چرا هواپیماها در هوا می مانند

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1009

سپاس: 676

جنسیت:

تماس:

چرا هواپیماها در هوا می مانند

پست توسط rohamjpl »

مقاله ای از ساینتیفیک آمریکن خواندم با عنوان "هیچ کس نمی تواند توضیح دهد که چرا هواپیماها در هوا می مانند". این مقاله توضیح می‌دهد که چگونه، در حالی که می‌دانیم چگونه پرواز را ایجاد کنیم (مثلاً با هواپیما)، هنوز نمی‌دانیم که چرا فشار پایین‌تری بالای بال وجود دارد و به هوای بالای بال اجازه می‌دهد تا سریع‌تر جریان داشته باشد و در نتیجه بالابر ایجاد شود. . اگر به این موضوع اهمیت می دهید، مقاله ای که من به آن اشاره می کنم را بخوانید، این مقاله دو تئوری رقیب را برای توضیح اینکه چرا فشار هوا بالای بال هواپیما در هنگام پرواز کمتر است، ارائه می دهد. همچنین نشان می دهد که چگونه هر دو نظریه ناقص هستند.از نظر فنی، تنها یک راه وجود دارد که هواپیما بدون حرکت در هوا معلق بماند: اگر وزن و بلند کردن به طور کامل یکدیگر را خنثی کنند، و در همان زمان رانش و کشیدن همدیگر را خنثی کنند. اما این فوق العاده نادر است. برای ماندن در هوا و حفظ پرواز خود، یک هواپیما باید به جلو حرکت کندنکته مهم یک هواپیما در حین پرواز می تواند سرعت خود را کاهش داده و سرعت خود را کاهش دهد. ساده ترین راه برای انجام این کار کاهش میزان نیروی رانشی است که موتورها تولید می کنند. این امر باعث کاهش تقریباً فوری سرعت هوا می‌شود، به‌ویژه اگر هواپیما همان ارتفاع را حفظ کند.
همچنین وسایلی به نام ترمز هوا و اسپویلر وجود دارد که می توان از آنها برای کاهش سرعت بیشتر استفاده کرد. با این حال، اینها هرگز در پروازهای معمولی و سطحی توسط هواپیماهای مسافری 2 استفاده نمی شوند و معمولاً فقط برای کاهش سرعت در مراحل فرود و فرود هواپیما استفاده می شوند.
اگر یک هواپیما سرعت خود را بیش از حد کاهش دهد، مطمئناً متوقف می شود و به شدت شروع به سقوط می کند، در این زمان معمولاً سرعت هوا نیز دوباره افزایش می یابد. کندترین سرعتی که یک هواپیما می تواند در یک ارتفاع معین بدون توقف حفظ کند در پاکت پرواز آن ذکر شده است.برای من جالب بود که ما هنوز این را درک نمی کنیم، بنابراین تصمیم گرفتم کمی در مورد آن فکر کنم. ،فقط یک دانشجوی هوافضا هستم وباید بدانم ولی بازم اون چیزی که فکر میکنم نیست. همانطور که گرانش پوشش هوا را به سطح زمین در آغوش می‌گیرد، چیزی که فیزیکدانان شیب چگالی می‌نامند در هوا ایجاد می‌شود. هوای نزدیک به زمین توسط گرانش کشیده شده و توسط هوای بالاتر در آسمان فشرده می شود. این امر باعث می شود هوای نزدیک به زمین متراکم تر و فشار بیشتری نسبت به هوا در ارتفاعات بالاتر داشته باشد.
