که اولین برخورد باد با هواپیما با آن است . کار آن اندازه‌گیری فشار هوای در حال حرکت است.

پیتوت دینامیک (Pitot Dynamic) فشار هوای در حال حرکت را اندازه‌گیری می‌کند.

پیتوت استاتیک (Pitot Static) فشار ایستایی هوا را اندازه‌گیری می‌کند.

 

برخی از نشان‌دهنده‌های هواپیما که با این دو سیستم کار می‌کنند :

1-  ارتفاع‌سنج Atimiter Indicator

2-  سرعت‌سنج Air Speed Indicator

3-  سرعت‌سنج عمودی Vertical Speed Indicator

تنها نشان‌دهنده‌ای که با هر دو سیستم پیتوت دینامیک و پیتوت استاتیک کار می‌کند سرعت‌سنج هواپیما (Air Speed) می‌باشد.

دو  نشان‌دهنده دیگر فقط فشار ایستایی (Static) را نشان می‌دهند.

طرز کار نشان‌دهنده‌ها

1- ارتفاع‌سنج : ارتفاع‌سنج هواپیما از فشار استاتیک استفاده می‌کند. این نشان‌دهنده بشکل محفظه مانندی است که داخل آن یک دیافراگم است. به این دیافراگم، لوله استاتیک متصل است.

فرض می‌کنیم در شرایط هوای استاندارد هستیم. در سطح دریا که حداکثر تراکم و غلظت مولکولی هوا قرار دارد دیافراگم در حداکثر باز بودن خود قرار دارد. ارتفاع در سطح دریا صفر است. وقتی به‌تدریج سیال اوج می‌گیرد و بالا می‌رود فشار استاتیک هوا کم شده و هوای داخل دیافراگم کم و تخلیه می‌شود بندریج و دیافراگم بسته‌تر می‌شود. هرچه ارتفاع بالا رود فشار هوا کم می‌شود و کلا" سیال دوست دارد که از یک هوای پرفشار بداخل هوای کم فشار رود.

اصل کار ارتفاع‌سنج هواپیما اندازه‌گیری فشار ساکن هوای اطراف هواپیما می‌باشد.

2- سرعت‌سنج : همانطور که گفتیم سرعت‌سنج با هر دو سیستم استاتیک و دینامیک کار می‌کند. در واقع هم فشار دینامیک و هم فشار استاتیک در نشان‌دادن سرعت موثر می‌باشند.

هرچه نیروی رانش بیشتر شود فشار وارده بر سر لوله پیتوت که در دماغ هواپیما قرار دارد بیشتر شده و در یک سطح معین اختلاف فشار دینامیک و استاتیک بیشتر شده روی نشان‌دهنده عددی را نشان می‌دهد که آن سرعت هواپیماست هرچه اختلاف فشار دینامیک و استاتیک بیشتر باشد سرعت هواپیما بیشتر می‌شود.

3- سرعت‌سنج عمودی : این نشان‌دهنده مانند بقیه نشان‌دهنده‌ها با فشار استاتیک کار می‌کند (محفظه‌ای است و در داخل آن محفظه دیافراگم قرار دارد که لوله استاتیک به آن وصل است.)

اساس کار سرعت‌سنج عمودی براساس فشار استاتیک می‌باشد. بدین شکل که لوله‌ای که از فشارسنج استاتیک هواپیما گرفته می‌شود بداخل محفظه سرعت‌سنج عمودی متصل است. در خود دیافراگم سوراخی تعبیه شده است. در حالت اوج‌گیری بعلت کاهش فشار استاتیک دیافراگم باز شده و در روی نشان‌دهنده صعود هواپیما را به نرخ پا در دقیقه نشان می‌دهد. و بالعکس.

سرعتهای هواپیما

 1-  سرعت نشان‌دهنده Indicator Air Speed : سرعتی است که ما روی نشان‌دهنده می‌بینیم.

2- سرعت واقعی هواپیما True Air Speed : و درجه حرارت روی این سرعت اثر می‌گذارد . هرچه غلظت مولکولی ما پایین‌تر باشد و درجه حرارت افزایش پیدا کند سرعت واقعی هواپیما افزایش پیدا می‌کند. در هوای دارای غلظت مولکولی کم و در دو ارتفاع با یک سرعت ثابت سرعت واقعی بیشتری داریم.

3- سرعت زمینی هواپیما Round Speed : سرعتی است که سایه هواپیما بر روی زمین سیر می‌کند. مقدار باد موجود در ارتفاع بر روی این سرعت تاثیر بسزایی دارد در واقع این باد است که اثر مستقیم بر سرعت زمینی دارد.

وقتی هواپیما در حال پرواز است محاسبه سرعت هواپیما تماما" براساس سرعت زمینی است.

نیروهای وارده بر هواپیما

عملا" چهار نیرو بر هواپیما وارد می‌شود :

1-  نیروی رانش Thrust

2-  نیروی مقاومت (پسا) Drag

3-  نیروی برا Lift

4-  نیروی وزن (جاذبه) Gravity

نیروهای وارد بر هواپیما

1- نیروی رانش نیرویی است که در جهت حرکت هواپیما و توسط موتور هواپیما تولید می‌شود.

2- نیروی مقاومت (پسا) در جهت خلاف حرکت هواپیما ایجاد می‌شود و نتیجه حرکت هواپیما در داخل سیال است.

3- نیروی برا در جهت بالا بردن هواپیما بکار رفته و نتیجه حرکت بال هواپیما درون سیال است.

4- نیروی وزن یا جاذبه برخلاف جهت نیروی برا بوده و نتیجه اثر جاذبه زمین بر روی هر شیئی است.

نیروی رانش نسبت مستقیمی با نیروی مقاومت (پسا) دارد هرچه نیروی رانش و سرعت بیشتری داشته باشیم نیروی مقاومت بیشتری خواهیم داشت. نیروی رانش با بیشتر گاز دادن بیشتر می‌شود.

برای بوجود آوردن نیروی برا لازم است که سطوح پروازی طوری طراحی شود که ضمن داشتن حداقل مقاومت در مقابل جریان هوا نیروی برای کافی جهت بلند شدن از سطح زمین را نیز داشته باشد. بدین منظور Air Foil (بال هواپیما) طراحی شد که سطح بالایی آن بیشتر از سطح زیرین آن می‌باشد. با توجه به این طراحی و خواص چسبندگی سیالات ، باد نسبی که در لبه حمله A/F شکافته می‌شود باد نسبی روی A/F سرعت بیشتری نسبت به سطح زیرین آن دارد و با توجه به قانون برنولی (فشار کمتر سرعت بیشتر) از این رابطه نیروی برا تشکیل می‌شود.

90 درصد از نیروی برای بوجود آمده ، از فشار کم سطح روی A/F می‌باشد.

یکی از راههای افزایش نیروی برا افزایش نیروی زاویه حمله می‌باشد. در این حالت جهت برخورد باد نسبی به لبه حمله بال تغییر پیدا کرده و در واقع بادی که از روی A/F عبور کرده همچنان مسافت بیشتری را طی می‌کند در نتیجه سرعت بالاتر بر روی A/F و فشار استاتیک کمتر که نهایتا" Lift بیشتری به ما می‌دهد.

لبه حمله بال را نمی‌توان به مقدار نامحدود اضافه کرد زیرا در اثر افزایش بی‌اندازه زاویه لبه حمله باد نسبی که از روی A/F عبور کرده متلاطم می‌شود و دیگر آن خاصیت موردنظر افزایش برا را ندارد که اگر A/F‌ در این حالت بماند به نقطه واماندگی (Stall) نزدیک می‌شود.

نیروی مقاومت به دو دسته تقسیم می‌شود :

1-  نیروی مقاومت بوجود آمده (Induce Drag) که در اثر حرکت هواپیما بوجود می‌آید.

2- نیروی مقاومت بوجود آمده در اثر اصطکاک با هواپیما (Skin Fraction Drag) این نیروی مقاومتی است که در اثر ناهمواریهایی که در روی بدنه و بال هواپیما - زاویه نصب بال - محل نصب پنجره و درب‌های هواپیما بوجود می‌آید.

 عوامل تکان خوردن هواپیما

1- تاثیر دما روی سطوح مختلف : یکی از عواملی که باعث بالا و پائین رفتن هواپیما بطور ناگهانی در پرواز نزدیک به سطح زمین می‌شود اثر دما روی سطوح مختلف می‌باشد. معمولا" این تشعشعات حرارتی تا ارتفاع دو هزار پایی از سطح زمین محسوس است. از دو هزار پا به بالا معمولا" حس نمی‌شود.

2-  دود حاصل از سوختن جنگل و دود حاصل از کارخانه‌ها و ...

چون این دودها نیروی بالارونده دارند و اگر به هواپیما برخورد کنند هواپیما را به ناگهان تکان می‌دهند.

3-  حرکت کردن پشت هواپیمای سنگین‌تر از خود .

 علت تکانهای هواپیما در ارتفاع بالا

1-  تغییر ناگهانی سمت و جهت باد

2-  عوامل جوی

3-  منطقه پروازی

 
محورهای هواپیما (محورهای فرضی)

بطور کلی هواپیما حول 3 محور حرکت می کند :

1- محور طولی Longitudinal Axis

این محور خطی فرضی است که از نوک هواپیما به انتهای آن کشیده می‌شود. گردش حول محور طولی باعث می‌شود که هواپیما عمل گردش به چپ یا راست را انجام دهد. به این عمل  ROLLمی‌گویند.

2- محور عرضی Horizontal Axis

این محور خطی فرضی است که از نوک یکبال به نوک بال دیگر آن وصل می‌شود. گردش حول محور عرضی هواپیما باعث خواهد شد هواپیما بالا و پایین برود. به این عمل PITCH می‌گویند. (Pitch up/down)

3- محور عمودی Vertical Axis

این محور خطی فرضی است که از مرکز ثقل هواپیما (Center of Gravity – C/G) می‌گذرد و دو نقطه دیگر را در یک نقطه قطع می‌کند. حرکت حول محور عمودی سبب می‌شود هواپیما بطور افقی گرایش به چپ یا راست داشته باشد. به این عمل YAW (گرایش) گفته می‌شود.

گرایش یا سر خوردن به سمتی را YAW‌گویند. در حالت yaw فقط دماغ هواپیما به سمت چپ و یا راست تغییر می‌کند و محور عمودی ثابت است.

مرکز ثقل هواپیما نقطه‌ایست فرضی بر روی محور طولی هواپیما که تمامی وزن هواپیما در آن متمرکز است و نقطه تعادل نیز نامیده می‌شود.

سطوح فرامین پروازی

بطور کلی سطوح فرامین پروازی به دو دسته تقسیم می‌شوند :

1-  سطوح فرامین پروازی اولیه Primary Flight Control

2-  سطوح فرامین پروازی ثانویه Secondary Flight Control

 

* سطوح فرامین پروازی اولیه عبارتند از سطوحی که باعث پرواز هواپیما حول سه محور خود می‌شوند :

الف) شهپرها Ailerons

ب) سکان افقی Elevator

ج) سکان عمودی Rudder‌ ( دو نوع است : ثابت ، متحرک )

د) ثبات‌دهنده‌ها Stabilizer

 

شهپرها : زائده‌هایی هستند در دو سر بال ( قسمت پشت دو سر بال ) که بطور عکس نسبت به یکدیگر حرکت کرده و باعث گردش هواپیما حول محور طولی می‌گردد. نوع و طرز کار شهپرها در هر هواپیما فرق می‌کند و تنها هواپیمای بوئینگ 707 است که بصورت کابلی باقی مانده است. در بوئینگ 727 و 747 در هر بال دو شهپر وجود دارد آنکه در نوک بال است برای سرعت‌های پایین و دیگری برای سرعت‌های بالا استفاده می‌شود.

سکان افقی : زائده‌هایی در انتهای بالچه عقب هواپیماست که باعث می‌شود هواپیما حول محور عرضی حرکت کند. سکان افقی برخلاف شهپرها هر دو در جهت هم حرکت می‌کنند.

به هنگام Take off و Landing مورد استفاده قرار گرفته و باعث می‌شوند عقب هواپیما سنگین‌ شده و نوک هواپیما بالا بیاید.

سکان عمودی متحرک : زائده‌هایی در قسمت انتهایی سکان عمودی ثابت می‌باشد که باعث می‌شود هواپیما حول محور عمودی حرکت کند. Rudder‌ فقط حول محور عمودی حرکت می‌کند.

ثبات‌دهنده‌ها : A/F است که در قسمت انتهایی هواپیما قرار داشته و مرتبط با سکان افقی هواپیما بوده و هواپیما را حول محور عرضی کنترل می‌کند و همچنین کمک‌دهنده سکان افقی می‌باشند.

 * سطوح فرامین ثانویه سطوحی هستند که در پیشبرد بهتر کنترل پروازی کمک می‌کنند که عبارتند از :

الف) فلپ‌ها Flap

ب) Speed Brake یا Lift Pumper

ج) Slat یا Leading Edge Flap Ano

 

فلپ‌ها Flap : زائده‌هایی هستند در قسمت پشت بال که جهت افزایش سطح ایرودینامیکی بال و در نتیجه افزایش نیروی برا در یک سرعت مشخص می‌باشد.

