یزدفردا "احمد ابراهیمی :برای پرواز نیاز به نیروی بالابر حاصل از بال می باشد. شکل یک بال را همه دیده اند، اما آنچه در طراحی یک بال خوب با قدرت بالابری بهتر نیاز است، محاسبه نیروی بالابر می باشد.

همه کایتها، گلایدرها، و هواپیماهای سبک بر اساس قوانین ساده فیزیک به پرواز در می آیند. در واقع بر روی یک بال دو نوع نیرو ی جداگانه که هر دو قدرت بالابری آئیرودینامیک دارند، اعمال می گردد. یکی از این نیروها اثر برنولی بوده که مربوط به سطحی است که نیروی بالا بر از آن ایجاد می شود. شکل خمیده سطح فوقانی یک بال مرکز اصلی ایجاد این نیرو است. منبع دیگر ایجاد نیرو، " نیروی بالابر واکنشی " است که در آن حرکت ( نسبی ) باد سبب ضربه زدن به سطح زیرین شده وبه سمت پائین منحرف می گردد. همین امر سبب می شود که پس از برخورد هوا نوعی گشتاور رو به پائین بوجود آید. با توجه به قانون عمل و عکس العمل، یک گشتاور مخالف نیز بر روی بال بوجود می آید که گشتاوری رو به بالا و به همان مقدار است.

نیروی بالابر برنولی :

هوا از روی بال عبور می کند، خواه به دلیل وزش باد ( مانند کایت ) یا به دلیل حرکت خود وسیله به سمت جلو. همچنان که هوا از روی سطح بال عبور می کند، هوائی که از روی سطح خمیده بال عبور می کند ، باید در مقایسه با هوائی که از زیر بال عبور می کند، مسافت بیشتری را طی کند. فرض بر آنست که هوا ی عبوری ، خواه از بالا عبور کند خواه از پائین، باید در انتهای بال باز به یکدیگر برسند، حال آنکه هوائی که از روی بال عبور کرده باید مسافت بیشتری را طی کند و هوائی که از زیر بال عبور نموده یک خط سیر مستقیم را طی نموده است، درنتیجه هوائی که از بالا عبور می کند باید سریعتر حرکت نماید.

در تعریف اثر برنولی گفته می شود که اگر هوائی سریعتر از نمونه دیگر آن حرکت کند، باید بطور طبیعی فشار کمتری داشته باشد. ( به یاد داشته باشید که هوا دارای فشار پیوسته اتمسفری و معادل 15 پوند بر اینچ مربع بوده که از هر جهت بر سطح وارد می گردد). بر این اساس فشار رو به پائین که به سطح بالای بال وارد می آید، اگر با فشار رو به بالای اعمال شده بر سطح زیر بال که دچار تغییر نشده است ، مقایسه کنیم، میزان اختلاف حاصل همان نتیجه نیروی بالابر برنولی بوده که سبب بالا بردن بال می گردد.

محاسبه نیروی بالابر برنولی ساده است! اختلاف فشار حاصل به طریق زیر محاسبه می گردد:

P - Po = 1/2 * r * (V2 - Vo2)

که در آن r چگالی هوا در آن دما و فشار ( که می توان آنرا بطور تقریبی معادل 420/1 فرض کرد ) و سرعتهای V همان سرعتهای نسبی هوا هستند که روی بال (V) و زیر بال (Vo) عبور می کنند

برای نمونه محاسبات را با ارقام انجام می دهیم. فرض کنید که یک گلایدر سطح بالی مساوی 100 فوت مربع داشته باشد، سرعت نسبی هوای مورد انتظار نیز 20 مایل در ساعت (29 ft/sec) بوده و شکل بال به نوعی است که هوا باید بر روی بال 20% مسافت بیشتر را طی نماید. خوب حال ما همه آن چیزهائی که نیاز داریم بدست آورده ایم و می توانیم محاسبه را انجام دهیم:

P - Po = 1/2 * 1/420 * (352 - 292)
P - Po = 1/840 * (1225 - 841) = 384/840 = about 0.46 lb/sq.ft.

حاصل این فرمول عدد تقریبی 0.46 lb/sq.ft بوده که اگر در کل سطح بال ضرب کنید به عددی مساوی 46 پوند می رسید.

از آنجا که یک هواپیما خیلی بیشتر از این مقدار نیرو، وزن دارد، تازه وزن خلبان را نیز باید به آن اضافه کنیم، پس به این نتیجه می رسیم که نیروی برنولی به تنهائی قادر به پرواز دادن یک گلایدر با این سرعت نخواهد بود. به عبارت دیگر ، اگر زاویه حمله بال صفر باشد ( بال تراز باشد) نیروی حاصل اصلا برای بالا نگهداشتن گلایدر کافی نیست. به همین دلیل است که همه وسایل پرنده واقعی بال خود را زاویه داده و به این ترتیب از اثر نیروی ثانویه نیز بهره مند می گردند.