در این توضیح، فکر می‌کنم آنچه می‌گوید این است که هوایی که به زمین نزدیک‌تر است به هم نزدیک‌تر است. در آن به " گرادیان چگالی " اشاره می‌شود، و من این مفهوم را به این معنا تفسیر می‌کنم که هرچه به لبه جو ما نزدیک‌تر می‌شوید (از سطح زمین شروع می‌شود)، هرچه بالاتر و بالاتر می‌روید، هوا کمتر و کمتر متراکم می‌شود. بنابراین اگر هوا تحت نیروی گرانش اینگونه رفتار می کند و هواپیما در حال پرواز در هوا است، به این معنی است که همانطور که به طرفین رانده می شود (همانطور که بال های آن از طریق هوا بریده می شوند)، به طور طبیعی، آن را از هم جدا می کند. گرادیان چگالی هوا (که فکر می کنم می تواند مستقیماً با فشار هوا نیز مرتبط باشد - هوای متراکم تر، هوای نزدیک به زمین، فشار بالاتری دارد، و هوای متراکم کمتر، هوای دورتر از زمین، فشار کمتری دارد). با گفتن این، فکر می‌کنم می‌توانم بگویم، چون بال هوا را قطع می‌کند، دلیلی وجود ندارد که هوا را طوری برش ندهد که در اطراف بال وضعیتی ایجاد کند، جایی که فشار کمتری وجود دارد. در بالای بال، و فشار بیشتر در زیر بال (حتی اگر فقط یک تفاوت کوچک باشد - نیروی زیادی در این وضعیت به طرفین توسط هواپیما اعمال می شود)، بنابراین امکان بلند شدن را فراهم می کند. هیچ دلیلی وجود ندارد که هوایی که بالاتر است (هوای ذاتاً چگالی کمتر) از زیر بال عبور کند، زیرا در حال حاضر بالای هوای متراکم تر (هوائی که از قبل به زمین نزدیک تر است) قرار دارد که توسط گرادیان چگالی توصیف می شود. . به نظر من این تصور از این ایده حمایت می کند که فشار کمتری در بالای بال هواپیما وجود دارد (که به هوا اجازه می دهد تا با سرعت بیشتری بالای بال حرکت کند) و فشار بیشتری در زیر آن وجود دارد. همه چیزهایی که گفتم کاملاً بدیهی به نظر می رسد و به نظر می رسد از این ایده حمایت می کند که بالابر در هر موقعیتی که در آن چیزی به صورت افقی در هوا با سرعتی که می تواند هر نیروی دیگری را که ممکن است در آن عمل می کند رد کند، ذاتی خواهد بود.
اولا، هوای گرم بالا می رود، بنابراین یک گرادیان چگالی در تقابل با گرانش وجود دارد. این امر باعث ایجاد مناطقی می‌شود که در آن‌ها عملاً شیب چگالی وجود ندارد، و در نتیجه هیچ بالابری، تحت ایده‌ای که در بالا ذکر شد، وجود ندارد.
ثانیاً، یک هواپیمای مسافربری مدرن دارای عمق بال است، گرادیان چگالی جو زمین بسیار بسیار کمتر از این است، بنابراین این هواپیماها به طور واقعی در هوایی که شیب چگالی ندارد پرواز می کنند.
من ابتدا سؤال را همانطور که فهمیدم خلاصه می‌کنم، تا اگر اشتباه می‌کنم بتوانید سریعاً بدون نیاز به مطالعه زیاد سؤال را اصلاح کنید. در اینجا آمده است:تصویر
(الف) یک هواپیما همچنین می تواند فرود بیاید یا ارتفاع خود را در همان جو پایین بیاورد همانطور که می تواند ارتفاع خود را افزایش دهد. پایین رفتن نیازی به سوخت/تلاش بیشتری نسبت به بالا رفتن ندارد، که اگر شیب چگالی آن را شناور نگه می داشت، انتظار می رفت. توجه داشته باشید که من فرض می کنم هیچ تغییری در سرعت در اینجا وجود ندارد.
(ب) ممکن است یک هواپیما خیلی نزدیک به زمین پرواز کند، جایی که اختلاف چگالی بسیار کم است (چگالی اتمسفر در واقع به طور خطی با ارتفاع تغییر نمی کند).
دلیلی برای طراحی ایرفویل و برای ایلرون های انعطاف پذیر وجود دارد، این است که می توانند جهت جریان هوا را در بالا و پایین بال تغییر دهند. این جهت‌های جریان هوا در واقع تفاوت فشار را ایجاد می‌کنند و به روشی که اساساً شبیه آنچه شما پیشنهاد می‌کنید، بالابر ایجاد می‌کنند. فقط این که از طراحی ایرفویل ناشی می شود و نه تفاوت های چگالی طبیعی.