فلپ‌ها بالا و پایین نمی‌شوند بلکه بصورت کشوئی داخل بال شده و خارج می‌شوند. هنگامی که هواپیما روی باند نشست فلپ‌ها بیرون‌ آورده شده و باعث کاهش سرعت می‌شوند.

Speed Brake‌ یا Lift Pumper‌ : عموما" برای کاهش سرعت هواپیما چه در هوا و چه در روی زمین بکار گرفته می‌شوند متشکل از زائده‌هایی نصب شده بر روی بال یا دم هواپیما می‌باشند. speed brake بر روی دم هواپیماست و lift pumper‌ بر روی بال هواپیماست که موقع فرود باز شده و مقداری از سرعت هواپیما را می‌کاهد.

Slat یا Leading Edge Flap Ano : زائده‌هایی هستند که در لبه حمله بال قرار دارند که آنها هم جهت افزایش سطح ایرودینامیک و در نتیجه افزایش برا مورد استفاده قرار می‌گیرند. معمولا" هواپیماهای سنگین دارای آن می‌باشند. شماره‌گذاری یا درجه‌بندی نداشته و هنگام بلند شدن و فرود آمدن فقط مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 ملخ هواپیما

نیروی رانش ایجاد می‌کند نیروی Lift مثبت به سمت جلو را ایجاد می‌کند. وقتی که ملخ می‌چرخد هوا را می‌شکافد و هوا از روی A/F عبور کرده و نیروی Lift‌ ایجاد کرده و هواپیما را به جلو می‌برد.

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در شنبه دهم مهر 1389 و ساعت 21:6 |

هواپیماها چگونه کار می کنند؟
هواپیماها چگونه کار می کنند؟

هواپیما از انرژی تولید شده بوسیله جریان هوا در اطراف بدنه خود، برای بلند شدن و کنترل پرواز استفاده می کند. سطوح متحرک و کنترل کننده بر روی بال و دم که به نام بالچه یا قالب (flap) شناخته می شوند، مسیر هوا را منحرف کرده و باعث بلند شدن، شیرجه زدن، دورزدن یا غلتیدن هواپیما می شوند. خلبان این بالچه ها را از درون کابین هواپیما، کنترل می کند. او برای این کار از پدالها و اهرم فرمان استفاده می کند.

هواپیماها چگونه کار می کنند؟

اهرام فرمان

در هواپیماهای کوچک اهرام فرمان بوسیله یک سری کابل به بالابرها و شهپرها متصل است.

شهپر

برای غلتاندن هواپیما، خلبان سطوح کننده روی بال به نام شهپر را بکار می گیرد. هنگامی که شهپر یک بال بلند می شود، شهپر بال دیگر پایین می آید. هوایی که از روی بال حرکت می کند بوسیله یک بال به سمت پایین و بوسیله بال دیگر به سمت بالا حرکت می کند. این حرکت باعث غلتیدن هواپیما می شود.

هواپیماها چگونه کار می کنند؟

پدالها

پدالها، رادر را کنترل می کنند و آن را به چپ و راست می چرخانند.

رادِر

برای دور زدن یا تغییر مسیر هواپیما به چپ و راست خلبان با فشار آوردن به پدالهای زیر پایش، رادر را حرکت می دهد. بطور مثال، کشیدن رادر به سمت چپ، هواپیما را به چپ می راند. به هر حال حرکت دادن رادر به تنهایی، موجب می شود تا هواپیما به پایین هم متمایل شود. برای جلوگیری از این مسئله، خلبان از شهپرهای بال به طور همزمان استفاده می کند. به این مانور «بانگینگ» می گویند.

هواپیماها چگونه کار می کنند؟

ملخ

هنگامی که ملخ هواپیما می چرخد، نیروی رانش ایجاد کرده و هواپیما را در جهت مخالف نیروی پسا که بوسیله اصطکاک هوا بوجود می آید، به جلو می راند.

بالابر

برای بلند کردن هواپیما، خلبان اهرم فرمان را به سمت عقب می کشد تا بالابرهای واقع بر روی سکان افقی هواپیما را بلند کنند. در این حالت، بالابر ها مسیر حرکت هوا را به سمت بالا منحرف می کنند. این کار دم هواپیما را به سمت پایین فشار داده و دماغه هواپیما را بلند می کند. برای آن که هواپیما به سمت پایین شیرجه بزند، خلبان اهرم فرمان را به سمت جلو فشار می دهد تا بالابر ها را پایین بیاورد.

سکان افقی

سکان افقی به همراه سکان عمودی تعادل هواپیما را در هوا حفظ می کنند.

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در شنبه دهم مهر 1389 و ساعت 10:7 |
 

نیرو را می‌توان به صورت کشش یا رانشی در یک جهت خاص تعریف نمود. نیرو کمیتی ‌برداری است، از این رو هم جهت دارد و هم اندازه. به منظور توصیف نیروها نخست می‌بایست کمیت و جهت را مشخص کنیم. درتصویر زیر نیروهایی که هنگام پرواز بر هواپیما وارد می‌شوند نشان داده شده‌اند.



img/daneshnameh_up/2/2f/Airfoil4forces.jpg

نیروی‌های چهارگانه وارد بر هواپیما
weight=وزن lift=برا drug=پسا trust=کشش





 

نیروی وزن

وزن نیرویی است که جهت و راستای آن همواره به سمت مرکز کره زمین می‌باشد. کمیت یا مقدار وزن به جرم تمامی اجزای هواپیما به اضافه میزان سوخت و هرگونه بار دیگر هواپیما (از قبیل سرنشینان ، چمدانها ، محموله و غیره) بستگی دارد. این وزن در سرتاسر هواپیما توزیع می‌گردد، با این وجود می‌توانیم چنین تصور کنیم که وزن جمع شده در نقطه‌ای به نام مرکز ثقل عمل می‌کند.
هواپیما در زمان پرواز حول مرکز ثقل تغییر زاویه می‌دهد. در پرواز دو مسئله عمده وجود دارد؛ اعمال نیروی متقابل برای غلبه بر وزن یک شی و کنترل آن شی در زمان پرواز. هر دوی این مسایل وابسته به وزن آن جسم و محل قرارگیری مرکز ثقل می‌باشند. در حین پرواز مادامی که سوخت هواپیما مصرف می‌شود، وزن هواپیما دائماً تغییر می‌کند، بدین ترتیب نحوه‌ی پراکندگی وزن کل و محل مرکز ثقل نیز عوض می‌شود. از اینرو خلبان بر آن است که برای حفظ تعادل و تنظیم هواپیما پیوسته فرامین را کنترل و تنظیم نماید.

تصویر




نیروی برا

هواپیما برای چیرگی بر نیروی وزن ، نیرویی مخالف با نام نیروی برا تولید می‌کند. برا از حرکت هواپیما در هوا حاصل گردیده و نیرویی آیرودینامیک یا به بیان فارسی هوا پویا می‌باشد. "آیرو" یعنی هوا و "دینامیک" نیز به معنای حرکت و پویایی است. بردار نیروی برا عمود بر راستای جهت پرواز هواپیما می‌باشد. بزرگی این نیرو به عواملی چند از قبیل شکل ، اندازه و سرعت حرکت هواپیما بستگی دارد، لازم به ذکر است که بالها بیشترین میزان نیروی برا را تولید می‌کنند و این نیرو در نقطه‌ای واحد به نام مرکز فشار عمل می‌کند.
مرکز فشار هم درست مثل مرکز ثقل تعریف می‌شود، با این تفاوت که بجای توزیع وزن ، توزیع فشار حول بدنه را خواهیم داشت. پراکندگی و انتشار نیروی برا در سراسر بدنه نقش خطیری در حل مسایل کنترلی ایفا می‌نماید. سطوح آیرودینامیکی جهت کنترل هواپیما در حرکات غلتش ، پیچش و سمتش استفاده می‌گردند.

نیروی پسا

نیروی آیرودینامیکی دیگری هم در زمان پرواز حضور دارد، که به دنبال مقاومت هوا در برابر حرکت هواپیما حاصل می‌شود. و این نیروی مقاومت کننده نیروی پسا نام دارد. نیروی پسا به موازات و در خلاف جهت پرواز عمل می‌نماید. همانند برا، عوامل زیادی هستند که بر کمیت نیروی پسا تأثیر می‌گذارند، که این عوامل شامل شکل هواپیما ، "چسبناکی هوا" و سرعت پرواز می‌باشند. مولفه‌های نیروی پسا همچون نیروی برا تجمیع گردیده و در یک نقطه‌ واحد که همان مرکز فشار هواپیماست عمل می‌کنند.

تصویر




نیروی کشش

هواپیما برای غلبه بر پسا از سیستم پیشرانه استفاده کرده و نیرویی به نام نیروی (کشش) رانش تولید می‌کند. جهت نیروهای رانش (کشش) به چگونگی اتصال موتورها به هواپیما بستگی دارد، در این نوع هواپیما زیر بالها دو موتور توربینی به موازات بدنه تعبیه شده است، بطوری که باعث می‌شود نیروی رانش (کشش) در امتداد خط مرکزی بدنه عمل ‌کند. در بعضی هواپیماها مثل هواپیمای عمود پرواز هاریر سیستم به گونه‌ای است که می‌توان جهت نیروی رانشی را تغییر داد تا هواپیما بتواند از باندی کوتاه برخیزد.
کمیت نیروی رانش به عوامل متعددی بستگی دارد که با سیستم پیشرانه در ارتباط می‌باشند، این عوامل شامل نوع موتور ، تعداد موتورها و سیستم گاز می‌باشند. در مورد موتورهای جت اغلب این مسئله باعث اشتباه می‌شود، چرا که نیروی رانش هواپیما ناشی از واکنشی است که از خروج شدید و سریع گاز گرم از اگزوز ، صورت می‌پذیرد. این گاز داغ از پشت خارج می‌شود. ولیکن نیروی رانش در خلاف جهت آن ، یعنی رو به جلو عمل می‌کند.
یعنی همان کنش / واکنش که در قانون سوم نیوتون توضیح داده شده است. چگونگی حرکت هواپیما در هوا بستگی به مقاومت نسبی و جهت نیروهایی دارد که در بالا متذکر شدیم. مادامی که این نیروها متعادل باشند، هواپیما با سرعتی ثابت و بلاتغییر حرکت خواهد کرد، در غیر این صورت (یعنی اگر نیروها ناتعادل باشند) جهت شتاب ‌گیری هواپیما به سمت بزرگترین نیرو خواهد بود.
توجه داشته باشید که وظیفه موتور تنها غلبه بر نیروی پسای هواپیماست، نه این که نیروی برا حاصل کند. یک هواپیماهای مسافری یک میلیون پوندی ، 4 موتور دارد که بطور کل 200.000 پوند نیروی رانش تولید می‌کنند. این بالها هستند که باعث ایجاد برا می‌شوند، نه موتورها. در حقیقت هواپیماهایی با نام گلایدر یا هواسر هم وجود دارند که هیچ موتوری نداشته و در عین حال خیلی خوب پرواز می‌کنند. در این نوع هواپیماها به منظور شروع حرکت لازم برای ایجاد برا توسط بالها می‌بایست از یک منبع خارجی نیرو بهره جست.
اما هنگام پرواز دو نیروی پسا و برا متقابلا در برابر نیروی وزن قرار می‌گیرند. هواپیماهای کاغذی مثال واضحی از این هواپیماها می‌باشند، معهذا انواع گوناگونی از گلایدرها وجود دارند. بعضی از آنها نخست توسط یک هواپیمای موتوردار در هوا یدک شده ، سپس رها می‌شوند و می‌توانند قبل از فرود مسافتهای طویلی را طی کنند.
شاتل فضایی نیز هنگام بازگشت به جو و فرود همانند گلایدر عمل می‌کند و از موتورهای راکتی فقط به منظور ورود شاتل به فضا استفاده می‌گردد.

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:56 |

ثبات و پایداری پرواز

  
هواپیمای برادران رایت پایداری طولی(Longitudinal Stability)نداشت و پایداری جانبی(Directional Stability)آن نیز خنثی بود در حالی که بال هواپیما زاویة هفتی(Anhedral)داشت. سیستم کنترل غلت(Roll control)هواپیما نیز تأثیر نامطلوب بر پایداری جانبی آن میگذاشت.

با در نظر گرفتن این واقعیات می توان نتیجه گرفت که دلیل موفقیت این دو برادر در سرعت و بار روی بال کم، مقاومت بالای سازه هواپیما و تمرینات بسیار آنها بود. بررسی گزارش های پروازی این دو برادر نشان میدهد که در اکثر مواقع آنها کنترل بیش از حد اعمال کرده و پرواز زمانی پایان میگرفت که در انتهای یک موج نوسانی(Oscillation)، اسکیدهای(Skids)هواپیما، تصادفاً با زمین تماس پیدا میکرد.