نیروی بالابر واکنشی :

اگر هر نوع سطحی را در مسیر هوای در حال عبور زاویه بدهید، نوعی اثر بالابری بوجود می آید. دلیل اصلی ایجاد چنین نیروئی آنست که هوا بواسطه برخورد با سطح زیرین به سمت پائین منحرف شده و درنتیجه نوعی گشتاور رو به پائین به وجود می آورد. بر طبق قانون سوم نیوتن که می گوید هر عمل را عکس العملی است مساوی با آن و در جهت مخالف آن، باید به سطح بال نیز نوعی گشتاور رو به بالا و مساوی همان مقدار رو به پائین وارد آید. هرچه زاویه حمله بیشتر شود، مقدار این نیرو نیز افزایش می یابد، تا نقطه ای که به آن زاویه stall گفته می شود که در این زاویه اثرات کششی و مقاومت اغتشاش، بزرگتر از مقدار نیروی بالابرنده شده و درنتیجه بال خاصیت خود را از دست می دهد و هواپیما مانند یک قطعه سنگ سقوط خواهد نمود. این یک وضعیت خیلی بد بوده و هر خلبان با مقدار این زاویه در پرنده خود آشنا بوده و تلاش می کند که از آن اجتناب نماید.



باز به سراغ مثال خود می رویم :

نیروی بالابرنده واکنشی برای زوایای کوچک حمله به قرار زیر است:

P = 1/2 * r * Vo2 * 2 * p * sin (زاویه حمله)
P = 1/2 * 1/420 * 292 * 2 * 3.14 * sin(a)
P = 1/840 * 841 * 6.28 * sin(a)
P = 6.28 * sin(a)

حال اگر زاویه حمله را عدد 30 درجه فرض کنیم، نیروی حاصل مساوی :

P = 6.28 * 0.500 = 3.14 pounds/sq. ft

در نتیجه گلایدر ما نیروئی معادل 3.14 ضربدر 100 یا معادل 314 پوند نیروی بالابرنده از این نوع خواهد داشت.

حاصل این دو نیرو عددی حدود 360 پوند می گردد. در نتیجه ما اکنون نیروی لازم برای پرواز گلایدر و خلبان را داشته و قادر به پرواز خواهیم بود.

بهینه سازی:

در مدلهای متعارف گلایدری معمولا از یک لایه پارچه پلاستیکی بعنوان بال استفاده شده که همان سطح بالائی بال را پوشش می دهد. در نتیجه همچنان که از فرمولهای فوق نیز می توان نتیجه گرفت، حرکت هوا در زیر بال مسیر مستقیم و کوتاهتر را طی ننموده بلکه بر عکس به داخل حفره زیر بال نفوذ نموده و ضمن ایجاد اغتشاش در حرکت هوا ، مقاومت نیز ایجاد خواهد نمود. این موضوع بویژه با افزایش سرعت بیشتر مشهود می گردد. البته در هواپیما ها این موضوع رعایت شده و سطح زیرین بال کاملا صاف و مسیر مستقیم طراحی شده است.

بسیاری تصور می کنند استفاده از یک لایه دیگر بعنوان سطح زیرین تنها سبب افزایش وزن گلایدر می شود و در مجموع نیروهای بالابرنده اثری نخواهد داشت. در حالیکه لایه زیرین با تصحیح مسیر حرکت هوا در زیر بال، سبب می شود تا مقاومت ناشی از اغتشاش به حداقل رسانیده شده و از سوی دیگر مقدار نیروی برتولی نیز در حد اکثر ممکن باقی بماند که هر دوی این موارد جبران کننده افزایش وزن کل گلایدر خواهند بود.

البته سالها ست که مدلهائی از گلایدر دارای لایه زیر بال تولید شده و استفاده می شود. گفته می شود این نوع گلایدرها دارای نسبت سریدن 15:1 بوده در حالیکه نسبت سریدن گلایدر های بدون لایه زیرین 8:1 تا 10:1 می باشند.

معمولا پوشش بالهای گلایدر از پارچه هائی به نام " داکرون بادبانی = Dacron sailcloth " تهیه می شود. همچنین از Mylar/Dacron laminates نیز بعنوان پوشش گلایدر ها استفاده می گردد.

  • نویسنده : یزد فردا
  • منبع خبر : خبرگزاری فردا