چرا هواپیما واقعا پرواز میکند اگر فشار کم (فشار منفی) در بالای بال وجود نداشته باشد، جریان هوا به سمت پایین حرکت می کند؟ بدیهی است که به سمت پایین حرکت نخواهد کرد. بالابر بال از فشار کم در بالای بال و فشار بالا در پایین بال حاصل می شود. حرکت رو به پایین جریان هوا تنها نتیجه فشار زیاد و کم است. چرا بالای بال کم فشار است؟ زیرا جریان هوا تمایل دارد در جهت عادی بال خارج شود. چرا پایین بال بالاست؟ زیرا جریان هوا در جهت طبیعی بال نزدیک می شود. جهت حرکت جریان هوا
همه چیز در فیزیک هواپیما با "هوای هواپیماها به سمت پایین رانده می شود، بنابراین هوا هواپیماها را به سمت بالا می راند
در این مورد می‌توانیم تخمین فشار قوچ را انجام دهیم:از آنجایی که تغییر در مؤلفه های تکانه عمودی و افقی است (با فرض اینکه سرعت جریان تقریباً ثابت بماند):
$\Delta p_v = p_b \sin\theta;\quad\quad\Delta p_h = p_b \,(1-\cos\theta)$
در همان زمان، بال منحرف کننده یک منطقه مسدود کننده موثر برای سیال αAsinθ ارائه می دهد
که در آن A مساحت واقعی بال و α یک ضریب مقیاس برای توضیح این واقعیت است که در حالت پایدار نه تنها سیال درست در کنار بال مختل می شود، به طوری که منطقه موثر بال بزرگتر از مساحت واقعی آن خواهد بود. بنابراین، جرم هوای منحرف شده در هر ثانیه $\alpha\,A\,\sin\theta$ و بالابر L و درگ D است.
(که نیرویی که موتورها باید در هنگام برخاستن تحمل کنند) باید باشد:
$L = \rho\,\alpha\,A\,v^2\,(\sin\theta)^2;\quad\quad D = \rho\,\alpha\,A\,v^2\,(1-\cos\theta)\, \sin\theta$
اصلاح مدل ریاضی
توجه به این نکته حائز اهمیت است که شرح فوق از نظر تفاوت حرکت بین هوای ورودی و فرونشست ایجاد شده توسط بال دقیقاً همان فیزیک توصیفات "محبوب تر" ارائه شده در رابطه با معادله برنولی و ادغام فشار در اطراف است. بال. این به راحتی قابل مشاهده است: معادله ناویر-استوکس (برای استخراج معادله ناویر-استوکس به صفحه ویکی‌پدیا مراجعه کنید)، کاربرد بسیار ساده‌ای از قوانین دوم و سوم نیوتن برای حجم‌های بی‌نهایت کوچک از سیال است. دانش در مورد ویژگی‌های ریاضی بنیادی آن (همانطور که با وضعیت نامعلوم جایزه هزاره ریاضیات خاک بیان می‌شود: من عاشق معادله ناویر-استوکس هستم- ایده‌ای که به این سادگی و به آسانی درک می‌شود، تنها تجسمی از قوانین نیوتن است، و در عین حال رازهای عمیقی را مطرح می‌کند که نشان می‌دهد. ما دانشمندان چقدر در مورد جهان اطلاعات کمی داریم). معادله ناویر استوکس حالت پایدار برای یک سیال کامل و تراکم ناپذیر است (اینجا$\vec{v}$میدان سرعت حالت پایدار و p است
میدان فشار اسکالر):
$(\vec{v}\cdot \nabla) \vec{v} = \nabla \left(\frac{|\vec{v}|^2}{2}\right) + \nabla\wedge(\nabla\wedge\vec{v}) = -\nabla p$
که $\nabla\left(p + \frac{|\vec{v}|^2}{2}\right) = 0$ را می دهد
یا p+|v⃗ |22=const برای یک جریان غیر چرخشی $\nabla\wedge\vec{v} = \vec{0}$ هنگامی که در امتداد منحنی انتگرال $\vec{v}$ ادغام می شود، یعنی یک خط جریان. یا، در عوض، می‌توانیم در این مورد ساده به روشی اصول اولیه‌تری استدلال کنیم: نیروی وارد بر حجم بی‌نهایت $-\nabla p$ است و شتاب یک ذره روی خط جریان، با استفاده از فرمول‌های Serret-Frenet (در اینجا s طول قوس در امتداد خط جریان از طریق ذره و κ است
