هواپیما چگونه پرواز می کند؟
بی تردید پرواز از یک گوشه دنیا به سوی دیگر، آن هم تنها در عرض چند ساعت یک امتیاز بزرگ محسوب میشود. امتیازی که تنها یک قرن از بوجود آمدن آن میگذرد. بشر از قرنها پیش با الهام گرفتن از طبیعت، به فکر ابداع ابزاری برای رسیدن به آرزوی پرواز بوده است. به طوری که در گذشته افراد بسیاری در تلاش بودند تا با استفاده از طرحهایی مشابه با بال پرندگان، بتوانند رویای پرواز را به ثمر برسانند. سرانجام پس از گذشت سالها برادران رایت موفق به اختراع هواپیما شدند، اتفاقی که در آن، دست به کاری زدند که امروز نزدیک به 10هزار هواپیما تنها در آمریکا در یک روز، بال به آسمان میگشایند. هواپیما بیشک، یکی از برگترین دستاوردهای بشری است.
اما یک هواپیما چگونه پرواز میکند؟
اگر فکر میکنید علت اصلی به پرواز درآمدن هواپیما، موتور آن است، سخت در اشتباه هستید، چراکه بسیاری از وسایل پرنده مانند گلایدرها و یا حتی هواپیماهای کاغذی، بدون موتور نیز به راحتی پرواز میکنند. موتورهای هواپیما نیرویی برای حرکت به سمت جلو فراهم میکنند، اما باعث بلند شدن هواپیما از روی زمین نمیشوند. این بالها هستند که اختلاف فشار لازم برای بلند شدن هواپیما از روی زمین را به وجود میآورند. با افزایش نیروی تولید شده توسط موتورها، جریان هوا به سرعت به بالها برخورد کرده و با استفاده از ویژگیهای آیرودینامیکی، اختلاف فشار لازم توسط بالها برای بلند شدن هواپیما به وجود میآید. اما چگونه این اتفاق می افتد؟
با انجام یک آزمایش بسیار ساده، به راحتی میتوانیم علت پرواز هواپیما را درک کنیم. یک برگ کاغذ را مطابق دهان خود قرار داده و روی سطح بالایی فوت کنید. با دمیدن هوا بر روی کاغذ، از فشار هوای بالای کاغذ، کاسته شده و در نتیجه فشار هوا در پایین کاغذ بیشتر از فشار آن در بالا شده و در اثر این اختلاف فشار، نیرویی رو به بالا بر کاغذ وارد میشود و آن را بالا میبرد.
به همین راحتی با استفاده از همین دانش، دانشمندان توانستهاند بال هواپیما را طراحی کنند و هواپیما قدرت پرواز داشته باشد.
بال هواپیماها یک سطح فوقانی منحنی و یک سطح زیرین هموارتر دارند. این حالت باعث به وجود آمدن شکلی به نام مقطع آیرودینامیکی (Airfoil) می شود.
تصور کنید که دو مولکول هوا به جلوی بال هواپیما رسیده و از هم جدا می شوند. یکی از این مولکول ها به سمت بالا پرتاب شده و دیگری به آرامی در کف باقی میماند. این دو مولکول بایستی همزمان به انتهای بال برسند. در نتیجه هوای بالای بال دارای سرعت بیشتری نسبت به هوای پایین بال شده و سبب اختلاف فشار در بالا و پایین بال و ایجاد یک نیروی خالص به طرف بالا می شود. این نیرو می تواند حتی از نیروی جاذبهی وارد بر هواپیما هم بیشتر شده و آن را به طرف بالا حرکت دهد.
حال به تعریف نیروهای اصلی وارد شده به هواپیما میپردازیم:
برآ: نیرویی که بر اثر برخورد هوا با سطوح فوقانی و تحتانی بال، ایجاد و موجب بالا رفتن هواپیما یا ادامه پرواز آن می شود.
پسا: نیرویی است که در حین پیشروی، در برابر حرکت هواپیما مقاومت میکند.
تراست : همان نیرویی است که هواپیما را به سمت جلو هدایت می کند که توسط موتورها تامین می شود.
وزن: همان شتاب گرانشی اعمال شده به جرم هواپیما از جانب زمین است و آن را به طرف خود میکشد.
اینها چهار نیروی اصلی وارد شده به هواپیما میباشند که پرواز هواپیما درگروی عملکرد آنها است: وزن (Weight)، نیروی پیشران (Thrust)، نیروی پسا (Drag) و نیروی برآ (Lift) یا بالابرنده. نیروی وزن با بلند شدن هر چیزی از زمین و به پرواز درآمدنش مخالفت میکند. نیروی پیشران یا تراست نیز از گردش بسیار سریع ملخ هواپیما یا در موتورهای جت، از انبساط گازهای ناشی از احتراق و چرخش پرههای توربین به وجود میآید که وظیفه به جلو راندن هواپیما را بر عده دارد. در واقع این همان نیرویی است که پنکههای خانگی نیز آن را تولید میکنند. نیروی پسا یا مقاومت، درست در جهت مخالف نیروی پیشران به هواپیما اعمال میشود و آن را به عقب میراند. اگر دستتان را از پنجره اتومبیلی که در حال حرکت است بیرون ببرید، آن مقاومت هوا که دستتان را به سمت عقب هل میدهد همان نیروی پسا است. اما چهارمین نیرو یا نیروی برآ، همان نیرویی است که هواپیما را مستقیماً به بالا هل میدهد و باعث به پرواز درآمدنش میشود. این نیرو به حدی قدرت دارد که میتواند هیولایی چون بوئینگ ۷۴۷ با بیش از 370 تن وزن را از زمین بلند کند.
در یک پرواز صاف، مستقیم و بدون شتاب هر۴ نیروی آیرودینامیکی ذکر شده با هم در توازن هستند. بدین معنی که نیروهای مقابل به هم، ۲ به ۲ با یکدیگر برابر میباشند. یعنی Thrust با Drag و Lift با Weight برابر است.
در این مقاله سعی شد تا به سادهترین شکل ممکن چگونگی پرواز هواپیما را تشریح کنیم. در شمارهی آتی به نحوه هدایت و کنترل هواپیما میپردازیم.
سیدحمید گروسی
قائم مقام شرکت دانشبنیان کاموتک پرواز