در اوایل عصر پرواز، قوانین مشخص و مدوّنی در مورد نحوة اعمال پایداری و ثبات در هواپیما و نیروی لازمه جهت حرکت دادن سطوح فرمان (کنترل) وجود نداشته و موفقیّت یک طرح جدید اعمال قدرت و نیروی زیاد و به موقع از جانب خلبان بستگی داشت.

همانگونه که پیشتر گفته شد، بی ثباتی آیرودینامیکی را می شد تا حدّی با اتکا به توانائیهای خلبان اصلاح کرد؛ امّا با افزایش وزن و سرعت هواپیماها، نرخ واگرایی(Divergence)از حرکت پایدار به قدری فزونی یافت که کنترل هواپیما از توان خلبان انسانی خارج شده و ایجاد پایداری و ثبات آیرودینامیکی ذاتی(Inherent Aerodinamic stability)برای هواپیما الزامی گشت.


   

در جنگ اول جهانی تعداد هواپیماهای انگلیسی از بین رفته ناشی از سوانح
بسیار بیشتر از هواپیماهای ساقط شده توسط دشمن بود.


تفاوت فلسفة طراحی پیشگامان اروپائی و امریکائی در نحوة اعمال این فاکتور بود. اروپائیان تأکید داشتند که یک هواپیما باید دارای پایداری ذاتی باشد (بدون ایجاد محدودیت در قابلیت مانور) به گونه ای که هواپیما بدون اعمال کنترلِ خلبان به پرواز مستقیم ادامه دهد. تا سال 1909، هواپیماهای موفق دارای مشخصات مشترک زیر بودند:

الف) دارای پیکربندی یک باله، یا دو باله بوده و این بالها از انواع کوژبال(Cambered)بودند.

ب) از سکان افقی برای کنترل زاویة تاب استفاده میکردند. البته در انواع یک باله مکان افقی عقب تر از بال اصلی و در انواع دو باله این مکان جلوتر از بال اصلی قرار میگرفت.

ج) از سکان عمودی در عقب و به منظور ایجاد پایداری جانبی(directional Stability)استفاده میکردند.

د) از مکانیزم خمش بال(Wing warping)و یا شهپر(Aileron)به منظور ایجاد کنترل و پایداری عرضی(13) و غلتشی (هماهنگ با سکان عمودی) استفاده میکردند.

در بین سالهای 1912 تا 1908 پیکربندی هواپیماها به سمت همگنتر پیشرفت کرده و هواپیماها از حالت ناهمگن اولیه (مثل هواپیمای برادران رایت) خارج شدند. برای اولین بار در سال1947 دیوار صوتی توسط هواپیمای آزمایشیX –1 نیروی هوایی ایالات متحده امریکا شکسته شد و به دنبال آن تحقیقات روی سرعتهای صوت و مافوق صوت آغاز گشت. یکی از مسائل عمده که کارشناسان با آن مواجه شدند، کاهش پایداری جانبی و حتی از دست رفتن کامل آن در سرعتهای مافوق صوت بود.

اگرچه در سرعتهای میان صوت کارایی سکان عمودی(Fin Effectiveness)درصدی افزایش مییابد، ولی در سرعتهای 4/1 ماخ به بالا شدیداً این کارایی کاهش می یابد. هر دو هواپیمای تحقیقاتیX-2, X-1A در حداکثر سرعت خود، حتّی در صورت آرامترین دور زدن نیز کاملاً از کنترل خارج میشدند. این پدیده که به جفتشدگی اینرسیایی مشهور شد، تا مدتهای مدیدی تکامل جنگنده های مافوق صوت را تحت الشعاع قرار داده بود.

واماندگی(Stall)و فر چرخش(Spin)باعث بروز خسارات جانی و مالی فراوانی گردیده بود، جای تعجب است که تا سال 1918 مطالعات کمی روی این پدیده انجام شده بود. در زمان جنگ اوّل جهانی ساکنان اطراف پایگاه های هوائی مکرراً با صحنة خاموش شدن موتور، واماندگی، فر چرخش و سقوط هواپیما روبرو می شدند.


عقیدة عموم و حتی کارشناسان بر این بود که این سوانح براثرخاموش شدن موتور پس از برخاستن است و از مخاطرات طبیعی پرواز میباشد. امّا تجزیه و تحلیلهای علمی تر بعدی مشخص کرد که این سقوط ها به دلیل طبیعت شکنندة هواپیماهای آن دوره و مسائل روانی ـ آموزشی بوده است.

سرعت واماندگی(Stall-speed)هواپیماها تنها10 الی20 مایل در ساعت (16 الی 32 Km/h ) کمتر از سرعت اوجگیری(Cilimbing speed)بود و در صورت از کار افتادن موتور، خلبان می بایست با اقدام سریع از افت سرعت جلوگیری میکرد. امّا مشکل روانی در این بین، سعی خلبان در بازگشت به فرودگاه بود. در تئوری، اگر هواپیما به ارتفاع 300 پائی(100 متری) رسیده باشد، امکان دور زدن و فرود در باند با باد پشت سر(Down Wind)وجود دارد، امّا، آمار سوانح آن دوره نشان میدهد که، صدها خلبان با وجود رسیدن به ارتفاع 300 پائی، هواپیمایشان در هنگام دور زدن دچار واماندگی شده و سقوط کرده است.

در آن دوره، اکثر خلبانان بر این عقیده بودند که در زمان دور زدن و در صورت بروز باد از پشت باید اقدام به سرش جانبی(Side slip)کرد. متأسفانه در سرش جانبی سرعت هواپیما بشدت کاهش می یابد ولی به دلیل نزدیکی با زمین، خلبان کاهش سرعت را حس نمیکند تا اینکه دچار واماندگی میشود.

تا پیش از سال 1916 و در نبود یک شیوة مدرن و مؤثر جهت اجتناب از واماندگی در هر ارتفاعی، واماندگی منجر به پدیدة فر چرخش میشد. نهایتاً خلبانان این پدیده را به عنوان یک حالت پس از واماندگی پذیرفته و روش خروج از آن با جلو دادن اهرم کنترل(Stick)رایج گشت
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:55 |

هواپیما

اغلب هواپیماهایی كه در آسمان پرواز می كنند بال هایی دارند كه آنها را در هوا نگاه می دارد. هنگامی كه بال ها هوا را به سرعت می شكافند، یك نیروی رو به بالای قوی ایجاد می گردد كه به آن "بالابر" می گویند. این نیرو وزن هواپیما را تحمل می كند، و آن را در هوا نگاه می دارد. وقتی هواپیما سریع تر در هوا حركت می كند بال ها نیروی بالابر قوی تری ایجاد می كنند. هواپیماها كه با سرعت كم حركت می كنند (مثل گلایدرها) بال های بلندی دارند و این باعث می شود نیروی بالابر مناسب (حتی در سرعت كم) وجود داشته باشد. در مدل سازی زیر اجراء كنترلی پرواز گلایدر را ملاحظه می كنید. با موشواره بر روی اسامی بروید. در زیر با این اصطلاحات آشنا می شوید.

جت های تند رو بال های رو به عقبی دارند كه به راحتی هوا را می شكافد. این بال ها در سرعت كم نیروی بالابر كمی تولید می كنند، با این حال بال آنها در حین فرود و بلند شدن باز می شود و در نتیجه نیروی بالابر بیشتری ایجاد می كنند.

هواپیما

اولین پرواز

    اولین پرواز انسان (كه ثبت شده) در سال ١٧٨٣ به وسیله بالن بود، اما احتمالاً قبل از آن مردم با بادبادك پرواز می كرده اند. اولین هواپیمای بال دار توسط مخترع انگلیسی، جرج كیلی (١٨٥٧-١٧٧٣)، ساخته شد، و در سال ١٨٥٣پرواز كرد. پس از وی، طراحی گلایدر ها توسط دیگران پیشرفت كرد كه از آن میان می توان به برادران رایت (ویلبر رایت (١٩١٢-١٨٦٧) و اولیور رایت (١٩٤٨-١٨٧١) اشاره نمود. مهمترین موفقیت آنها ساخت موتور سبك بود كه می توانست گلایدر را حمل كند. در اولین هواپیما، كه "فلایر" نام داشت، اولیور اولین پرواز موفقیت آمیزش را در سال ١٩٠٣ به انجام رسانید. طول پرواز وی فقط ٣٧ متر بود!

پرواز

مقطع آیرودینامیكی

    بال یك مقطع آیرودینامیكی است، یعنی یك شكل خاص دارد كه آن را قادر می سازد تا پرواز كند. قسمت بالایی منحنی و قسمت زیرین صاف (یا تقریباً صاف) است، بنابراین قسمت رویی بال بلندتر از قسمت زیرین آن می باشد. هنگامی كه بال هوا را می شكافد، هوا به دو قسمت تقسیم می شود، مقداری از رو و مقداری از زیر بال عبور می كند.

هواپیما

از آنجا كه وقتی هوا سریع و سریع تر حركت می كند فشارش كاهش می یابد، بنابراین فشار هوا در زیر بال بیشتر از فشار هوای (در حال حركت سریع) روی بال است، و در نتیجه یك نیرویی رو به بال به بال وارد می شود.

هواپیما

هواپیما

    با مختصری افزایش زاویه بال، نیروی بالابر افزایش می یابد، اما افزایش بیشتر زاویه بال، حركت یكنواخت هوا از روی بال را دچار اختلال می كند و بادهای چرخشی را بوجود می آورد. در نتیجه هوا با سرعت كمتری حركت می كند و اختلاف فشار كاهش می یابد. نیروی بالابر از بین می رود و هواپیما دچار واماندگی شده و سقوط می كند. به طور ساده، شكل زیر چنین شرایطی را نشان می هد.

هواپیما

پرواز بال

    یك بال كاغذی بسازید و ببینید چگونه جریان هوا باعث می شود تا اختلاف فشاری بر روی بال ایجاد گردد و آن را بلند نماید. هرچه حركت هوا سریع تر باشد نیروی بالابر بیشتری بدست می آید.

     توصیه می شود برای این فعالیت پژوهشی اولیاء محترم نیز كمك كنند.

   

آنچه شما نیاز دارد:

  كاغذ سفت به ابعاد ١٥*٣٠ سانتیمتر، كاتر، چاقو، قیچی، دو نی نوشابه، دو میله بافتنی، سشوار، خمیر مجسمه سازی، چسب نواری، یك تكه مقوا به پهنای ١٥ سانتیمتر، خط كش

آنچه شما نیاز دارید

     ١- كاغذ را از عرض (به فاصله ١.٥ سانتیمتر از وسط) تا كنید. سوراخ های به فاصله ٨ سانتیمتر از یكدیگر، و به فاصله ٥ سانتیمتر از لبه ی تا شده ایجاد كنید.

آموزش ساخت هواپیما

    ٢- با نوار چسب دو انتهای كاغذ را به یكدیگر بچسبانید تا یك بال با سطح خمیده در بالا پدید آید. دو تكه نی كوتاه از سوراخ ها عبور دهید.

آموزش ساخت هواپیما

    ٣- دو شكاف به فاصله ٨ سانتیمتر در طول نی بوجود آورید. میله بافتنی را از آنها عبور دهید تا انتهای میله بافتنی به نی برسد.

آموزش ساخت هواپیما

    ٤- میله بال عبور دهید (ابتدا از طرفی كه انحناء دارد) و آنها را به فاصله ٨ سانتیمتر در تكه ای خمیر مجسمه سازی قرار دهید.

آموزش ساخت هواپیما

٥- با دمیدن هوا روی بال، آن را به پرواز در آورید. مراقب باشید با دمیدن باد به زیر بال، آن را هل ندهید.

آموزش ساخت هواپیما

بال وامانده

    نشان دهید بادی كه روی بال می وزد باعث پرواز آن می شود.

برای این منظور به كمك مقوا مانع وزش باد بر روی بال شوید، در این شرایط بال سقوط می كند. اگر این اتفاق روی نداد سعی كنید باد را به زیر بال بدمید.

آموزش ساخت هواپیما

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:53 |

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

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:51 |
احتمالا شما هم این عکس را دیده‌اید؛ یک هواپیمای جنگی که دیوار صوتی را شکسته، پیرامون آن ابری درست شده است. خیلی‌ها به‌غلط خیال می‌کنند که آن ابر هم‌آن دیوار صوتی است. حتی توضیح پایگاه اطلاع رسانی نیروی هوایی ایالات متحده، منبع اصلی عکس، غلط است. علت فیزیکی این پدیده چیست؟



همه‌ ما با پدیده‌ی چگالش آشنا هستیم. مثلا وقتی در زمستان نفس می‌کشیم، بخار آب به‌صورت ابر رقیقی از دهان بیرون می‌آید چون هوای بیرون آن‌قدر سرد هست که بخار آب موجود در بازدم را به ذرات ریز آب تبدیل می‌کند. در مورد هواپیما چیزی شبیه هم‌این رخ می‌دهد.