انحنای مسیر):
$\mathrm{d}_t (v \hat{\mathbf{t}}) = \mathrm{d}_s v \times \mathrm{d}_t s\, \hat{\mathbf{t}} + v\,\mathrm{d}_s(\hat{\mathbf{t}})\,\mathrm{d}_t s=v\,\mathrm{d}_s v, \hat{\mathbf{t}} - \kappa\,v^2\,\hat{\mathbf{n}}=\mathrm{d}_s \left(\frac{v^2}{2}\right)\, \hat{\mathbf{t}} - \kappa\,v^2\,\hat{\mathbf{n}}$
از این رو، با اعمال $\vec{F} = m \vec{a} \Rightarrow -\nabla p \,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z = \rho\,\vec{a}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z$
، ما گرفتیم:$-\nabla p = \rho \left(\mathrm{d}_s \left(\frac{v^2}{2}\right)\, \hat{\mathbf{t}} - \kappa\,v^2\,\hat{\mathbf{n}}\right)$که دوباره $p + \frac{|\vec{v}|^2}{2} = const$ هنگامی که در امتداد یک خط جریان ادغام می‌شود را به دست می‌دهد (در اینجا می‌توانیم نیروی مرکزگرای جانبی (عادی تا ساده) $-v^2\,\hat{\mathbf{n}} / R$ را که توسط $v^2/R$ داده شده مشاهده کنیم.
فرمول). بنابراین ما می‌توانیم (و در زیر، برای مثال، قضیه بلاسیوس را برای محاسبه ارتفاع اعمال کنیم، و مطمئن باشیم که این چیزی نیست جز کمی کردن ایده اسکلیوو که "هواپیماها هوا را به سمت پایین می راند، بنابراین هوا هواپیماها را به سمت بالا می راند". اختلاف فشار بین سطح بالایی و پایینی یک بال به این دلیل است که بال هوا را به سمت پایین فشار می دهد، نه یک پدیده جداگانه. اغلب می شنویم که اصل برنولی که در مورد بال ها اعمال می شود اشتباه است: این درست نیست. یک مغالطه (که در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت) همانطور که توسط آزمایش (و با تکان دادن دست، توسط تئوری) نشان داده شده است در نمایش متعارف بالابر با استفاده از اصل برنولی وجود دارد، اما این ایده اساساً درست است، همانطور که باید از اشتقاق آن از معادله ناویر-استوکس و قوانین نیوتن در بالا نشان داده شده است.
محاسبات آئروفویل جوکوفسکی و خطاها در کاربرد انحرافی اصل برنولی در بالها
ما به محاسبه دوبعدی بالابر بر اساس اصل برنولی، یا به طور معادل، با استفاده از قضیه بلاسیوس نگاه می کنیم. تصور غلط رایج در اینجا این است که جریان هوا در لبه جلویی بال شکافته می شود و دو ذره همسایه به طور همزمان به لبه عقب مانده بال می رسند، به طوری که ذرات بالایی باید سطح منحنی را با سرعت های بالاتر و در نتیجه فشار روی سطح بال بالایی را طی کنند. کمتره. در واقع، سرعت ذرات مسیر بالایی بسیار بیشتر از این توضیح است که به لبه عقب مانده بال نزدیکتر از همسایه های مسیر پایین تر خود می رسند. این واقعیت نشان می‌دهد که گردش خون $\oint_\Gamma \vec{v}\cdot\mathrm{d}\vec{r}$اطراف سطح بال Γ
غیر صفر است،
). همچنین به سؤالات Physics SE Finding Stagnation Points از پتانسیل پیچیده مراجعه کنید.
تصویر
در طول پرواز چهار نیرو بر هواپیما وارد می‌شود. این نیروها عبارت‌اند از: نیروی وزن، نیروی لیفت (بَرا، برآر یا بالابرنده)، نیروی پیشران یا جلوبرنده و نیروی دِرَگ (پسا یا مقاومت هوا). یکی از موضوعات مورد بحث، علت ایجاد نیروی لیفت است.
دو تئوری رقیب وجود دارد که نیروها و عوامل لیفت را آشکار می‌کند. اما هر دوی این توضیحات ناقص هستند.
