كيف تطير الطائرة ؟
تابع الشرح المفصل و الممتع لعملية الطيران
 |
كيف تطير الطائرة ؟الشرح المفصل لعملية الطيران |
كيف تعمل أو كيف صُنعت أو كيف تطير ؟
كلها أسئلة لطالما طُرحت في مخيلاتنا منذ طفولتنا فمنها ما وجدنا حلا أو تفسيرا لها و منها أسئلة أخرى لم يتسن لنا فهمها و الإجابة عليها بعد، و مهما يكن من أمر فاليوم ستتابعون جوابا على أحد تلك الأسئلة و هو سؤال كيف تطير الطائرة ؟
متابعة شيّقة
معلومات تمهيدية
الديناميكا الهوائية :
الديناميكا الهوائية أو "الأيرو-ديناميكا" (Aerodynamic) هي دراسة الظواهر التي تنشأ حول جسم متحرك (aircraft) حال تحركه في الهواء
ميكانيكا الطيران :
هي دراسة القوى التي تخضع لها الطائرة (أو الجسم المتحرك في الجو) حال طيرانها، تنقسم هذه القوى إلى ثلاثة أنواع حسب الأصل المولد للقوة و هي بذلك :
قوة ناتجة عن القصور الذاتي (وظيفة التسارع الناتج عن كتلة الطائرة)
قوة ناتجة عن الدفع (تنتجها محركات الطائرة)
قوة ناتجة عن الديناميكا الهوائية (تنتج عن سرعة تحرك الطائرة)
الهواء :
هو المجال الذي يتحرك فيه جسم الطائرة، يمثل الخليط الغازي المكون للغلاف الجوي للأرض، و هو مثل كل الغازات مكون من هباءات منفصلة كليّا عن بعضها البعض و في حالة تحرك دائم، يتميز بخصائص فيزيائية مثل قابليته للضغط و شفافيته و قابليته للتمدد
عملية الطيران
فيزيائيا كل جسم في حالة ثبات يعني أن مجموع القوى الخارجية المسلطة عليه مساوٍ للصفر (قانون نيوتن للحركة)، و لتحركه فإن قوة دفع أو رفع أو سحب جاوزت بقية القوى، الأمر مشابه بالنسبة للجسم الطائر
فمحرك الطائرة الأمامي (بالنسبة للطائرات الخفيفة أحادية المحرك) أو محركاتها الثنائية أو المحركات من النوع النفاث (Jet Engine) يولد قوة تسحب الطائرة إلى الأمام، هذه القوة تسمى "قوة الدفع" (Thrust Force) لكنها تجعل الطائرة تتقدم فقط، فما هي القوة التي تجعلها تطير ؟
في الحقيقة تعتبر الأجنحة أهم جزء من أجزاء الطائرة، و تكون أجنحة الطائرة مصممة تصميما خاصا، بحيث يكون الجناح متقعرا أي أن سطحه العلوي أطول من السطح السفلي
إلى جانب ذلك تكون حافة الجناح الأمامية و هي ما تعرف بإسم "حافة الهجوم" (Leading Edge) ذات شكل دائري عريض في حين تكون الحافة الخلفية و هي التي تسمى "حافة الإدبار" أو "حافة الفرار" (Trailing Edge)
و بإختصار، فإن المقطع العرضي للجناح يأخذ شكل حاجب العين مقعرا و ذو حافة أمامية عريضة و حافة خلفية حادة
فعند تقدم الطائرة بفعل قوة الدفع تصطدم الأجنحة بأجزاء الهواء المحيطة بها فتقوم بتغيير إتجاه الهواء بفضل الشكل المقعر لها فتدفعه إلى الأسفل و كردة فعل يقوم الهواء بدفع الأجنحة إلى الأعلى، هذا هو التفسير المبني على مبدأ نيوتن (Newton Principle) الثالث من قوانين الحركة القائم على أنه لكل فعل رد فعل يساويه في المقدار و يعاكسه في الإتجاه
من ناحية أخرى يمكننا تفسير هذه القوة التي تسمى "قوة الرفع" (Lift Force) بواسطة "مبدأ برنولي" (Bernoulli's Principle) المبني على أنه عند الحركة السريعة "للمائع" (Fluid) كالهواء فإنه يتعرض لضغط أقل من الضغط الذي يتعرض له في حالة الحركة البطيئة للمائع.
في الحقيقة تعتبر الأجنحة أهم جزء من أجزاء الطائرة، و تكون أجنحة الطائرة مصممة تصميما خاصا، بحيث يكون الجناح متقعرا أي أن سطحه العلوي أطول من السطح السفلي
إلى جانب ذلك تكون حافة الجناح الأمامية و هي ما تعرف بإسم "حافة الهجوم" (Leading Edge) ذات شكل دائري عريض في حين تكون الحافة الخلفية و هي التي تسمى "حافة الإدبار" أو "حافة الفرار" (Trailing Edge)
و بإختصار، فإن المقطع العرضي للجناح يأخذ شكل حاجب العين مقعرا و ذو حافة أمامية عريضة و حافة خلفية حادة
 |
مقطع عرضي يوضح شكل جناح الطائرة |
فعند تقدم الطائرة بفعل قوة الدفع تصطدم الأجنحة بأجزاء الهواء المحيطة بها فتقوم بتغيير إتجاه الهواء بفضل الشكل المقعر لها فتدفعه إلى الأسفل و كردة فعل يقوم الهواء بدفع الأجنحة إلى الأعلى، هذا هو التفسير المبني على مبدأ نيوتن (Newton Principle) الثالث من قوانين الحركة القائم على أنه لكل فعل رد فعل يساويه في المقدار و يعاكسه في الإتجاه
من ناحية أخرى يمكننا تفسير هذه القوة التي تسمى "قوة الرفع" (Lift Force) بواسطة "مبدأ برنولي" (Bernoulli's Principle) المبني على أنه عند الحركة السريعة "للمائع" (Fluid) كالهواء فإنه يتعرض لضغط أقل من الضغط الذي يتعرض له في حالة الحركة البطيئة للمائع.