عکس زیر تغییرات دما روی هواپیما را نشان می‌دهد. وقتی هواپیما با سرعتی بالاتر از سرعت صوت حرکت کند، جلوی هواپیما یک موج ضربه‌ای درست می‌شود که هوا را فشرده و گرم می‌کند. تا این‌جا چیز خاصی رخ نمی‌دهد. اما وقتی هوا از روی سطوح محدب هواپیما رد می‌شود، امواج انبساطی در آن قسمت‌ها هوا را آن‌قدر کم‌فشار و سرد می‌کند که یک ابر درست می‌شود. ولی در ته هواپیما یک موج ضربه‌ای دیگر هست که دوباره هوا را گرم می‌کند و به این ترتیب آن ابر را از بین می‌برد. پس این ابر به‌خاطر موج ضربه‌ای نیست، بلکه به‌خاطر امواج انبساطی روی قسمت‌های محدب سطح هواپیما است.


اما به وجود آمدن این‌جور ابرها دو شرط دیگر هم دارد. ۱- هوا باید گرم باشد مثل یک روز تابستانی و ۲- رطوبت هوا نزدیک ۱۰۰٪ باشد مثل نزدیکی‌های ساحل دریا. بنابراین شانس شما برای دیدن یک چنین پدیده‌ای در تهران ناچیز است. درضمن، برای دیدن این پدیده لازم نیست هواپیما دیوار صوتی را بشکند.
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:3 |
توپ گلف و تنیس چرا صیقلی نیست؟
در زمینه پرواز اجسام در هوا، نیرویی به نام پسا یا درگ عمل می کند. این نیرو به دو نوع پسای اصطکاکی (Parasite Drag) و پسای فشاری (Pressure Drag) تقسیم می شود. در اینجا باید لایه مرزی هوا را تعریف کرد. با حرکت جسم در هوا، یک لایه از هوا که معمولاً در حد هزارم میلیمتر ارتفاع دارد روی بدنه جسم قرار می گیرد و نسبت به بدنه سرعت صفر را دارد. این به دلیل وجود و ظهور لزجت (ویسکوزیته Viscousity) در سرعت های بالا پدید می آید. این لایه مرزی خود ایجاد کننده یک نوع نیروی مقاوم اصطکاکی در برابر جریان هواست. اما پسای فشاری: با حرکت جسم در هوا، در نقطه ای در بالادست جسم، جدایش جریان پدید می آید. این جدایش باعث ایجاد نوعی خلا و یا کم شدن فشار در بالادست جسم می شود که اختلاف فشار نسبت به طول جسم و جهت جریان، باعث ایجاد نیروی مقاومی در خلاف جهت حرکت جسم می شود.

حال هرچه لایه هوایی که از روی جسم می گذرد آشفته تر باشد، دنباله تشکیل شده به وسیله جسم و بنابراین مقدار خلا کاهش می یابد. این کاهش خلا باعث کاهش اختلاف فشار و بنابراین کاهش نیروی پسای فشاری می شود. به همین دلیل است که توپ گلف دارای تورفتگی و توپ تنیس دارای پرز روی آن می باشد.


منبع:وبلاگ بويينگ747
نويسنده:محمدرضا محرري
هرچند اینکار درگ ناشی از اصطحکاک رو افزایش میده اما کاهش درگ فشاری این مقدار رو پوشش میده اما باید در نظر داشت که این کار همیشه سودمند نیست و با تغییر شکل این کار حتی ممکنه مضر هم باشه
نکته جالب اینه که گلفبازان حرفه ای قدیم دستمالی که توپ را تمیز میکرده اند نقش سمباده داشته که باعث افزایش مسافت ضربه میشده


+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:2 |
آیرودینامیک




حلقهٔ باد ایجاد شده از گذر بال هواپیما، که با دود رنگی نشان داده شده‌است.


آیرودینامیک یا هواپویش، شاخه‌ای از دینامیک گازها و در حالت کلی‌تر دینامیک سیّالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک می‌پردازد. منظور از حل یک مسألهٔ آیرودینامیکی، محاسبه‌ی میدان سرعت، فشار، و دمای هوا در اطراف یک جسم است. برای این منظور باید معادله‌های حاکم بر جریان سیّال را حل کرد. سپس به کمک حل به دست آمده می‌توان نیروها و گشتاورهای وارد بر جسم را حساب کرد.
مسأله‌های آیرودینامیکی را می‌توان از جنبه‌های مختلف طبقه‌بندی کرد. یک طبقه‌بندی معمول بر اساس الگوی جریان هواست. اگر مسألهٔ آیرودینامیکی مربوط به جریان هوا در اطراف یک جسم باشد به آن آیرودینامیک بیرونی و اگر مربوط به جریان هوا داخل یک محیط بسته باشد به آن آیرودینامیک درونی گفته می‌شود. مثال آیرودینامیک بیرونی، جریان هوا در اطراف یک هواپیما و مثال آیرودینامیک درونی، جریان هوا داخل یک موتور جت یا تونل باد است.
روش دوم طبقه‌بندی بر اساس چگالی هواست. اگر چگالی جریان هوا در همه‌ی نقاط میدان سیّال ثابت باشد و با زمان تغییر نکند، جریان تراکم‌ناپذیر و در غیر این صورت تراکم‌پذیر است.
روش سوم طبقه‌بندی مسأله‌های آیرودینامیکی بر اساس عدد ماخ جریان هوا است. اگر عدد ماخ کوچک‌تر از یک باشد جریان فروصوتی، اگر نزدیک یک باشد جریان هَماصوتی، اگر بزرگ‌تر از یک و کوچک‌تر از پنج باشد جریان زبرصوتی، و اگر بزرگ‌تر از پنج باشد جریان فوق‌صوتی خوانده می‌شود.
روش چهارم طبقه‌بندی بر اساس گرانروی هواست. اگر ضریب گرانروی ناچیز فرض شود جریان غیرلزج و در غیر این صورت لزج خوانده می‌شود.

کاربردهای آیرودینامیک

مهم‌ترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است. البته آیرودینامیک کاربردهای زیاد دیگری هم دارد. در مهندسی خودرو، از آیرودینامیک برای طراحی بدنهٔ خودرو استفاده می‌شود تا نیروی پسای خودرو کم شود. مهندسان سازه از آیرودینامیک برای تحلیل اثر هواکشسانی جریان باد بر سازه‌هایی مثل آسمان‌خراش‌ها یا پل‌ها استفاده می‌کنند.

فرض پیوستگی

هوا مانند هر مادهٔ دیگری از مولکول‌های کوچک‌ تشکیل شده است که در حال حرکت و برخورد با هم هستند. ولی چون فاصلهٔ این مولکول‌ها در عمل خیلی کوچک است، در آیرودینامیک می‌توان هوا را یک محیط پیوسته فرض کرد. با رقیق شدن هوا و افزایش فاصلهٔ بین مولکول‌ها، دقت فرض پیوستگی کم می‌شود.
از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:2 |
نيروي برآر در هواپيما چیست؟
در هواپيما اختلاف فشار هوائي كه از روي بال و زير بال مي‌گذرد ايجاد نيروي برآر مي‌كند و با خنثي شدن نيروي وزن، هواپيما به پرواز درمي‌آيد.

بر هواپيمائي كه در حال پرواز يك‌نواخت و مستقيم است چهار نيرو وارد مي‌شود:

نيروي پيش‌رانش كه هواپيما را به جلو مي‌برد.

نيروي برآر ناشي است از شكل بال هواپيما و سرعت هواپيما و همچنين زاويه قرار گيري بال هواپيما نسبت به جريان هوا و هواپيما را به بالا مي‌برد.

نيروي پسار يا نيروي مقاوم هوا كه جهت آن رو به عقب هواپيما است و همواره در مقابل نيروي پيش رانش قرار دارد و مقدار آن بستگي به شكل بال هواپيما و سرعت هواپيما و همچنين زاويه قرار گيري بال هواپيما نسبت به جريان هوا دارد.

نيروي وزن كه هواپيما را به پائين مي‌كشاند.

نيروي پيش‌رانش در خلاف جهت نيروي پسار است و نيروي وزن هواپيما در خلاف جهت نيروي برا قرار دارد. اگر نيروي پيش‌رانش بزرگ‌تر از نيروي پسار يا مقاومت هوا نباشد هواپيما دچار واماندگي خواهد شد و همچنين براي پرواز بايد نيروي برآر از نيروي وزن بيشتر باشد تا هواپيما بتواند از زمين بلند شده و پرواز كند. وزن هواپيما ثابت است (بدون در نظر گرفتن وزن سوخت) ولي در شرايط مختلف پرواز نيروهاي ديگر (نيروي برار و نيروي پسار و نيروي پيش‌رانش) ممكن است تغيير نمايند. مثلاً در هنگام اوج گيري كه زاويه هواپيما نسبت به افق بيشتر است نيروي پسار هم بيشتر خواهد بود. اگر توان موتور يا نيروي پيش‌رانش نتواند نيروي پسار ايجاد شده در اثر افزايش زاويه پرواز هواپيما را جبران كند، هواپيما دچار واماندگي خواهد شد. همچنين نيروي برار هم با افزايش سرعت هواپيما افزايش خواهد يافت و با ارتفاع گرفتن هواپيما در اثر رقيق شدن هوا (در صورت ثابت بودن سرعت هواپيما) كاهش مي يابد.

برآر يا نيروي برآر، نيرويي است كه در اثر حركت ماهيواره در شاره (سيال) ايجاد مي‌شود. پرواز هواپيما در اثر نيروي برآري است كه حاصل از شكل مقطع آيروديناميكي بال‌ آن است، كه اصطلاحاً مقطع ماهيواره دارند، نيروي برآر بال هواپيما به عواملي مانند سرعت هواپيما، مساحت بال، چگالي هوا، و شكل ماهيوارهٔ بال بستگي دارد و مطابق با فرمول زير محاسبه مي‌شود.

كه در اين فرمول:

ρ( V^2) S C(L) = 2L

L نيروي برآر هواپيما،
ρ چگالي هوا،
V سرعت پرواز هواپيما،
S مساحت بال، و
(C(L ضريب برآر است.
برآر را در فارسي «برآ» هم مي‌گويند. واژه «برآر» پيشنهاد فرهنگستان است

پسار برآيند تمام نيروهائي است كه هنگام حركت جسم صلب در شاره در جهت مخالف حركت آن عمل مي‌كنند. اين نيرو را معمولاً مقاومت هوا نيز مي‌گويند، هرچند اين اصطلاح دقيق نيست. پسار القايي درگ القايي نوعي از نيرو ميباشد كه در اثر نيروي برا بوجود مي آيد.هنگامي كه بال با زاويه حمله صفر پرواز ميكند نيروي پسا ر القايي نداريم و پسار موجود تماما يك نيروي اضافي و صرفاً مقاوم است.هنگامي كه زاويه حمله افزايش مييابد بال يك نيرو ايجاد ميكند,مولفه هايي از اين نيرو كه با باد نسبي موازي است پسار القايي ناميده ميشود. همان طور كه ميدانيد وقتي كه بال نيروي ليفت ايجاد ميكند جريان باد را بصورت يك مسير منهني منحرف ميكند.نيروهاي منتجه هنگامي كه با هم جمع شوند نيروي عكس العمل كل را تشكيل ميدهند.اگر نيروي عكس العمل كل درست عمود بر جريان نسبي باد باشد آن وقت نيروي ليفت بدون پسار القايي خواهد بود.اما عملا هيچگاه ميگويد كه بال با بوجود آوردن down wash نيروي ليفت ايجاد ميكند.به عبارت ديگر با عبور هوا از روي بال جريان هوا به سمت پايين منحرف ميشود.نيروي ليفت نيروي عكس العمل در برابر اين حركت به سمت پايين ميباشد.پس down wash منشا اصلي وجود درگ القايي است. عوامل موثر بر روي پسار القايي 1)نماي افقي بال نماي افقي بال مهم‌ترين فاكتور طراحي براي تعيين مقدار پسار القا شده است.معمولاً پيش بيني ميشود كه يك بال با پهناي بلندتر جريان باد را بيشتر به سمت پايين منحرف ميكند تا يك بال با پهناي كوتاهتر.اين خود up wash بزرگ‌تري را در جلوي بال ايجاد ميكند اما اگر طول بال را بلندتر انتخاب كنيم آنگاه كمترين نيروي درگ القايي را خواهيم داشت. 2)زاويه حمله با افزايش زاويه حمله نيروي ليفت بيشتري خواهيم داشت و در نتيجه در انتهاي بال down wash بيشتري خواهيم داشت.با افزايش يافتن down wash ميدان فشاري كه دور بال در حال چرخش است و گرداب هاي نوك را نيز در بر ميگيرد قدرت بيشتري پيدا ميكند كه باعث افزايش up wash و در مهايت درگ القايي ميگردد. 3)زاويه sweep هواپيماي داراي بالهاي جارويي(همگرا)در موقعيت استال جريان هواي بيشتري را به سمت بالها همگرا ميكند.اين عمل به بزرگ‌تر شدن up wash در جلوي بال جارويي نسبت به بالهاي مستقيم مي انجامد و در نتيجه آن زاويه درگ القايي و همچنين زاويه حمله بزرگ‌تر در هنگام استال خواهيم داشت. با محاسبات رياضي نه چندان پيچيده ميتوان فرمولي را براي محاسبه درگ القايي ارايه كرد: D(i)=[2]W2/#peV2b2 با عرض پوزش قرارداد هاي زير را درباره فرمول بالا بپذيريدچون كه علايم جديدي در رياضيات اختراع كردم چون كامپيوترم برنامه فرمول نويسي نداشت: i داخل پرانتز به عنوان زيروند است براي D و در مجموع D با زيروند i معرف درگ القايي است. 2 داخل كروشه ضريب است وبجز آن هر عددي كه ميبينيد معرف توان است. W وزن هواپيماست برحسب نيوتون. / يعني تقسيم.