هنوز توضیحات مختلفی درمورد آنچه لیفت را ایجاد می‌کند، وجود دارد، که هرکدام طرفداران خود را دارد. در این نقطه از تاریخ پرواز، موقعیت کمی گیج‌کننده است. این در حالی است که فرایندهای طبیعی تکامل بدون ذهنیت، به‌طور تصادفی و بدون هیچ درکی از فیزیک کار می‌کنند و مسئله‌ی مکانیکی لیفت آیرودینامیکی را مدت‌ها پیش برای پرندگان پروازی حل کرده‌اند. چرا باید توضیح چیزی که پرندگان و هواپیماها را در هوا نگه می‌دارد، تا این اندازه برای دانشمندان دشوار باشد؟
نیروی های وارد بر هواپیما
دو تئوری رقیب
هوا یک سیال است و قضیه‌ی برنولی نیز معمولا از دیدگاه دینامیک سیالات بیان می‌شود. به‌طور ساده، قانون برنولی می‌گوید فشار یک سیال با افزایش سرعت آن کاهش پیدا می‌کند و برعکس.
قضیه‌ی برنولی در تلاش است تا لیفت را به‌عنوان نتیجه‌ای از سطح بالایی خمیده‌ی یک ایرفویل توضیح دهد. ایرفویل نام فنی مورد استفاده برای اشاره به بال هواپیما است. طبق این ایده، به‌دلیل این خمیدگی، حرکت هوا در بالای بال از حرکت هوا در سطح پایین بال که هموار است، سریع‌تر است. قضیه‌ی برنولی می‌گوید که افزایش سرعت حرکت هوا در بالای بال با ایجاد منطقه‌ای با فشار پایین در آن ناحیه ارتباط دارد که همان لیفت است.
انبوهی از داده‌های تجربی حاصل‌از خطوط جریان (خطوطی از ذرات دود) در آزمایش‌های تونل-باد، آزمایش‌های آزمایشگاهی روی نازل‌ها و لوله‌های ونتوری و موارد دیگر شواهد بسیاری را فراهم می‌کنند که نشان می‌دهند اصل برنولی درست است. اگرچه، دلایل مختلفی وجود دارد که تئوری برنولی به‌تنهایی توضیح کاملی درمورد لیفت ارائه نمی‌دهد.
اگرچه به‌طور تجربی نیز درمی‌یابیم که هوا در سطح خمیده با سرعت بیشتری حرکت می‌کند، قضیه‌ی برنولی توضیح نمی‌دهد که چرا چنین است. به‌عبارت دیگر، این قضیه نمی‌گوید که در آغاز چگونه سرعت بالاتر روی بال ایجاد می‌شود. توضیحات نامناسب زیادی برای این سرعت بالاتر وجود دارد. براساس رایج‌ترین توضیح، یعنی تئوری «تساوی زمان جابه‌جایی»، بسته‌های هوا (یک توده‌ی فرضی از هوا با ویژگی‌های خاص) که در لبه‌ی جلویی بال (لبه حمله) از هم جدا می‌شوند، باید به‌طور هم‌زمان در لبه‌ی پشتی بال (لبه فرار) مجدد به هم برسند. از آن‌جایی که بسته‌ی بالایی در مدت زمان مشخص، نسبت‌به بسته‌ی پایینی تا فاصله‌ی دورتری می‌رود، پس باید سریع‌تر حرکت کند. استدلال غلط این‌جا است که هیچ علت فیزیکی وجود ندارد که دو بسته باید به‌طور هم‌زمان به لبه‌ی پشتی بال برسند. درواقع، چنین چیزی هم اتفاق نمی‌افتد: طبق واقعیت تجربی، هوای بالایی بسیار سریع‌تر از زمانی‌که در تئوری تساوی زمان جا‌به‌جایی فرض می‌شود، حرکت می‌کند.
اصل برنولی در لیفت هواپیما
بلند شدن یک صفحه کاغذ خمیده وقتی روی یک سمت آن می‌دمید، به‌خاطر این اتفاق نمی‌افتد که هوا با سرعت متفاوتی در دو سمت کاغذ درحال جا‌به‌جایی است. برای نشان دادن این مسئله، روی تکه کاغذ صافی بدمید، برای مثال کاغذی که به شکل عمودی نگه داشته شده است و شاهد باشید که کاغذ به هیچ سمتی حرکت نمی‌کند زیرا فشار در دو سمت کاغذ برابر است؛ با اینکه تفاوت آشکاری در سرعت حرکت هوا در دو طرف آن وجود دارد.
