ایربوت – جلسه دوم

ایربوت – جلسه دوم

اهداف:
آشنایی با مبانی آیرودینامیک

وسایل مورد نیاز: ----

آیرودینامیک چیست؟
آیرودینامیک یکی از شاخه­ های علم هوافضا و در حقیقت مهمترین آن­هاست. آیرودینامیک را می­ توان به زبان ساده، علم حرکت نسبی اجسام در هوا و مطالعه ­ی جریان هوا در اطراف آن­ها دانست. این تعریف به این معناست که هر جسمی که در حال حرکت درون جو زمین است که از قوانین آیرودینامیک تبعیت می­ کند؛ همچنین بر طبق تعریف فوق هنگامی که هوا از کنار یک جسم ثابت می­ گذرد، این اتفاق نیز تحت تاثیر قوانین آیرودینامیکی است. به عنوان مثال می­ توان حرکت یک خودروی در حال حرکت یا عبور تندباد از کنار یک برج را در نظر گرفت. تصاویر زیر شبیه ­سازی جریان هوا در اطراف یک خودرو و برج را به شما نشان می­ دهد.
با دقت در تعریف علم آیرودینامیک و مثال­ های فوق می ­توان دریافت که حوزه­ی وسیعی از زندگی روزمره از تفریح و سرگرمی تا ساخت و ساز و علوم پیشرفته با این علم درگیر هستند. به همین دلیل نرم ­افزارهای شبیه ­ساز بسیاری برای مدل کردن رفتار جریان و اجسام در کنار یکدیگر توسعه یافته ­اند تا برای ساخت اجسام مختلف به مهندسین کمک نمایند.

تاریخچه علم آیرودینامیک به قرن هفدهم و تلاش انسان برای پرواز برمی ­گردد. در آن سال­ ها پیشگامان پرواز که در تلاش جهت یافتن راهی برای به پرواز در آوردن انسان بودند، به سمت تحلیل نیروهای آیرودینامیکی وارد بر ساخته ­های خود رفتند؛ تا آنجا که در سال 1871 اولین تونل باد ساخته شد. تونل باد فضایی است که اجسام درون آن قرار گرفته و جریان هوای تولید شده توسط موتورهای مخصوص با سرعت کنترل شده از روی اجسام حرکت کرده و نیروهای وارد بر جسم مورد تحلیل و بررسی قرار می­ گیرد.

حال بیایید تا نگاهی عمیق ­تر به نیروهای آیرودینامیکی وارد بر یک هواپیما بیندازیم.

به طور کلی و ساده شده دو نیروی آیرودینامیکی اصلی به هواپیمای در حال پرواز و هر جسم متحرک در سیال وارد می­شود: نیروی پسا و نیروی برا.

نیروی پسا (درگ)
برای درک نیروی پسا کافی است در هنگام دویدن دست خود را به طرفین باز کنید، یا اینکه در هنگام حرکت ماشین کمی دست خود را از پنجره بیرون آورید (البته هیچ­گاه این کار را بدون اطلاع والدین و رعایت نکات ایمنی انجام ندهید) تا ببینید که یک نیرو دست شما را به عقب می ­راند. این نیروی مزاحم را پسا یا درگ (Drag) می ­گویند. در حقیقت و به زبان ساده نیروی مقاوم در برابر حرکت جسم درون سیال است. طبیعتا کاهش این نیرو می­ تواند به حرکت و افزایش سرعت هواپیما در آسمان کمک نماید. پس یکی از چالش­ های پیش روی مهندسان هوافضا کاهش نیروی پسا می ­باشد.

نیروی برا (لیفت)
یکی دیگر از نیروهای آیرودینامیکی نیروی برا یا لیفت (Lift) می­باشد. این نیرو عمود بر جهت جریان سیال بر جسم وارد می ­شود. لیفت در لغت به معنای بالابردن و بلند کردن است و این در حقیقت همان کاری است که این نیرو با هواپیما انجام می­ دهد. در حقیقت این نیروست که باعث می ­شود یک جسم سنگین­تر از هوا در آسمان به پرواز درآید.

برای تولید نیروی برا یا لیفت نیاز به سطحی داریم که گذر جریان از روی آن سبب به وجود آمدن این نیرو گردد. در هواپیما بال برای ما این کار را انجام می ­دهد. در حقیقت عبور هوا از روی بال سبب ایجاد دو جریان در بالا و پایین بال می­گردد. به دلیل شکل خاص سطح مقطع بال که ایرفویل یا بالواره نامیده می ­شود، سرعت جریان در روی بال نسبت به جریان زیر بال افزایش می ­یابد. در علم سیالات قانونی به نام برنولی وجود دارد که به صورت معادله ­ی زیر بیان می­ شود:
P + 1/2ρv2 + ρgh = ثابت

در این معادله P ،v ،ρ ،h و g به‌ترتیب برابر با ارتفاع، چگالی، سرعت، فشار و شتاب گرانشی هستند. با توجه به اینکه در هنگام عبور جریان از روی بال هواپیما تمام این مولفه­ ها به جز فشار و سرعت جریان ثابت هستند و طرف راست معادله نیز ثابت می ­باشد، پس فشار و سرعت جریان با یکدیگر نسبت عکس داشته و افزایش و کاهش یکی از آن­ها موجب کاهش یا افزایش دیگری می­ گردد.

به زبان­­ ساده، هنگامی که سرعت جریان روی بال افزایش می ­یابد، فشارش نسبت به جریان زیر بال، که اکنون دارای سرعت کمتری است، کاهش می ­یابد. به همین دلیل افزایش فشار جریان در زیر بال سبب ایجاد یک نیروی رو به بالا در بال هواپیما شده که همان نیروی برا یا لیفت مورد نظر ماست.

نیروی برا در ساخت قطعات و وسایل صنعتی دیگری همچون پره ­های توربین باد، ملخ­ ها، پره ­های بالگرد و حتیماشین­ های فرمول یک نیز کاربرد دارد.

نیروهای غیرآیرودینامیکی درگیر در هواپیما و صنعت هوافضا

نیروی وزن
همانطور که می­ دانید این نیرو که ناشی از جرم جسم و شتاب گرانش زمین است به هر جسم در محدوده گرانش کره زمین وارد می ­شود. طبیعتا نیروی وزن نیرویی مزاحم در هنگام پرواز بوده و باید به دنبال راهی برای غلبه بر آن باشیم که همانگونه که در بالا توضیح داده شد از نیروی برا برای غلبه بر آن کمک می ­گیریم.

نیروی پیشرانش (تراست)
همان گونه که می ­دانید برای حرکت هر جسم به سمت جلو نیاز به یک نیروی پیشران داریم. معمولا در اجسام متحرک همچون خودرو یا هواپیما این نیرو توسط یک یا چند موتور تامین می ­شود. این نیروی رو به جلو که در راستای حرکت جسم اثر می ­کند نیروی پیشرانش یا تراست نامیده می ­شود. در هواپیما این نیرو توسط موتورهای توربوفن (جت) یا توربوپراپ (ملخی) تامین شده که باعث حرکت هواپیما به سمت جلو می­ گردند.

همان­گونه که می ­توان حدس زد نیروهای وارد بر هواپیما دو به دو در خلاف جهت یکدیگر می­ باشند، به بیان دیگر نیروی وزن در مقابل نیروی برا قرار داشته و نیروی پسا در خلاف نیروی پیشرانش قرار دارد. به شکل زیر دقت کنید.