همان عدد پي است كه هيچ شباهتي با نماد يوناني آن ندارد.

p همان رو يا چگالي هوا است بر حسب Kg/m2. V سرعت هواپيماست برحسب Km/h. b طول بال برحسب m و e عدد كارايي اسوالد است كه براي بالهاي بيضوي 1 وبراي ساير بالها بين0.7 تا 0.9 است برحسبN2h2m/Km2Kg(كه باز هم اعداد توان هستند)عنوان پيوند. واژه «پسار» از پيشنهادات فرهنگستان است و در بيشتر متن‌هاي هوانوردي فارسي به آن «پسا» مي‌گفتند.هواپيما با بال ثابت بيشتر هواپيماهاي امروزي به‌ويژه هواپيماهاي مسافري در اين دسته جاي دارند.

منظور از بال ثابت آن است كه بال هواپيما (بر خلاف هليكوپتر) فقط در اثر پيش‌رانش نيروي برآر ايچاد مي‌كند. اگرچه بال در بعضي هواپيماها براي جاگيري كمتر يا ملاحظات هواپويشي ممكن است باز و بسته شود ولي اين‌گونه هواپيما را نيز داراي بال ثابت مي‌شمارند چون باز وبسته شدن بال ايجاد نيروي برآر نمي‌كند.هواپيما با بال ثابت

بيشتر هواپيماهاي امروزي به‌ويژه هواپيماهاي مسافري در اين دسته جاي دارند.

منظور از بال ثابت آن است كه بال هواپيما (بر خلاف هليكوپتر) فقط در اثر پيش‌رانش نيروي برآر ايچاد مي‌كند. اگرچه بال در بعضي هواپيماها براي جاگيري كمتر يا ملاحظات هواپويشي ممكن است باز و بسته شود ولي اين‌گونه هواپيما را نيز داراي بال ثابت مي‌شمارند چون باز وبسته شدن بال ايجاد نيروي برآر نمي‌كند.

شهپرهاي هواپيماها در چند نوع هستند از جمله شهپرهاي برآفزا كه به افزايش نيروي برآ (نيروي بالابرنده) در پرواز كمك مي‌كنند و شهپرهاي برآكُش كه از نيوري برآ جلوگيري مي‌كنند.

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:1 |
آیرودینامیک کلمه‌ای یونانی است متشکل از ایرو به معنای "هوا" و داینامیک به معنای "در حال حرکت".
بدین خاطر به آیرودینامیک تئوری پرواز می‌گویند که تمامی پرندگان و وسایل پرنده برای پرواز از این اصل استفاده می‌کنند.
آیروداینامیک (AERO DYNAMIC) یعنی داشتن حداقل مقاومت هوای در حال حرکت.
هوا یا اتمسفر چیست؟
هوا یا اتمسفر یا جو زمین که تا شعاع 500 مایلی اطراف زمین را فرا گرفته است از ترکیب 78% گاز نیتروژن – 21% اکسیژن و 1% مابقی گازهای موجود در هوا می‌باشد.
اگر اتمسفر اطراف زمین را بصورت یک استوانه در نظر بگیریم مولکول‌های هوا در پایین به مراتب متراکم‌تر از هوای بالا هستند. هرچه بالاتر رویم از غلظت و تراکم مولکول‌های هوا کاسته می‌شود و فاصله‌اش از زمین بیشتر می‌شود.
عواملی که باعث تغییر غلظت مولکولی هوا می‌شوند : (تراکم مولکولی را کم می‌کنند)
1- دما : در یک ارتفاع ثابت هر چقدر مقدار دما را افزایش دهیم غلظت مولکولی هوا کم می‌شود.
2- رطوبت : در یک ارتفاع ثابت هرچه بخار آب به هوا اضافه کنیم غلظت مولکولی کم خواهد شد. یعنی رطوبت بیشتر تراکم مولکولی هوا را کم می‌کند.
توجه : هوا یا اتمسفر زمین خاصیت چسبندگی هم دارد. اگر دست خود را در هوا تکان دهیم حس می‌کنیم که هوا در بالا و پایین و تمام دست ما در حال جریان است و جدا نمی‌شود. این خاصیت هوا در پرواز خیلی کمک می‌کند چون این خاصیت هوا موجب می‌شود که غلظت آن تغییری نکند و مولکول‌های هوا از هم باز نشوند.
3- کاهش فشار هوا نیز از عواملی است که غلظت مولکولی هوا را کم می‌کند. یعنی در یک ارتفاع مشخص هرچه فشار هوا را کاهش دهیم غلظت مولکولی هوا کم می‌شود.
4- خاصیت مشترک هر دو عامل فشار هوا و دما
اگر هر دوی این عوامل پیش آید باعث کم‌شدن غلظت و تراکم مولکولی هوا می‌شود.
نکته : رطوبت که عامل کاهش غلظت مولکولی هواست فقط در پرواز هواپیماهای ملخ‌دار تاثیر می‌گذارد و غلظت مولکول‌ها را کم می‌کند چون هواپیمای ملخ‌دار موتور جت ندارند.
و در مورد خاصیت چسبندگی اینکه هرچه چسبندگی هوا بیشتر باشد غلظت مولکولی هوا نیز بیشتر است.
انواع هوا
1- هوای استاندارد: هوایی است که در محلی در کنار دریا در 40 درجه عرضی شمالی جغرافیا بدون رطوبت با درجه حرارت بعلاوه 15 درجه سانتیگراد و فشار 92/29 اینچ جیوه یا 76 سانتیمتر جیوه یا 7/14 پاوند بر اینچ مربع یا 1013 میلبار می‌باشد.
توضیح اینکه در حالت طبیعی همچنین هوایی وجود ندارد چون در کنار دریا رطوبت خیلی زیاد است.
92/29 اینچ جیوه = 76 سانتیمتر جیوه = 7/14 پاوند بر اینچ مربع = 1013 میلبارد
این فشار استاندارد بازاء هر یک هزار پایی که از سطح زمین دور می‌شویم 1 اینچ جیوه کاهش پیدا می‌کند. بعنوان مثال اگر در سطح دریا فشار 92/29 است در ارتفاع 4 هزار پایی فشار هوا 92/25 اینچ جیوه می‌شود.
تقریبا" تا ارتفاع 50 هزار پایی این مقادیر ثابت است. از 50 هزار پا به بالا بخاطر کاهش شدید غلظت مولکولی هوا دیگر این مقادیر و فرمول‌ها ثابت نبوده و تغییر می‌کند.
درجه حرارت هوا بازاء هر هزار پایی که از سطح زمین دور می‌شویم 2 درجه سانتیگراد کاهش پیدا کرده و خنک‌تر می‌شود. (البته در شرایط استاندارد)
گفتیم که هوا دارای خاصیت چسبندگی است یعنی هر چقدر هوا غلیظ‌تر باشد پرواز بهتر است.
هنگامی که هواپیما می‌خواهد بلند شود به یک طول باند مشخص با توجه به وزن خود نیاز دارد و هر چقدر غلظت مولکولی هوا کمتر شود نیاز به طول باند بیشتری می‌باشد.
تاریخچه آیرودینامیک
اساس آیرودینامیک براساس آزمایشی که بر روی لوله ونتوری (ventury) انجام شد، اصل ایرودینامیک بوجود آمد. ونتوری لوله‌ایست که قطر داخلی لوله در تمام طول سطح یکسان نیست. این آزمایشها توسط دانشمند ایتالیایی بنام برنولی انجام شد.
این دانشمند فشارسنج‌هایی را تعبیه کرد و در داخل لوله کار گذاشت. با دمیدن هوایی با یک سرعت ثابت بداخل لوله ونتوری مشاهده شد که هرچه قطر داخلی لوله کمتر باشد فشار ایستایی (STATIC) در آن نقطه کمتر است. و هرچه پرنده سرعت بیشتری داشته باشد فشار ایستایی در آن منطقه کاهش پیدا می‌کند. (اصل ایرودینامیک)
استاتیک فشار ایستایی هوا را اندازه‌گیری می‌کند. هرچه سرعت هوا بیشتر باشد فشار ایستایی کمتر و هرچه فشار هوا کمتر فشار ایستایی بیشتر است.
در پرواز هواپیماها اصطلاحی به نام باد نسبی (Relative Wind) وجود دارد. هواپیما در داخل هوا حرکت می‌کند این حرکت حرکت نسبی است. هوایی که از روی سطوح فرامین پروازی هواپیما عبور می‌کند باد نسبی است و سرعت هواپیما هم سرعت نسبی است زیرا هواپیما نسبت به باد سرعت پیدا می‌کند.
در داخل هواپیما لوله‌ای بنام پیتواستاتیک (Pitot Static) وجود دارد. محل آن در دماغ هواپیماست جایی که اولین برخورد باد با هواپیما با آن است . کار آن اندازه‌گیری فشار هوای در حال حرکت است.
پیتوت دینامیک (Pitot Dynamic) فشار هوای در حال حرکت را اندازه‌گیری می‌کند.
پیتوت استاتیک (Pitot Static) فشار ایستایی هوا را اندازه‌گیری می‌کند.