دومین کاستی قضیه‌ی برنولی آن است که نمی‌گوید چگونه و چرا سرعت بالاتر بالای بال به‌جای اینکه فشار بالایی با خود داشته باشد، فشار پایین‌تری به‌همراه دارد. ممکن است طبیعی باشد که فکر کنیم وقتی خمیدگی بال، هوا را به‌سمت بالا می‌راند، آن هوا فشرده شده و منجر به افزایش فشار در بالای بال می‌شود. این نوع تنگنا درزندگی عادی معمولا به‌جای سرعت بخشدن، موجب کاهش سرعت می‌شود. در یک بزرگ‌راه، زمانی‌که دو یا چند خط ترافیک به هم می‌پیوندند و یکی می‌شوند، اتومبیل‌های درگیر سریع‌تر حرکت نمی‌کنند، بلکه کاهش سرعت و حتی راه‌بندان رخ می‌دهد. مولکول‌های هوا که در بالای بال حرکت می‌کنند، این چنین رفتاری ندارند اما قضیه‌ی برنولی علت آن را مشخص نمی‌کند.
پرواز معکوس
مسئله‌ی سوم، قاطع‌ترین استدلال را دربرابر قضیه‌ی برنولی به‌عنوان توضیح کاملی از پدیده‌ی لیفت، مطرح می‌کند: هواپیمایی با سطح بال خمیده در قسمت بالا، قادر به پرواز معکوس است. در پرواز معکوس، سطح خمیده بال به سطح پایین بال مبدل می‌شود و براساس قضیه‌ی برنولی فشار پایینی در ناحیه‌ی زیر بال ایجاد می‌کند. این فشار پایین که به نیروی گرانش افزوده می‌شود، باید بیش از آن که هواپیما را بالا نگه دارد، در پایین کشیدن آن تأثیر داشته باشد.
علاوه‌بر‌این، هواپیماهای دارای سطح مقطع بال متقارن (با انحنای برابر در بالا و پایین بال) یا حتی با سطوح بالا و پایین صاف نیز تا زمانی‌که در زاویه‌ی حمله‌ی مناسبی با باد پیش رو قرار گیرند، قادر به پرواز معکوس هستند. این بدان معنا است که قضیه‌ی برنولی به‌تنهایی برای توضیح این واقعیت‌ها کافی نیست.
تئوری دیگر درمورد لیفت، قانون سوم نیوتن است: اصل کنش و واکنش. این تئوری می‌گوید که بال با راندن هوا به‌سمت پایین، هواپیما را نگه می‌دارد. هوا دارای جرم است و طبق قانون سوم نیوتن، فشار رو به پایین بال منجر به ایجاد فشاری برابر و مخالف به سمت بالا می‌شود که همان لیفت است.
توضیح نیوتن درمورد بال‌هایی با هر شکل، خمیده یا مسطح، متقارن یا نامتقارن صدق می‌کند. این قانون درمورد هواپیمایی که به شکل معمول یا معکوس در پرواز باشد، نیز درست است. نیروهایی که در این پدیده نقش دارند، را از روی تجربه‌ی معمول نیز می‌توان درک کرد. برای مثال زمانی‌که دست خود را از اتومبیل درحال حرکت بیرون می‌آورید و آن را به سمت پیش حرکت می‌دهید، هوا به سمت پایین منحرف شده و دست شما بالا می‌رود. به‌همین دلیل، قانون سوم نیوتن نسبت‌به قضیه‌ی برنولی، توضیحی کلی‌تر و جامع‌تر از لیفت ارائه می‌کند. اما اصل کنش و واکنش نیز به‌خودی‌خود نمی‌تواند فشار پایین‌تر بالای بال را که قطع‌نظر از اینکه بال خمیده باشد یا نه، در آن منطقه وجود دارد، توضیح دهد. تنها زمانی‌که هواپیما فرود می‌آید و متوقف می‌شود، منطقه‌ی فشار پایین بالای بال از بین می‌رود و به فشار عادی محیط برمی‌گردد و فشار در بالا و پایین بال برابر می‌شود. اما تا زمانی‌که هواپیما درحال پرواز است، آن منطقه‌ی دارای فشار پایین عنصری اجتناب‌ناپذیر از لیفت آیرودینامیکی است و باید توضیح داده شود.