بطريقة أخرى، فالسرعة العالية تؤدي إلى ضغط أقل، و السرعة المنخفضة تؤدي إلى ضغط أعلى، و بالتالي و نتيجة لتقعر الأجنحة ما يعني أن سطح الجناح العلوي أصغر من سطح الجناح السفلي فإن الهواء أعلى جناح الطائرة يتحرك بسرعة أكبر و ضغط أقل مما عليه تحت جناح الطائرة
و النتيجة هي أن الضغط الأكبر الذي يتكون تحت أجنحة الطائرة (عكس الضغط الأقل أعلى الأجنحة) يؤدي إلى رفع الجناح و توليد "قوة الرفع" (Lift Force) و بالتالي إرتفاع الطائرة و طيرانها
من المهم أيضا الحديث عما يعرف بإسم "زاوية الهجوم" (Angle of Attack) و هي الزاوية التي يصنعها الجناح مع تيار الهواء المار، تكبر زاوية الهجوم عند إقلاع الطائرة أو حال طيرانها و ذلك برفع حافة الهجوم بدرجة أعلى من حافة الفرار (أو الإدبار) ما يجعل زاوية الهجوم تدفع الهواء إلى أسفل الجناح حتى تنتج قوة الرفع، و طبعا بإزدياد زاوية الهجوم تزداد قوة الرفع طرديا
تخضع الطائرة حال طيرانها إلى أربع قوى، قوة الرفع (Lift Force) و قوة الوزن (Weight) و هي قوة معاكسة لقوة الرفع يولدها وزن الطائرة و قوة الدفع (Thrust Force) و القوة الرابعة و هي قوة السحب (Drag Force) أو قوة الجر (Traction Force) تعرف أيضا بقوة الإعاقة حيث تؤثر على كامل الطائرة و هي ناتجة عن إحتكاك الطائرة بالهواء و هو الحال بالنسبة لعبور أي جسم من خلال مائع (غازي أو سائل) يولد إحتكاكا يعيق تحركه (كالطائرات في الجو أو السفن في المياه)
و ببساطة، يجب أن يكون ناتج قوة الرفع أكبر من وزن الطائرة حتى يمكنها أن تطير، و بالتالي يجب أن يكون تصميم الجناح مناسبا بشكل يولد قوة قادرة على رفع الطائرة عن الأرض، و يجب أن تكون قوة الدفع أكبر من قوة الجر حتى تزداد سرعة الطائرة
و بهذا نستنتج أن تحدي الطيران يكمن في إقامة توازن بين هذه القوى الأربعة المؤثرة على الطائرة .
و النتيجة هي أن الضغط الأكبر الذي يتكون تحت أجنحة الطائرة (عكس الضغط الأقل أعلى الأجنحة) يؤدي إلى رفع الجناح و توليد "قوة الرفع" (Lift Force) و بالتالي إرتفاع الطائرة و طيرانها
 |
Bernoulli's Principle |
من المهم أيضا الحديث عما يعرف بإسم "زاوية الهجوم" (Angle of Attack) و هي الزاوية التي يصنعها الجناح مع تيار الهواء المار، تكبر زاوية الهجوم عند إقلاع الطائرة أو حال طيرانها و ذلك برفع حافة الهجوم بدرجة أعلى من حافة الفرار (أو الإدبار) ما يجعل زاوية الهجوم تدفع الهواء إلى أسفل الجناح حتى تنتج قوة الرفع، و طبعا بإزدياد زاوية الهجوم تزداد قوة الرفع طرديا
 |
Angle of Attackزاوية الهجوم |
القوى الأساسية المؤثرة على الطائرة
تخضع الطائرة حال طيرانها إلى أربع قوى، قوة الرفع (Lift Force) و قوة الوزن (Weight) و هي قوة معاكسة لقوة الرفع يولدها وزن الطائرة و قوة الدفع (Thrust Force) و القوة الرابعة و هي قوة السحب (Drag Force) أو قوة الجر (Traction Force) تعرف أيضا بقوة الإعاقة حيث تؤثر على كامل الطائرة و هي ناتجة عن إحتكاك الطائرة بالهواء و هو الحال بالنسبة لعبور أي جسم من خلال مائع (غازي أو سائل) يولد إحتكاكا يعيق تحركه (كالطائرات في الجو أو السفن في المياه)
 |
Four Forces of Flightالقوى الأربعة المؤثرة على الطائرة |
و ببساطة، يجب أن يكون ناتج قوة الرفع أكبر من وزن الطائرة حتى يمكنها أن تطير، و بالتالي يجب أن يكون تصميم الجناح مناسبا بشكل يولد قوة قادرة على رفع الطائرة عن الأرض، و يجب أن تكون قوة الدفع أكبر من قوة الجر حتى تزداد سرعة الطائرة
و بهذا نستنتج أن تحدي الطيران يكمن في إقامة توازن بين هذه القوى الأربعة المؤثرة على الطائرة .