برخی از نشان‌دهنده‌های هواپیما که با این دو سیستم کار می‌کنند :
1- ارتفاع‌سنج Atimiter Indicator
2- سرعت‌سنج Air Speed Indicator
3- سرعت‌سنج عمودی Vertical Speed Indicator
تنها نشان‌دهنده‌ای که با هر دو سیستم پیتوت دینامیک و پیتوت استاتیک کار می‌کند سرعت‌سنج هواپیما (Air Speed) می‌باشد.
دو نشان‌دهنده دیگر فقط فشار ایستایی (Static) را نشان می‌دهند.
طرز کار نشان‌دهنده‌ها
1- ارتفاع‌سنج : ارتفاع‌سنج هواپیما از فشار استاتیک استفاده می‌کند. این نشان‌دهنده بشکل محفظه مانندی است که داخل آن یک دیافراگم است. به این دیافراگم، لوله استاتیک متصل است.
فرض می‌کنیم در شرایط هوای استاندارد هستیم. در سطح دریا که حداکثر تراکم و غلظت مولکولی هوا قرار دارد دیافراگم در حداکثر باز بودن خود قرار دارد. ارتفاع در سطح دریا صفر است. وقتی به‌تدریج سیال اوج می‌گیرد و بالا می‌رود فشار استاتیک هوا کم شده و هوای داخل دیافراگم کم و تخلیه می‌شود بندریج و دیافراگم بسته‌تر می‌شود. هرچه ارتفاع بالا رود فشار هوا کم می‌شود و کلا" سیال دوست دارد که از یک هوای پرفشار بداخل هوای کم فشار رود.
اصل کار ارتفاع‌سنج هواپیما اندازه‌گیری فشار ساکن هوای اطراف هواپیما می‌باشد.
2- سرعت‌سنج : همانطور که گفتیم سرعت‌سنج با هر دو سیستم استاتیک و دینامیک کار می‌کند. در واقع هم فشار دینامیک و هم فشار استاتیک در نشان‌دادن سرعت موثر می‌باشند.
هرچه نیروی رانش بیشتر شود فشار وارده بر سر لوله پیتوت که در دماغ هواپیما قرار دارد بیشتر شده و در یک سطح معین اختلاف فشار دینامیک و استاتیک بیشتر شده روی نشان‌دهنده عددی را نشان می‌دهد که آن سرعت هواپیماست هرچه اختلاف فشار دینامیک و استاتیک بیشتر باشد سرعت هواپیما بیشتر می‌شود.
3- سرعت‌سنج عمودی : این نشان‌دهنده مانند بقیه نشان‌دهنده‌ها با فشار استاتیک کار می‌کند (محفظه‌ای است و در داخل آن محفظه دیافراگم قرار دارد که لوله استاتیک به آن وصل است.)
اساس کار سرعت‌سنج عمودی براساس فشار استاتیک می‌باشد. بدین شکل که لوله‌ای که از فشارسنج استاتیک هواپیما گرفته می‌شود بداخل محفظه سرعت‌سنج عمودی متصل است. در خود دیافراگم سوراخی تعبیه شده است. در حالت اوج‌گیری بعلت کاهش فشار استاتیک دیافراگم باز شده و در روی نشان‌دهنده صعود هواپیما را به نرخ پا در دقیقه نشان می‌دهد. و بالعکس.
سرعتهای هواپیما
1- سرعت نشان‌دهنده Indicator Air Speed : سرعتی است که ما روی نشان‌دهنده می‌بینیم.
2- سرعت واقعی هواپیما True Air Speed : و درجه حرارت روی این سرعت اثر می‌گذارد . هرچه غلظت مولکولی ما پایین‌تر باشد و درجه حرارت افزایش پیدا کند سرعت واقعی هواپیما افزایش پیدا می‌کند. در هوای دارای غلظت مولکولی کم و در دو ارتفاع با یک سرعت ثابت سرعت واقعی بیشتری داریم.
3- سرعت زمینی هواپیما Round Speed : سرعتی است که سایه هواپیما بر روی زمین سیر می‌کند. مقدار باد موجود در ارتفاع بر روی این سرعت تاثیر بسزایی دارد در واقع این باد است که اثر مستقیم بر سرعت زمینی دارد.
وقتی هواپیما در حال پرواز است محاسبه سرعت هواپیما تماما" براساس سرعت زمینی است.
نیروهای وارده بر هواپیما
عملا" چهار نیرو بر هواپیما وارد می‌شود :
1- نیروی رانش Thrust
2- نیروی مقاومت (پسا) Drag
3- نیروی برا Lift
4- نیروی وزن (جاذبه) Gravity
1- نیروی رانش نیرویی است که در جهت حرکت هواپیما و توسط موتور هواپیما تولید می‌شود.
2- نیروی مقاومت (پسا) در جهت خلاف حرکت هواپیما ایجاد می‌شود و نتیجه حرکت هواپیما در داخل سیال است.
3- نیروی برا در جهت بالا بردن هواپیما بکار رفته و نتیجه حرکت بال هواپیما درون سیال است.
4- نیروی وزن یا جاذبه برخلاف جهت نیروی برا بوده و نتیجه اثر جاذبه زمین بر روی هر شیئی است.
نیروی رانش نسبت مستقیمی با نیروی مقاومت (پسا) دارد هرچه نیروی رانش و سرعت بیشتری داشته باشیم نیروی مقاومت بیشتری خواهیم داشت. نیروی رانش با بیشتر گاز دادن بیشتر می‌شود.
برای بوجود آوردن نیروی برا لازم است که سطوح پروازی طوری طراحی شود که ضمن داشتن حداقل مقاومت در مقابل جریان هوا نیروی برای کافی جهت بلند شدن از سطح زمین را نیز داشته باشد. بدین منظور Air Foil (بال هواپیما) طراحی شد که سطح بالایی آن بیشتر از سطح زیرین آن می‌باشد. با توجه به این طراحی و خواص چسبندگی سیالات ، باد نسبی که در لبه حمله A/F شکافته می‌شود باد نسبی روی A/F سرعت بیشتری نسبت به سطح زیرین آن دارد و با توجه به قانون برنولی (فشار کمتر سرعت بیشتر) از این رابطه نیروی برا تشکیل می‌شود.
90 درصد از نیروی برای بوجود آمده ، از فشار کم سطح روی A/F می‌باشد.
یکی از راههای افزایش نیروی برا افزایش نیروی زاویه حمله می‌باشد. در این حالت جهت برخورد باد نسبی به لبه حمله بال تغییر پیدا کرده و در واقع بادی که از روی A/F عبور کرده همچنان مسافت بیشتری را طی می‌کند در نتیجه سرعت بالاتر بر روی A/F و فشار استاتیک کمتر که نهایتا" Lift بیشتری به ما می‌دهد.
لبه حمله بال را نمی‌توان به مقدار نامحدود اضافه کرد زیرا در اثر افزایش بی‌اندازه زاویه لبه حمله باد نسبی که از روی A/F عبور کرده متلاطم می‌شود و دیگر آن خاصیت موردنظر افزایش برا را ندارد که اگر A/F‌ در این حالت بماند به نقطه واماندگی (Stall) نزدیک می‌شود.
نیروی مقاومت به دو دسته تقسیم می‌شود :
1- نیروی مقاومت بوجود آمده (Induce Drag) که در اثر حرکت هواپیما بوجود می‌آید.
2- نیروی مقاومت بوجود آمده در اثر اصطکاک با هواپیما (Skin Fraction Drag) این نیروی مقاومتی است که در اثر ناهمواریهایی که در روی بدنه و بال هواپیما - زاویه نصب بال - محل نصب پنجره و درب‌های هواپیما بوجود می‌آید.
عوامل تکان خوردن هواپیما
1- تاثیر دما روی سطوح مختلف : یکی از عواملی که باعث بالا و پائین رفتن هواپیما بطور ناگهانی در پرواز نزدیک به سطح زمین می‌شود اثر دما روی سطوح مختلف می‌باشد. معمولا" این تشعشعات حرارتی تا ارتفاع دو هزار پایی از سطح زمین محسوس است. از دو هزار پا به بالا معمولا" حس نمی‌شود.
2- دود حاصل از سوختن جنگل و دود حاصل از کارخانه‌ها و ...
چون این دودها نیروی بالارونده دارند و اگر به هواپیما برخورد کنند هواپیما را به ناگهان تکان می‌دهند.
3- حرکت کردن پشت هواپیمای سنگین‌تر از خود .
علت تکانهای هواپیما در ارتفاع بالا
1- تغییر ناگهانی سمت و جهت باد
2- عوامل جوی
3- منطقه پروازی

محورهای هواپیما (محورهای فرضی)

بطور کلی هواپیما حول 3 محور حرکت می کند :
1- محور طولی Longitudinal Axis
این محور خطی فرضی است که از نوک هواپیما به انتهای آن کشیده می‌شود. گردش حول محور طولی باعث می‌شود که هواپیما عمل گردش به چپ یا راست را انجام دهد. به این عمل ROLLمی‌گویند.
2- محور عرضی Horizontal Axis
این محور خطی فرضی است که از نوک یکبال به نوک بال دیگر آن وصل می‌شود. گردش حول محور عرضی هواپیما باعث خواهد شد هواپیما بالا و پایین برود. به این عمل PITCH می‌گویند. (Pitch up/down)
3- محور عمودی Vertical Axis
این محور خطی فرضی است که از مرکز ثقل هواپیما (Center of Gravity – C/G) می‌گذرد و دو نقطه دیگر را در یک نقطه قطع می‌کند. حرکت حول محور عمودی سبب می‌شود هواپیما بطور افقی گرایش به چپ یا راست داشته باشد. به این عمل YAW (گرایش) گفته می‌شود.
گرایش یا سر خوردن به سمتی را YAW‌گویند. در حالت yaw فقط دماغ هواپیما به سمت چپ و یا راست تغییر می‌کند و محور عمودی ثابت است.
مرکز ثقل هواپیما نقطه‌ایست فرضی بر روی محور طولی هواپیما که تمامی وزن هواپیما در آن متمرکز است و نقطه تعادل نیز نامیده می‌شود.
سطوح فرامین پروازی
بطور کلی سطوح فرامین پروازی به دو دسته تقسیم می‌شوند :
1- سطوح فرامین پروازی اولیه Primary Flight Control
2- سطوح فرامین پروازی ثانویه Secondary Flight Control

* سطوح فرامین پروازی اولیه عبارتند از سطوحی که باعث پرواز هواپیما حول سه محور خود می‌شوند :
الف) شهپرها Ailerons
ب) سکان افقی Elevator
ج) سکان عمودی Rudder‌ ( دو نوع است : ثابت ، متحرک )
د) ثبات‌دهنده‌ها Stabilizer

شهپرها : زائده‌هایی هستند در دو سر بال ( قسمت پشت دو سر بال ) که بطور عکس نسبت به یکدیگر حرکت کرده و باعث گردش هواپیما حول محور طولی می‌گردد. نوع و طرز کار شهپرها در هر هواپیما فرق می‌کند و تنها هواپیمای بوئینگ 707 است که بصورت کابلی باقی مانده است. در بوئینگ 727 و 747 در هر بال دو شهپر وجود دارد آنکه در نوک بال است برای سرعت‌های پایین و دیگری برای سرعت‌های بالا استفاده می‌شود.
سکان افقی : زائده‌هایی در انتهای بالچه عقب هواپیماست که باعث می‌شود هواپیما حول محور عرضی حرکت کند. سکان افقی برخلاف شهپرها هر دو در جهت هم حرکت می‌کنند.
به هنگام Take off و Landing مورد استفاده قرار گرفته و باعث می‌شوند عقب هواپیما سنگین‌ شده و نوک هواپیما بالا بیاید.
سکان عمودی متحرک : زائده‌هایی در قسمت انتهایی سکان عمودی ثابت می‌باشد که باعث می‌شود هواپیما حول محور عمودی حرکت کند. Rudder‌ فقط حول محور عمودی حرکت می‌کند.
ثبات‌دهنده‌ها : A/F است که در قسمت انتهایی هواپیما قرار داشته و مرتبط با سکان افقی هواپیما بوده و هواپیما را حول محور عرضی کنترل می‌کند و همچنین کمک‌دهنده سکان افقی می‌باشند.
* سطوح فرامین ثانویه سطوحی هستند که در پیشبرد بهتر کنترل پروازی کمک می‌کنند که عبارتند از :
الف) فلپ‌ها Flap
ب) Speed Brake یا Lift Pumper
ج) Slat یا Leading Edge Flap Ano

فلپ‌ها Flap : زائده‌هایی هستند در قسمت پشت بال که جهت افزایش سطح ایرودینامیکی بال و در نتیجه افزایش نیروی برا در یک سرعت مشخص می‌باشد.
فلپ‌ها بالا و پایین نمی‌شوند بلکه بصورت کشوئی داخل بال شده و خارج می‌شوند. هنگامی که هواپیما روی باند نشست فلپ‌ها بیرون‌ آورده شده و باعث کاهش سرعت می‌شوند.
Speed Brake‌ یا Lift Pumper‌ : عموما" برای کاهش سرعت هواپیما چه در هوا و چه در روی زمین بکار گرفته می‌شوند متشکل از زائده‌هایی نصب شده بر روی بال یا دم هواپیما می‌باشند. speed brake بر روی دم هواپیماست و lift pumper‌ بر روی بال هواپیماست که موقع فرود باز شده و مقداری از سرعت هواپیما را می‌کاهد.
Slat یا Leading Edge Flap Ano : زائده‌هایی هستند که در لبه حمله بال قرار دارند که آنها هم جهت افزایش سطح ایرودینامیک و در نتیجه افزایش برا مورد استفاده قرار می‌گیرند. معمولا" هواپیماهای سنگین دارای آن می‌باشند. شماره‌گذاری یا درجه‌بندی نداشته و هنگام بلند شدن و فرود آمدن فقط مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ملخ هواپیما
نیروی رانش ایجاد می‌کند نیروی Lift مثبت به سمت جلو را ایجاد می‌کند. وقتی که ملخ می‌چرخد هوا را می‌شکافد و هوا از روی A/F عبور کرده و نیروی Lift‌ ایجاد کرده و هواپیما را به جلو می‌برد.
__________________________________________________ _________

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:1 |
دروس تخصصي اجباري گرايش ديناميک پرواز و کنترل:
کد درس
نام درس
تعداد واحد
ساعت در هفته
پيشنياز يا همنياز
جمع
نظري
عملي
401
مکانيک پرواز پيشرفته
3
51
51
رياضيات پيشرفته 1 يا همزمان و مکانيک پرواز 2
402
هدايت و ناوبري 1
3
51
51
ديناميک پرواز پيشرفته
403
اندازه گيري و تخمين پارامترهاي پرواز
3
51
51
--
404
تئوري کنترل بهينه
3
51
51
رياضيات پيشرفته 1
405
سيستمهاي کنترل ديجيتالي
3
51
51
کنترل پيشرفته يا همزمان
406
کنترل پيشرفته
3
51
51
--


دروس تخصصي اختياري گرايش ديناميک پرواز و کنترل:


کد درس
نام درس
تعداد واحد
ساعت در هفته
پيشنياز يا همنياز
جمع
نظري
عملي
441
تئوري ابزارآلات دقيق هواپيما و فضاپيماها
3
51
51
--
442
شبيه سازي پروازي
3
51
51
مکانيک پرواز پيشرفته
443
هدايت و ناوبري 2
3
51
51
هدايت و ناوبري 1
444
مديريت تکنولوژي هوافضا
3
51
51
--
445
آئروديناميک هواپيماهاي *
3
51
51
آئروديناميک پيشرفته
446
ديناميک پرواز و کنترل فضاپيماها
3
51
51
رياضيات پيشرفته 1
447
کنترل آماري
3
51
51
رياضيات پيشرفته 1
448
اويونيک
3
51
51
--
449
سيستمهاي کنترل تطبيقي
3
51
51
کنترل فرآيندهاي تصادفي، سيستمهاي کنترل چند متغيره يا کنترل پيشرفته
450
سيستمهاي کنترل چندمتغيره
3
51
51
--
451
صدا و ارتعاش (منابع صدا، اغتشاشات صوتي)
3
51
51
ارتعاشات سيستمهاي ممتد
452
اندازه گيري پيشرفته
3
51
51
--
453
ديناميک پرواز موشک
3
51
51
رياضيات پيشرفته 1



+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 20:0 |
اهمیت پرواز در زاویه حمله بالا
چکيده
در اين مقاله دلايل تاريخي روي آوردن طراحان هواپيماهاي جنگنده به ايجاد قابليت پرواز در زواياي حمله بالا براي
ساخته هايشان تشريح مي گردد. در نهايت روي اين نتيجه تاکيد مي گردد که پرواز در زاوبه حمله بالا يکي از مولفه هاي اساسي برتري در نبرد هوايي و در نتيجه يکي از ويژگيهاي الزامي براي جنگنده هاي نوين است.