توضیحاتی فنی و ریاضی از لیفت در آن‌ها هوا به‌عنوان یک «سیال کامل» درنظر گرفته می‌شد، یعنی تراکم‌ناپذیر بوده و دارای ویسکوزیته‌ی صفر است. این‌ فرضیات غیرواقعی بوده اما شاید برای دانشمندانی که با پدیده‌ی جدید پرواز مکانیکی کنترل‌شده مواجه بودند، قابل درک بودند.
رویکردهای علمی معاصر برای طراحی هواپیماها، قلمرو شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و معادله‌های ناویر استوکس است که ویسکوزیته‌ی واقعی هوا را درنظر می‌گیرند. راه‌حل‌های این معادلات و خروجی شبیه‌سازی‌های CFD، پیش‌بینی‌های توزیع-فشار، الگوهای جریان هوا و نتایجی کمی را حاصل می‌کنند که اساس طراحی هواپیماهای بسیار پیشرفته‌ی امروزی است. با این حال، آن‌ها نیز به‌خودی‌خود توضیحی فیزیکی و کیفی از فرایند لیفت ارائه نمی‌دهند.
درمورد لیفت با این فرض اساسی آیرودینامیک آغاز می‌شود: هوای اطراف بال مانند ماده‌ای پیوسته عمل می‌کند که برای دنبال کردن ناهمواری‌های روی سطح بال هواپیما، تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل به فرم نوار باریک عمیقی از جریان سیال هم در بالا و هم در پایین بال وجود دارد.
ایرفویل فشار را روی منطقه‌ی وسیعی (میدان فشار) متاثر می‌سازد. وقتی لیفت ایجاد می‌شود، ابر پراکنده‌ی کم‌فشاری همیشه بالای بال و ابر پراکنده‌ی پرفشاری نیز معمولا زیر بال ایجاد می‌شود. در محل تماس این ابرها با بال، اختلاف فشاری ایجاد می‌شود که نیروی لیفت را روی بال هواپیما اعمال می‌کند.
میدان جریان روی بال هوایپما
آزمایش کانال-آب در آزمایشگاه مکانیک سیالات ایمز ناسا؛ در این آزمایش از رنگ فلورسنت برای تجسم میدان جریان روی بال هوایپما استفاده می‌شود. خطوط جریان که از راست و چپ حرکت کرده و با برخورد با بال هواپیما خمیده می‌شوند، به نشان دادن فیزیک لیفت کمک می‌کنند
بال‌، هوا را به‌سمت پایین می‌راند و منجر به چرخش هوا درجهت پایین می‌شود. هوای بالای بال نیز مطابق با اصل برنولی سرعت می‌گیرد. علاوه‌براین، ناحیه‌ای با فشار بالا زیر بال و منطقه‌ای با فشار پایین در بالای بال وجود دارد. این بدان معنا است که در توضیح مک‌لین درمورد لیفت، چهار مولفه‌ی ضروری وجود دارد: چرخش رو به پایین جریان هوا، افزایش در سرعت جریان هوا، ناحیه‌ای با فشار پایین و ناحیه‌ای با فشار بالا. اما ارتباط بین این چهار عنصر است که جدیدترین و متمایزترین جنبه از توضیح مک‌لین به شمار می‌رود. او می‌نویسد:
آن‌ها در رابطه علی‌و‌معلولی متقابلی از هم پشتیانی می‌کنند و هیچ‌کدامشان بدون دیگری وجود نخواهد داشت. اختلاف فشار باعث اعمال نیروی لیفت روی بال هواپیما می‌شود، درحالی‌که گردش رو به پایین جریان و تغییر در سرعت جریان این اختلاف فشار را حفظ می‌کند.
