in

من المسؤول عن قوة الرفع في الطائرات؟

نعلم من التجربة أنه عند وجود حركة نسبية بين الغازات وبعض الأشكال الهندسية المعيّنة “التي نسميها أجنحة” والتي تتواجد في الطائرات، العنفات والكثير من الآلات الهيدروليكية عندها تتولّد قوّة رفع على هذه الأجنحة وتكون هذه القوة عمودية على اتجاه الحركة، وهي السبب الكامن وراء ارتفاع الطائرات، وكذلك وراء دوران العنفات الرد فعلية reaction turbine (مثل عنفة فرانسيس) ولكن كيف يتم توليد هذه القوّة ومن المسؤول عنها؟ هنالك الكثير من النظريات لتفسير قوّة الرفع الموجودة في المراجع والكتب المدرسية والمناهج المختلفة، وللأسف فإنّ الكثير من هذه النظريات خاطئ.

النظريات المختلفة عن توليد قوّة الرفع أصبحت موضوعاً ساخناً للنقاش والجدال في السنوات الأخيرة، وأغلب هذه النقاشات تتحدث في مذهبين:

1- من يدعمون “برنولي” في كون قوّة الرفع تتولّد بسبب فرق في الضغط أعلى وأسفل الجناح.

2- من يدعمون “نيوتن” في كون قوّة الرفع تتولّد بسبب قوى رد فعل الهواء على الجناح.

قمنا بوضع برنولي ونيوتن ضمن قوسين لأنّ كلاً من برنولي ونيوتن لم يقم في الواقع بمحاولة تفسير قوّة الرفع ونحن نشير إلى المذهبين فقط.

في الواقع إنّ تفاصيل توليد الأجنحة لقوة الرفع معقدة، ففي الغازات نحن نعلم أنّه لدينا انحفاظ في الطاقة وكمية الحركة والكتلة ,تتعامل قوانين نيوتن في الحركة مع انحفاظ كمية الحركة بشكلٍ أساسي، بينما تتعامل معادلة برنولي  مع انحفاظ الطاقة، لذلك كلا الرأيين مقبول في تفسير هذه الظاهرة.

نظرية شائعة غير صحيحة

هذه النظرية موجودة بكثرة في الكثير من الكتب والمراجع المدرسية، وتقول هذه النظرية أنّ المسار العلوي الذي يسلكه الهواء فوق الجناح هو أطول من المسار أسفله، وسوف تلتقي جسيمات الهواء أعلى وأسفل الجناح بنفس اللحظة في نهايته، لذا يتوجّب على جزيئات الهواء فوق الجناح أن تقطع مسافةً أطول خلال نفس الزمن، أي أنّ سرعتها سوف تكون أكبر من السرعة أسفل الجناح.
إذن وحسب معادلة برنولي سوف ينخفض الضغط “الستاتيكي” أعلى الجناح وفرق الضغط سوف يؤدي لظهور قوة الرفع.

air-plane

وهذه النظرية خاطئة للأسباب التالية:

1- لا يوجد سببٌ فيزيائيّ لافتراض أنّ جزيئات الهواء المنفصلة في مقدمة الجناح سوف تلتقي في نهايته، وفي الواقع يكون الهواء أعلى الجناح أسرع “بكثير” من الهواء أسفله ولا يلتقيان أبداً.

2- لا يمكنك تطبيق معادلة برنولي بين نقطتين فوق الجناح وتحت الجناح، حيث أنّ معادلة برنولي تُطبّق ضمن خط التيار فقط.
إذا كنت لا تزال تؤيّد هذه النظرية، يمكنك إلقاء نظرة على هذا الشكل، والذي يجب حسب النظرية السابقة أن يتسبّب بقوة رفع كبيرة:

air-plane2

حيث أنّ جزيئات الهواء في الأعلى سوف تقطع مساراً أطول بكثير من الأسفل خلال نفس الوقت، أي أنها سوف تكون أسرع، ولكننا نعرف أنّ هذا الشكل لا يولّد قوة رفع، إذاً النظرية السابقة غير صحيحة.

إذن من أين تأتي قوة الرفع؟

air-plane3

بالنّظر إلى مسار جسيمات الهواء فوق الجناح، نرى أنّ الهواء يسلك مساراً منحنٍ بدلاً من أن يسلك مساراً مستقيماً كما هو مبين في الصورة، ولكن لماذا؟ من الواضح أنه وحتى يسلك الهواء هذا المسار يجب أن تؤثر عليه قوةٌ ما، وهذه القوة هي نتيجة لفرق الضغط في طبقة الهواء فوق الجناح حيث أنّ الضغط فوق هذه الطبقة أكبر من الضغط تحتها.

air-plane4

يُعرف هذا التأثير بتأثير كواندا couanda effect ويحدث عندما يتلامس سائلٌ ما مع سطحٍ منحنٍ حيث يقوم السائل باتّباع مسار السطح بدلاً من الجريان بخطٍّ مستقيم.

air-plane-5

في حال استمرّ الهواء في مساره الأصلي فوق الجناح فسوف يخلق ذلك فراغاً في منطقة ما تحت الجريان، وسوف يتسارع الهواء دائماً ليملأ هذه المنطقة، مما سيتسبّب بانخفاضٍ في الضغط كلما اقتربنا من الجناح، وعلى بعد ما فوق الجناح سوف يكون الضغط ضغطاً جوياً Patm، وعند الاقتراب من الجناح تدريجياً سوف ينخفض هذا الضغط للسبب الموضّح سابقاً حتى الوصول إلى الجناح.

airplane6

أمّا بخصوص الجريان تحت الجناح، في الواقع يأخذ جريان الهواء تحت الجناح أيضاً مساراً محدداً، ولكن لسببٍ آخر  وهو زاوية المواجهة angle of attack ومبينة في الصورة (B) وهي الزاوية بين خط مرجعي غالباً خط تناظر (chord line)  على سطح الجناح وبين اتجاه جريان الهواء، وبما أنّ شكل الأجنحة لا يكون متناظراً دائماً فلا يمكن دائماً تحديد هذا الخط.
تؤدي زيادة زاوية المواجهة عموماً إلى زيادةٍ في قوّة الرفع “معامل الرفع” حتى قيمةٍ معيّنة حدّية، وبعد هذه القيمة تنقص قوّة الرفع، حيث توصف الطائرة بعد تجاوز الزاوية الحديّة بحالة الانهيار stall ، تتعلّق حالة الانهيار فقط بالزاوية، لكن زاوية المواجهة عند السرعات القليلة للطائرة يجب أن تكون أكبر لتوليد قوّة الرفع اللازمه للتغلّب على الوزن، فعندما تتباطأ طائرة ومع زيادة زاوية المواجهة، سوف تصل للقيمة الحديّة للزاوية وتسمى السرعة عندها سرعة الانهيار stall speed .لكن يجب الانتباه لأمرين، وبالملاحظة عند النظر إلى الصورة (A).
-1 في حال كان الجناح متناظراً فعندها وفي حال عدم وجود أيّة زاوية مواجهة فلن يولّد الجناح أيّة قوّة رفع.
-2 في حال كان الجناح محدّباً فيمكن توليد قوّة رفع حتى بدون وجود أيّ زاوية مواجهة حيث يمكننا الاعتماد على انخفاض الضغط في القسم العلوي من الجناح فقط ويكون الضغط تحت الجناح قريباً من الضغط الجوي

تلخّص هذه المحاكاة العديد من الأفكار السابقة:

[حيث تُظهر المسارات الفعليّة للهواء أعلى وأسفل الجناح، وكذلك تبيّن زاوية المواجهة]

إذاً تؤدّي زاوية المواجهة لإجبار جريان الهواء في القسم السفلي من الهواء على تغيير مساره حيث يؤدي ذلك بشكلٍ واضح لزيادة ضغطه نسبةً للضغط الجوي، وعلى بعد ما أسفل الجناح سوف يكون الضغط جوياً Patm وسوف يزداد تدريجياً بالاقتراب من الجناح.

air-plane-6

[تُظهر الصورة انخفاضاً للضغط كلما اقتربنا من الجناح من الناحية العليا انطلاقاً من الضغط الجوي، وازدياداً للضغط في الحالة المعاكسة أي من أسفل الجناح]

وهذا في الواقع ما يسبّب قوّة الرفع حيث أنّ الضغط أسفل الجناح أكبر من أعلى الجناح.

إذاً فإنّ شكل الجناح وزاوية المواجهة يتسبّبان بانحناء مسار الهواء أعلى وأسفل الجناح، وهذا الانحناء يتسبّب بفروق الضغط وقوة الرفع.

العوامل الأساسية المؤثرة في مقدار قوة الرفع هي فرق الضغط (الناتج عن الحركة النسبية بين الطائرة والهواء المحيط) وكذلك كثافة الهواء المحيط وزاوية المواجهة وكلما ازداد انحناء مسار الهواء سوف يؤدي ذلك لقوة رفع أكبر، يمكننا ملاحظة أنّ قوة الرفع لا تحدث إلا في حال كان السطح العلوي للجناح منحدراً نحو الأسفل.

هل هنالك أيّ قانونٍ آخر في الفيزياء يمكن أن يُفسّر قوة الرفع بدلاً عن التفسير المعتمد على ميكانيك الموائِع؟

نعم، وهو قانون نيوتن الثالث.

air-plane-7-jpg

كما نعلم إنّ القوى تؤدي لتغيّر في السرعة، وبشكل مشابه إنّ التغيرفي السرعة يدل على نشوء القوى، وحيث أنّ السرعة خاصية شعاعية لها اتجاه وقيمة، فتغير الاتجاه أو القيمة سوف يؤدي لظهور قوى، ويقوم الجناح بتغيير اتجاه سرعة الهواء وبالتالي حسب قانون نيوتن الثالث سوف يقوم يظهر رد فعل على هذا الجناح بنفس اتجاه التغير لكن بشكل معاكس، ومن منظور انحفاظ كمية الحركة فسوف يتسبب الجناح باكتساب الهواء ذو الحركة الأفقية كمية حركة ذات مركبة شاقولية مما يؤدي لإكساب الجناح أيضاً كمية حركة ذات مركبة شاقولية في الاتجاه المعاكس.

المصادر: grc.nasa.govlearnengineering

  • إعداد: حكم الزعبي.
  • مراجعة: جلال حبيب.
  • تدقيق لغوي: هيفا السليمان .

ماتقييمك للموضوع؟

Avatar

بواسطة حكم الزعبي

تعليقان

ضع تعليقك

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

ورقة بحثية مسربة من ناسا تُشير إلى أنّ محرك إي إم EmDrive يعمل بالفعل!

كيف حصلت الحيوانات على هياكلها؟