اگر عملکرد موفقترين جنگنده هاي حال حاضر مورد بررسي قرار گيرد ، عموما در همه آنها قابليت پرواز در زواياي حمله بالا يافت مي شود. اساسا ضرورت پرواز در زاويه حمله بالا چيست؟ حال که زاويه حمله بالا هواپيما را به واماندگي نزديک مي سازد و آيروديناميک را پيچيده مي سازد (و همچنين محاسبات را) پس اساسا منطقي نيست که از آن دوري شود؟ اين دقيقا همان تفکري است که در عصر ميلاد هوانوردي بر دنيا حاکم بود.{مرجع1} در سال 1908 برادران رايت يک بار به دليل پرواز با زاويه حمله بيش از حد مجاز کنترل را از دست دادند و هواپيمايشان دچار سانحه گشت. از آن زمان تا جنگ جهاني دوم سوانح زيادي به خاطر واماندگي، از دست دادن کنترل هواپيما و يا اسپين به وقوع پيوست. حداکثر زاويه حمله قابل دسترسي در آن دوران بين 12 تا 17 درجه بود. طراحان هواپيما تمرکز خاصي روي پديده اسپين و شيوه هاي پيش گيري از آن داشتند.
پس از جنگ جهاني دوم و تا دهه 50 ميلادي طراحان، به ويژه در ايالات متحده، که کشور پيشرو در طراحي جنگنده ها بود، به اهميت پرواز با سرعت بالا و در ارتفاع حداکثر توجه نمودند؛ در حقيقت ويژگيهاي فوق براي ساخت هواپيماهاي رهگير ضروري بودند. با توليد اولين موتورهاي جت، طراحان توانستند سرعت حداکثر هواپيماها را بالا ببرند؛ سپس براي نخستين بار با توجه به ميراث آيروديناميکي آلمانها، عقبگرد[1] (در برخي منابع فارسي براي اين کلمه پس خميدگي نيز به کار رفته است) به بالها داده شد و نسبت منظري بالها نوعا از حدود 6.5 به عددي در حدود 3.5 و يا کمتر کاهش يافت. اين تغييرات براي پرواز مافوق صوت اجتناب ناپذير بودند. اين تغييرات باعث شد که نوعا شيب منحني ضريب برآ کاهش يابد و در عوض زاويه واماندگي بالا برود. اما تصوري که از نبرد هوايي در آن زمان وجود داشت، اين بود که هواپيماها با شليک موشک دوربرد مي توانند در خارج از گستره ديد[2] يکديگر به نبرد بپردازند و اينچنين هرگز نبرد هوايي نزديک و در گستره ديد[3] شکل نخواهد گرفت و به تدريج و با گذشت زمان اين شکل از نبرد منسوخ خواهد شد.
به همين علت در هواپيماهايي که در آن دوره طراحي گشتند مثل F-104، F-105 و F-4 براي برتري در نبرد هوايي نزديک، چندان تلاشي صورت نگرفته بود. همزمان اين تفکر که پرواز در زواياي حمله بالا خطرناک و در نتيجه نامطلوب است همچنان وجود داشت و محدود کننده هاي مصنوعي[4] نظير کنترل کننده هاي دسته فرمان[5] در هواپيما تعبيه مي گشتند تا در صورت غفلت خلبان زاويه حمله به طرز خودکار کاهش داده شود.
در دفاتر طراحي سراسر دنيا، يک اصل پايه اين مطلب بود: "از زاويه حمله بالا بپرهيز". تا انتهاي اين دوره، يعني زماني که جنگنده هاي نسل سوم وجود داشتند، برتري در نبرد هوايي در گستره ديد را نرخ چرخش ماندگار[6](dψ/dt) تعيين مي نمود. (شکل1) يعني زماني که دو هواپيما با يکديگر مواجه مي شدند، دور زدن آغاز مي گشت و هر يک از آنها که موفق مي شد سريعتر در پشت حريف قرار بگيرد قادر بود نخست شليک کند و در نبرد پيروز باشد. دليل اين دور زدن اين بود که موشکهاي موجود از نوع Tail-Aspect بودند و فقط نسبت به پشت هواپيماي حرف حساس بودند.

شکل1- يک نبرد کلاسيک

در دهه هاي 60 و 70 ميلادي، در تفکر طراحان انقلابي به وقوع پيوست. در حقيقت تا آن زمان تمرکز انديشه ها روي جبران واماندگي و اسپين[7] قرار داشت. اما اين دو پديده هر دو معلول از دست دادن کنترل به خاطر پرواز در زاويه حمله بالا بودند؛ پس طراحان به اين فکر افتادند که به جاي مبارزه با معلول با علت مبارزه کنند، يعني به فکر افتادند که هواپيما را در برابر اثرات نامطلوبي که در زواياي حمله بالا رخ مي دهد مقاوم سازند. از طرفي ديگر با رشد فن آوري و تجهيزات اوينيکي نظامي[8] که امکان دفاع و فرار در مقابل شليک موشک از راه دور را فراهم مي ساختند، طراحان متوجه شدند که حتي در نبردهاي آينده و بسيار پيشرفته، حرف اول را مبارزه در گستره ديد خواهد زد و اين تفکر درستي بود. از طرفي تجربيات عملي متعددي ثابت کرده بودند که شناسايي هواپيما از راه دور بسياري از اوقات غير ممکن مي شود. در جنگ ويتنام، F-4 ها بسياري از اوقات براي شناسايي بهتر مجبور مي شدند که به هواپيماي دشمن نزديک شوند و ضعف مانور آنها در برابر Mig-17 ها، که غالبا در برابر آنها قرار مي گرفتند باعث سقوط بسياري از آنها شد. Mig-17 ها جثه کوچک تري داشتند و مي توانستند به زاويه حمله بالاتري دست يابند. از طرفي در دور زدنها، قابليت پرواز در زاويه حمله بالا، شعاع دور زدن را کاهش مي داد و بسياري از مانورها نظير اوجگيري[9] را تسهيل مي نمود. به همين خاطر توجهات روي مطالعه آيروديناميک زواياي حمله بالا و کنترل در اين محدوده متمرکز گشت و اولين جنگنده ها با قابليت پرواز در زاويه حمله بالا نظير F-14 و F-15 متولد گشتند.پس از آنها F-16، F/A-18،
Mig-29 و Su-27 باز هم تکنولوژي هاي جديدتري را نظير لکس[10] براي کنترل پديده هاي نامطلوب آيروديناميکي در زواياي حمله بالا به نمايش گذاشتند. در اواخر دهه 80 و اوايل دهه 90 ميلادي طراحان متوجه شدند که حداکثر آهنگ دور زدن[11] براي هواپيماها با توجه به تحمل انسان ميزان تقريبا مشخص و ثابتي است و لذا براي بالا بردن سرعت مانورهاي جنگي به جستجوي راههاي ديگر رفتند. در حقيقت در مانورهاي سريع اين دوره، مستقل از محدوديتهاي سازه اي بار مداوم قابل تحمل انسان ميزان مشخص در زمان مشخصي بود. پس کلا طراحان و نخبگان نبرد هوايي، وارد اين عرصه از تفکر شدند که به جاي بار زياد، قدرت مانور را به طرز مافوق تصوري بالا ببرند و با مانوررهاي سريع دشمنان را در تيررس[12] خود قرار دهند. در اين زمينه رفتن به زواياي حمله بالا و حتي بالاتر از واماندگي، بسيار موثر مي نمود. مانور هربست[13] يا دور جي[14](وقتي که تغيير هدينگ[15] غير از 180 درجه باشد) يکي از شيوه هاي جايگزين دور زدن است که سرعت اين امر را بسيار بالا مي برد و با اتکا به قابليت پرواز در زاويه حمله بالا انجام مي گيرد. مانور کبري[16] در عوض يکي از مانورهاي در زاويه حمله بالاست که هواپيماهاي شرقي قادر به اجراي آن هستند و توسط پوگاچو[17] پايه ريزي گشت و فرضا يکي از استفاده هاي آن رهاندن هواپيما از موشکهاي دوربرد است و البته در نبرد در فاصله نزديک[18] مي تواند موجب برتري گردد. از ميان مانورهاي ديگر با زاويه حمله بالا مي توان هوک[19] را نام برد که در حقيقت همان کبري است فقط در حين دور زدن اجرا مي گردد و در نتيجه زاويه حمله تبديل به سرش جانبي مي گردد. از ميان ديگر مانورهاي مشرقي مي توان به "کولبيت"[20] يا همان دور 360 درجه حول محور y بدنه و همچنين "کالاکل"[21] يا مانور ناقوسي شکل که نوعي ترمز با شتاب فوق العاده بالا در هوا است ياد نمود.

نتيجه گيري
به طور کلي مي توان گفت که طراحان به اين باور رسيدند که قابليت پرواز در زاويه حمله بالا، مي تواند برتري نامحدودي را از لحاظ مانور و عمليات ايجاد کند. همانطور كه اشاره گشت در نسلهاي چهارم و سپس پنجم جنگنده ها، مولفه اصلي طراحي، برتري در نبرد هوايي در گستره ديد گشت و به همين خاطر روي مولفه هاي اساسي زير تمركز انجام گرفت{مرجع 2}:
مانور پذيري[22] كه عبارتست از توانايي يك هواپيما در تغيير بردار مسير پرواز[23]. مانور پذيري انرژي[24] كميتي است مربوط به حالت پايدار كه با رسم سرعت چرخش هواپيما نسبت به سرعت يا ماخ تعيين مي گردد يا با رسم تراست مازاد[25] نسبت به سرعت چرخش به دست مي آيد.
چابكي[26] كه توانايي تغيير وضعيت هواپيما از يك مانور به مانور ديگر است. متناسب است با عكس زمان گذار از مانوري به مانور ديگر(يا مشتق زماني تغيير شتاب) و صرفا در ارتباط با حركت انتقالي يك نقطه در سه درجه آزادي مطرح مي گردد.
ابر مانورپذيري[27] يعني همان چابكي در شرايطي كه زاويه حمله در حدود زاويه حمله واماندگي يا حتي بيش از آن باشد.
برتري تاكتيكي در نبرد هوايي كه خود مشتمل بر:
الف) رهگيري دشمن
ب) جهت گيري بدنه به گونه اي كه بتوان سلاحها را روي دشمن قفل[28] نمود
ج) بهبود مسير شليك و ويژگيهاي تسليحات
البته در نسل چهارم و به ويژه نسل پنجم، هواپيما اجتماعي است از تکنولوژيهاي جديد در همه زمينه ها و ويژگيهاي ديگري نظير پنهانکاري، توانايي پرواز مافوق صوت طولاني مدت بدون استفاده از پس سوز[29] و ... اما تمرکز اساسي روي موارد 1 الي 4 است که در بالا ذکر گشته اند.
هواپيماهاي زير برخي از هواپيماهاي غربي هستند که با فلسفه قابليت پرواز در زواياي حمله بالا طراحي شده اند : F-15 STOL و .F/A-18 همچنين مي توان برنامه هاي تحقيقاتي X-29 و X-31 و X-36 به خصوص هارو[30] را نام برد. نمونه اي ديگر از تکنولوژي هاي نوين به کار گرفته در ساخت اين جنگنده ها امکان تغيير امتداد اثر بردار نيروي پيشرانه[31] است. شکل2 نمايانگر روند تغييرات فناوري به کار رفته در جنگنده هاي آمريکايي است.

شکل2- روند تغييرات فناوري به کار رفته در جنگنده هاي آمريکايي{مرجع3}


+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 19:59 |
نيروي برآر در هواپيما
در هواپيما اختلاف فشار هوائي كه از روي بال و زير بال مي‌گذرد ايجاد نيروي برآر مي‌كند و با خنثي شدن نيروي وزن، هواپيما به پرواز درمي‌آيد.

بر هواپيمائي كه در حال پرواز يك‌نواخت و مستقيم است چهار نيرو وارد مي‌شود:

نيروي پيش‌رانش كه هواپيما را به جلو مي‌برد.