همین ارتباط متقابل است که پنجمین عنصر لازم توضیح مک‌لین محسوب می‌شود: عمل متقابل بین چهار عنصر دیگر. این چهار مولفه باعث وجود و بقای یکدیگر می‌شوند و هم‌زمان و به‌طور متقابل یکدیگر را خلق کرده و با هم رابطه‌ی علیتی دارند. او در این باره توضیح می‌دهد که این نمونه‌ای از ارتباط «علت و اثر چرخشی» است. چگونه هر عنصر این تعامل می‌تواند خود بماند و تمام عناصر دیگر را تقویت کند؟ چه چیزی موجب این تعامل متقابل و پویا می‌شود؟ قانون دوم نیوتن درمورد حرکت. قانون دوم نیوتن می‌گوید که شتاب یک جسم یا بسته‌ای از یک سیال، متناسب با نیرویی است که بر آن اعمال می‌شود.
قانون دوم نیوتن به ما می‌گوید وقتی اختلاف فشاری نیروی خالصی را روی یک بسته‌ی سیال اعمال کند، سرعت یا جهت (یا هر دو) حرکت بسته تغییر می‌کند. اما متقابلا، اختلاف فشار به خاطر شتاب بسته وجود دارد و به آن نیز بستگی دارد. مک‌لین توضیح می‌دهد که اگر بال درحالت استراحت بود، هیچ بخشی از این مجموعه‌ی تعاملی تقویت‌کننده وجود نداشت. اما این واقعیت که بال‌ در هوا حرکت می‌کند و هر بسته سیال روی موارد دیگر تأثیرگذار است، این عناصر وابسته‌به هم را به وجود می‌آورد و آن‌ها را در طول پرواز حفظ می‌کند.
هواپیما
هوای پیش‌رونده هم به‌صورت عمودی (نیروی لیفت تولید می‌کند) و هم افقی (نیروی پسا یا درگ تولید می‌کند) روی بال‌ها فشار می‌آورد. فشار روبه بالا به شکل فشار بالاتر زیر بال وجود دارد و این فشار بالاتر نتیجه‌ای از کنش و واکنش ساده‌ی نیوتنی است. اگرچه، همه‌چیز در بالای بال متفاوت است. در آنجا ناحیه‌ای از فشار پایین وجود دارد که بخشی از نیروی لیفت آیرودینامیکی نیز است. اما اگر نه اصل برنولی و نه قانون سوم نیوتن نتواند آن را توضیح دهد، چه چیزی آن را توضیح می‌دهد؟
ما از خطوط جریان می‌دانیم که هوای بالای بال به انحنای رو به پایین بال می‌چسبد. اما چرا بسته‌های هوا که روی سطح بالای بال جریان دارند، باید از انحنای رو به پایین آن پیروی کنند و از آن جدا نمی‌شوند؟
Airplane
در آزمایشگاه مکانیک سیالات ایمز ناسا، خطوط جریان رنگ در کانال آب با یک هواپیمای مدل تعامل برقرار می‌کند
مارک درلا، استاد دینامیک سیالات در مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست و نویسنده‌ی کتاب «آیرودینامیک وسیله نقلیه پروازی» پاسخی ارائه می‌دهد: اگر بسته‌ها با سرعت از سطح بالای بال جدا شوند، زیر آن خلاء تشکیل خواهد شد. این خلاء سپس بسته‌های هوا را به‌سمت پایین می‌کشد تا زمانی‌که فضا پر شود، یعنی تا جایی که هوا دوباره با بال هواپیما مماس شود. این همان مکانیسم فیزیکی است که باعث می‌شود بسته‌های هوا در امتداد شکل بال حرکت کنند. مقدار خلاء جزئی نیز باقی می‌ماند تا بسته‌ها را در مسیر انحنا حفظ کند. این دور کردن یا پایین کشیدن بسته‌های هوا از بسته‌های مجاور بالا است که منطقه‌ی فشار پایین را در بالای بال بوجود می‌آورد. اما اثر دیگری نیز همراه این عمل است: سرعت بالاتر جریان هوا بالای بال. درلا می‌گوید:
فشار کاهش‌یافته روی بالی که درحال بالا رفتن است، به‌طور افقی نیز روی بسته‌های هوایی که از بالادست نزدیک می‌شوند، کشیده می‌شود، به‌طوری که وقتی آن‌ها به قسمت بالای بال می‌رسند، سرعت بیشتری دارند. بنابراین، افزایش سرعت در ناحیه‌ی بالای بالی که درحال بالارفتن است، می‌تواند به‌عنوان اثر جانبی کاهش فشار در آن ناحیه درنظر گرفته شود.I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست