العلم وراء أجنحة الطائرة

بينما يلتقي نيوتن مع بيرنولي ، فإن الحساسية الجوية هي التي تبقيك على قيد الحياة.

بقلم عمر بريستويتش

هل هناك من لم يتساءل قط كيف تطير طائرة بالفعل؟

المشكلة في البحث عن الأشياء عبر الإنترنت هي عدم وجود خوارزمية تحدد كمية الهراء التي يتم كشفها في مواقع الويب. لذلك ، عندما يحاول شخص ما فهم حقيقة ما يحدث في تحلق الطائرات ، يحدث عادة واحد من أمرين:

أ) تحصل غارقة بشكل لا يصدق مع المعلومات المثيرة للجدل ، أو

ب) أنت ببساطة تقبل أن هناك قوة دفع وسحب ورفع ووزن وهذا كل ما تعرفه بالتأكيد.

المصدر: ناسا

أنا أقول هذا لأنه حدث لي.

ولكن بعد بعض الخبرة والتحليل والأبحاث المتعمقة ، إليك شرح بسيط إلى حد ما للأساسيات الكامنة وراء الديناميكا الهوائية الجناحية.

على المستوى المجهري ، فإن القوى المذكورة أعلاه هي بالفعل ما يجعل الطائرة تطير. النظر في الفيزياء الأساسية:

  • الدفع> السحب: أنت تسارع
  • رفع> الوزن: أنت ترتفع
  • السحب> الدفع: أنت تبطئ
  • الوزن> الرفع: تصلي

هذا بسيط كما يحصل.

يتم إنشاء الدفع بواسطة محرك الدفع. السحب بسبب مقاومة الهواء. الوزن بفضل الجاذبية. ولكن كيف يمكنك توليد المصعد؟

في الواقع ، يحدث السحر على الأجنحة وفهم الصورة الكبيرة ، نحتاج أولاً إلى النظر في المستوى المجهري.

بعض نظرية ديناميكا الموائع

يقولون عندما تكون هناك إرادة ، هناك طريقة. في ديناميات الموائع ، عندما يكون هناك انخفاض في الضغط ، هناك أيضًا طريقة. تنتقل السوائل عادة من الأماكن ذات الضغط العالي إلى المناطق الواقعة تحت الضغط المنخفض. هذا هو الأساس الذي يجعل حركة السوائل داخل الأنابيب! يعاني التدفق من فقدان مستمر للضغط بسبب احتكاك الجدار ، وبالتالي P1> P2 ، وبالتالي يتم إنشاء قوة صافية تحافظ على استمرار التدفق إلى الأمام:

المصدر: هندسة LMNO

هذه الظاهرة هي الكأس المقدسة للعديد من التطبيقات الهندسية التي تنطوي على تدفق السوائل. ضعها في اعتبارك إذا كنت تريد فهم التدفقات: فالمائع لديه ميل للانتقال من الضغط العالي إلى الضغط المنخفض!

لذلك ... الطائرات!

تصور نفسك على أنك جسيم جوي سلبي ينظر إلى الطائرة.

تتحرك الطائرة للأمام بسرعة عالية بسبب الدفع وتطير باستمرار في الهواء الثابت.

تعرف على Airfoil ، عرض مقطع لجناح الطائرة:

المصدر: explainthatstuff

1. كل شيء يتعلق بالضغط

عندما تصادف جزيئات الهواء الجزء الأمامي من الجناح ، سينقسم الهواء في اتجاهين: إلى أعلى وأسفل الحافة الأمامية.

في ما يلي الوحي الأول: يتم إنشاء المصعد جزئيًا لأن متوسط ​​كفاف الضغط في أسفل الجناح أعلى من الضغط الموجود في الجزء العلوي.

وهنا السبب:

Airfoil في تجربة نفق الرياح. المصدر: لا تمتص الأجنحة

عندما يصطدم الهواء بالجناح ، فإن السطح السفلي سيثني الهواء ، ويدفعه للأمام وللأسفل ، مما يزيد من الضغط أسفل الجنيح (الأسهم الحمراء والبرتقالية في الصورة).

يحدث الشيء نفسه ، للحظات ، على السطح العلوي: تتشكل موجة صدمية عندما يضرب الهواء الحافة الأمامية للجناح ، مما يزيد الضغط عند طرف الجنيح (الأسهم الوردي والأصفر).

هذا هو بالضبط نفس تأثير أمواج البحر التي من عند طرف قارب متحرك إلى الأمام.

ولكن بمجرد أن يسافر الهواء "هبوطًا" إضافيًا من الجناح ، فإنه يواجه المنطقة "المخفية" التي لا تتعرض للهواء الداخل الديناميكي ، نظرًا لارتفاع زاوية الهجوم (AoA):

المصدر: Quora (مكيفة)

هذه المنطقة عادة ما تكون أرق من الحافة الأمامية ، مما يخلق نوعًا من "الفجوة" كي "يملأ" الهواء ، وهذا التغيير المفاجئ في الاتجاه وزيادة المساحة للتدفق الوارد يؤدي إلى انخفاض الضغط.

عند هذه النقطة ، سوف يتسارع الهواء في هذا السطح "المخفي" نتيجة لانخفاض الضغط الذي عانى منه ، وبالتالي فإن خطوط السطح العلوي للجناح تصل إلى الحافة الأمامية أولاً مقارنة بخطوط التدفق الجانبية:

Airfoil في تجربة نفق الرياح. المصدر: تدفق الهواء عبر الجناح

هذا يمكن أن يرتبط مع مبدأ برنولي! ينص مبدأ برنولي على وجود علاقة عكسية بين الضغط والسرعة في تدفق السائل. كلما كان التدفق أسرع ، انخفض ضغط جزيئات السائل.

2. جيل الرفع: إنه طفل نيوتن

تدرجات الضغط المذكورة في نهاية المطاف تكون جيدة لسبب واحد صلب: كل فعل يخلق رد فعل معاكس ، مثل قانون نيوتن الثالث (الكرمة).

  • إذا كانت تدرجات الضغط تولد قوة ضغط صافية بسبب ميل السائل إلى الانتقال من الضغط العالي إلى الضغط المنخفض ، فإن الجنيح يعاني من قوة صافية صاعدة بسبب متوسط ​​فرق الضغط بين السطح العلوي والسفلي.
  • ينحني الجناح بالهواء نحو الأسفل وبالتالي فإن الجناح الصلب يبذل قوة هبوطية للأمام وللأمام. وفقًا لقانون نيوتن الثالث ، سيطبق السائل بالتالي قوة موجهة للأعلى والخلف على الجناح ، القوة الناتجة:
المصدر: الطيران

حيث يسمى المكون لأعلى Lift والمكون للخلف ، Induced Drag.

الآن لكي نفهم تمامًا لماذا هذا ممكن ، من المهم مراعاة السبب في أن الهواء لا يزال في الواقع مرتبطًا بسطح الجناح. فكرت في ذلك؟

3. الهواء يتبع شكل الجناح و ... يلتصق به ؟!

قل مرحباً لقانون باسكال.

يكون الهواء المحيط بالطائرة بقيمة ضغط مميزة لارتفاع معين. دعنا نسميها ببساطة الضغط الجوي.

ينص قانون باسكال على أن الضغط المطبق على جسيم المائع ينتقل بالتساوي في جميع الاتجاهات ، مما يعني أن سطح الجناح بأكمله يتعرض باستمرار للضغط من الجو الجوي المحيط به.

الهواء لزج بشكل طبيعي ، وهذا يعني أنه لزج ويريد أن يثبت على كل سطح ويجد ما يسمى طبقة حدودية.

المصدر: كيف تطير الأشياء

إذا لم يكن الهواء لزجًا ، فلن تكون هناك طريقة للطيران على الإطلاق لأنه سيتجاهل ببساطة أي سطح بدلاً من العمل عليه.

لهذا السبب يمكن أن يحدث تحطم الطائرة عندما يتشكل الجليد على أجنحة الطائرة: إنه سيفصل الطبقة الحدودية عن السطح ويخلق كشك هوائي.

وبالتالي،

  • الضغط الجوي الذي يعمل على الأجنحة + لزوجة الهواء الطبيعي = حل لغز: يحافظ التدفق على السطح.

يمكنك أيضًا ربط هذه الظواهر بقانون نيوتن الأول: ستستمر هيئة تتحرك في اتجاه معين في التحرك في مسارها ما لم تتصرف قوة خارجية عليها.

مضحك كيف تتصل الأشياء مع بعضها البعض.

حافظ على الفضول!