نيروي برآر ناشي است از شكل بال هواپيما و سرعت هواپيما و همچنين زاويه قرار گيري بال هواپيما نسبت به جريان هوا و هواپيما را به بالا مي‌برد.

نيروي پسار يا نيروي مقاوم هوا كه جهت آن رو به عقب هواپيما است و همواره در مقابل نيروي پيش رانش قرار دارد و مقدار آن بستگي به شكل بال هواپيما و سرعت هواپيما و همچنين زاويه قرار گيري بال هواپيما نسبت به جريان هوا دارد.

نيروي وزن كه هواپيما را به پائين مي‌كشاند.

نيروي پيش‌رانش در خلاف جهت نيروي پسار است و نيروي وزن هواپيما در خلاف جهت نيروي برا قرار دارد. اگر نيروي پيش‌رانش بزرگ‌تر از نيروي پسار يا مقاومت هوا نباشد هواپيما دچار واماندگي خواهد شد و همچنين براي پرواز بايد نيروي برآر از نيروي وزن بيشتر باشد تا هواپيما بتواند از زمين بلند شده و پرواز كند. وزن هواپيما ثابت است (بدون در نظر گرفتن وزن سوخت) ولي در شرايط مختلف پرواز نيروهاي ديگر (نيروي برار و نيروي پسار و نيروي پيش‌رانش) ممكن است تغيير نمايند. مثلاً در هنگام اوج گيري كه زاويه هواپيما نسبت به افق بيشتر است نيروي پسار هم بيشتر خواهد بود. اگر توان موتور يا نيروي پيش‌رانش نتواند نيروي پسار ايجاد شده در اثر افزايش زاويه پرواز هواپيما را جبران كند، هواپيما دچار واماندگي خواهد شد. همچنين نيروي برار هم با افزايش سرعت هواپيما افزايش خواهد يافت و با ارتفاع گرفتن هواپيما در اثر رقيق شدن هوا (در صورت ثابت بودن سرعت هواپيما) كاهش مي يابد.

برآر يا نيروي برآر، نيرويي است كه در اثر حركت ماهيواره در شاره (سيال) ايجاد مي‌شود. پرواز هواپيما در اثر نيروي برآري است كه حاصل از شكل مقطع آيروديناميكي بال‌ آن است، كه اصطلاحاً مقطع ماهيواره دارند، نيروي برآر بال هواپيما به عواملي مانند سرعت هواپيما، مساحت بال، چگالي هوا، و شكل ماهيوارهٔ بال بستگي دارد و مطابق با فرمول زير محاسبه مي‌شود.

كه در اين فرمول:

ρ( V^2) S C(L) = 2L

L نيروي برآر هواپيما،
ρ چگالي هوا،
V سرعت پرواز هواپيما،
S مساحت بال، و
(C(L ضريب برآر است.
برآر را در فارسي «برآ» هم مي‌گويند. واژه «برآر» پيشنهاد فرهنگستان است

پسار برآيند تمام نيروهائي است كه هنگام حركت جسم صلب در شاره در جهت مخالف حركت آن عمل مي‌كنند. اين نيرو را معمولاً مقاومت هوا نيز مي‌گويند، هرچند اين اصطلاح دقيق نيست. پسار القايي درگ القايي نوعي از نيرو ميباشد كه در اثر نيروي برا بوجود مي آيد.هنگامي كه بال با زاويه حمله صفر پرواز ميكند نيروي پسا ر القايي نداريم و پسار موجود تماما يك نيروي اضافي و صرفاً مقاوم است.هنگامي كه زاويه حمله افزايش مييابد بال يك نيرو ايجاد ميكند,مولفه هايي از اين نيرو كه با باد نسبي موازي است پسار القايي ناميده ميشود. همان طور كه ميدانيد وقتي كه بال نيروي ليفت ايجاد ميكند جريان باد را بصورت يك مسير منهني منحرف ميكند.نيروهاي منتجه هنگامي كه با هم جمع شوند نيروي عكس العمل كل را تشكيل ميدهند.اگر نيروي عكس العمل كل درست عمود بر جريان نسبي باد باشد آن وقت نيروي ليفت بدون پسار القايي خواهد بود.اما عملا هيچگاه ميگويد كه بال با بوجود آوردن down wash نيروي ليفت ايجاد ميكند.به عبارت ديگر با عبور هوا از روي بال جريان هوا به سمت پايين منحرف ميشود.نيروي ليفت نيروي عكس العمل در برابر اين حركت به سمت پايين ميباشد.پس down wash منشا اصلي وجود درگ القايي است. عوامل موثر بر روي پسار القايي 1)نماي افقي بال نماي افقي بال مهم‌ترين فاكتور طراحي براي تعيين مقدار پسار القا شده است.معمولاً پيش بيني ميشود كه يك بال با پهناي بلندتر جريان باد را بيشتر به سمت پايين منحرف ميكند تا يك بال با پهناي كوتاهتر.اين خود up wash بزرگ‌تري را در جلوي بال ايجاد ميكند اما اگر طول بال را بلندتر انتخاب كنيم آنگاه كمترين نيروي درگ القايي را خواهيم داشت. 2)زاويه حمله با افزايش زاويه حمله نيروي ليفت بيشتري خواهيم داشت و در نتيجه در انتهاي بال down wash بيشتري خواهيم داشت.با افزايش يافتن down wash ميدان فشاري كه دور بال در حال چرخش است و گرداب هاي نوك را نيز در بر ميگيرد قدرت بيشتري پيدا ميكند كه باعث افزايش up wash و در مهايت درگ القايي ميگردد. 3)زاويه sweep هواپيماي داراي بالهاي جارويي(همگرا)در موقعيت استال جريان هواي بيشتري را به سمت بالها همگرا ميكند.اين عمل به بزرگ‌تر شدن up wash در جلوي بال جارويي نسبت به بالهاي مستقيم مي انجامد و در نتيجه آن زاويه درگ القايي و همچنين زاويه حمله بزرگ‌تر در هنگام استال خواهيم داشت. با محاسبات رياضي نه چندان پيچيده ميتوان فرمولي را براي محاسبه درگ القايي ارايه كرد: D(i)=[2]W2/#peV2b2 با عرض پوزش قرارداد هاي زير را درباره فرمول بالا بپذيريدچون كه علايم جديدي در رياضيات اختراع كردم چون كامپيوترم برنامه فرمول نويسي نداشت: i داخل پرانتز به عنوان زيروند است براي D و در مجموع D با زيروند i معرف درگ القايي است. 2 داخل كروشه ضريب است وبجز آن هر عددي كه ميبينيد معرف توان است. W وزن هواپيماست برحسب نيوتون. / يعني تقسيم.

همان عدد پي است كه هيچ شباهتي با نماد يوناني آن ندارد.

p همان رو يا چگالي هوا است بر حسب Kg/m2. V سرعت هواپيماست برحسب Km/h. b طول بال برحسب m و e عدد كارايي اسوالد است كه براي بالهاي بيضوي 1 وبراي ساير بالها بين0.7 تا 0.9 است برحسبN2h2m/Km2Kg(كه باز هم اعداد توان هستند)عنوان پيوند. واژه «پسار» از پيشنهادات فرهنگستان است و در بيشتر متن‌هاي هوانوردي فارسي به آن «پسا» مي‌گفتند.هواپيما با بال ثابت بيشتر هواپيماهاي امروزي به‌ويژه هواپيماهاي مسافري در اين دسته جاي دارند.

منظور از بال ثابت آن است كه بال هواپيما (بر خلاف هليكوپتر) فقط در اثر پيش‌رانش نيروي برآر ايچاد مي‌كند. اگرچه بال در بعضي هواپيماها براي جاگيري كمتر يا ملاحظات هواپويشي ممكن است باز و بسته شود ولي اين‌گونه هواپيما را نيز داراي بال ثابت مي‌شمارند چون باز وبسته شدن بال ايجاد نيروي برآر نمي‌كند.هواپيما با بال ثابت

بيشتر هواپيماهاي امروزي به‌ويژه هواپيماهاي مسافري در اين دسته جاي دارند.

منظور از بال ثابت آن است كه بال هواپيما (بر خلاف هليكوپتر) فقط در اثر پيش‌رانش نيروي برآر ايچاد مي‌كند. اگرچه بال در بعضي هواپيماها براي جاگيري كمتر يا ملاحظات هواپويشي ممكن است باز و بسته شود ولي اين‌گونه هواپيما را نيز داراي بال ثابت مي‌شمارند چون باز وبسته شدن بال ايجاد نيروي برآر نمي‌كند.

شهپرهاي هواپيماها در چند نوع هستند از جمله شهپرهاي برآفزا كه به افزايش نيروي برآ (نيروي بالابرنده) در پرواز كمك مي‌كنند و شهپرهاي برآكُش كه از نيوري برآ جلوگيري مي‌كنند.
+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 19:58 |
نیروهای آیرودینامیک
نيروی آيروديناميک




بطور خيلی خلاصه جريان هوايی که آز روی يک جسم عبور کند نيروی آيروديناميک ايجاد می کند.به عبارت ديگر نيروی آيروديناميک در اثر وزش باد بر روی يک جسم توليد می شود .اين جسم م تواند تير چراغ برق يک آسمان خراش پل هواپيما و يا کابل فشار قوی باشد.اما بازتاب نيروی آيروديناميکی که ايجاد می شود بستگی به شکل اين جسم خاص که در معرض وزش باد قرار گرفته دارد .اگر جسم پهن و دارای زاويه های تند باشد در باد مقاومت می کند و در جهت وزش باد خم می شود.اما اگر دارای زاويه های خميده و يا نيم دايره باشد مانند کابل برق به طرف چپ يا راست و در جهت باد حرکت می کند.اما اگر نيم رخ جسم به گونه ای باشد که به باد اجازه دهد به راحتی از سطوح آن عبور نمايد .مانند دماغه کشتی جسم همچنان در جای خود باقی می ماند .اينها مواردی هستند که در ساختن آسمان خراش ها ياعبور کابهای فشارقوی از دره ها و مناطقی که بادهای شديد می وزند رعايت می شود. نيروهای آيروديناميکی شامل ۴ نيرو می باشند که عبارتند از:برا -وزن- پساورانش- برای اينکه متوجه بشيم هواپيما چگونه پرواز می کند بايد شناخت کاملی از اين نيروها داشته باشيم.امروز فقط برا را می نويسم و دفعه بعد سه مورد ديگه رو می نويسم.

برا- یوتی اف

نيروی برا نيرويی است که باعث بالا رفتن هوايما يا هليکوتر می شود . برای اينکه اين نيرو ايجاد شود بايد جسم مورد نظر شکل خاصی داشته باشد .مطلوب ترين شکل به صورت يک قطره آب می باشد .به عبارت ديگر يک طرف جسم حالت نيم دايره داشته و طرف مقابل آن به صورت يک زاويه تند خواهد بود .اکنون اگر اين جسم به گونه ای در جريان هوا قرار گيرد که باد از آن سمت جسم که حالت نيم دايره دارد بوزد و از طرف مقابل که زاويه تندی دارد جسم را ترک کند نيروی برا ايجاد خواهد شد.تعدادی از مولکولهای هوا پس از برخورد با لبه جلويی جسم مورد نظر به طرف بالا وتعدادی ديگر نيز به طرف پايين متمايل می شوند .هر دو گروه مولکولها می بايستی در انتهای اين جسم به گونه ساخته شود .که سطح بالايی آن انحنای بيشتری داشته باشد. (که در نتيجه مساحت آن نيز بيشتر از سطح زيرين خواهد بود).مولکولهايی که از سطح بالايی عبور می کنند می بايستی با سرعت بيشتری حرکت کنند تا با حرکت کنند تا با مولکولهايی که از سطح زيرين که مساحت کمتری دارد عبور می کنندهمزمان به انتهای جسم مورد نظر برسند . به اينترتيب تراکم مولکولی در سطح بالای جسم خيلی کمتر ازان در سطح زيرين خواهد بود.اين عمل باعث کاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پايين خواهد بود.يکی از تعريفهای برنولی دانشمند سوئيسی چنين عنوان می کنند که با افزايش سرعت يک سيال (هوا يا آب) از فشار آن نيز کاسته می شود.و اين همان چيزی است که در اين مورد بخصوص مشاهده می شود.حال که فشار هوا در قسمت بالای جسم کاهش می يابد يک خلا نسبی ايجاد می شود که جسم را به طرف خود می کشد واين خلا نسبی همان نيروی برا می باشد که باعث بالا رفتن هواپيما می شود.هر چقدر سرعت هواپيما بيشتر باشد مقدار خلا نسبی نيز بيشتر می شود .البته در اين حالت زاويه برخورد هوا با ليه جسم نقش مهمی در ميزان توليد نيروی برا دارد.

منبع:air-university.blogspot.com

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 19:58 |

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

+ نوشته شده توسط رضا کارگر در جمعه نهم مهر 1389 و ساعت 19:11 |