كيف تطير الطائرات؟ مهندس طيران يشرح فيزياء الطيران

Curious Kids هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تريد أن يجيب عليه أحد الخبراء، فأرسله إلى Curiouskidsus@theconversation.com.

يعد الطيران بالطائرة أحد أهم الإنجازات التكنولوجية في القرن العشرين. يتيح اختراع الطائرة للناس السفر من أحد أطراف الكوكب إلى الطرف الآخر في أقل من يوم واحد، مقارنة بأسابيع من السفر بالقوارب والقطارات.

إن الفهم الدقيق لسبب تحليق الطائرات يمثل تحديًا مستمرًا لمهندسي الفضاء الجوي، مثلي، الذين يدرسون ويصممون الطائرات والصواريخ والأقمار الصناعية والمروحيات والكبسولات الفضائية.

مهمتنا هي التأكد من أن الطيران في الهواء أو في الفضاء آمن وموثوق، وذلك باستخدام أدوات وأفكار من العلوم والرياضيات، مثل المحاكاة الحاسوبية والتجارب.

وبسبب هذا العمل، فإن الطيران بالطائرة هو الطريقة الأكثر أمانًا للسفر – أكثر أمانًا من السيارات أو الحافلات أو القطارات أو القوارب. ولكن على الرغم من أن مهندسي الطيران يصممون طائرات متطورة بشكل مذهل، فقد تتفاجأ عندما تعلم أنه لا تزال هناك بعض التفاصيل حول فيزياء الطيران التي لا نفهمها بالكامل.

نرجو أن تكون القوة (القوى) معك

هناك أربع قوى يأخذها مهندسو الطيران في الاعتبار عند تصميم الطائرة: الوزن، والدفع، والسحب، والرفع. يستخدم المهندسون هذه القوى للمساعدة في تصميم شكل الطائرة، وحجم الأجنحة، ومعرفة عدد الركاب الذين يمكن أن تحملهم الطائرة.

على سبيل المثال، عندما تقلع طائرة، يجب أن يكون الدفع أكبر من السحب، ويجب أن يكون الرفع أكبر من الوزن. إذا شاهدت طائرة وهي تقلع، سترى أن شكل الأجنحة يتغير باستخدام اللوحات الموجودة في الجزء الخلفي من الأجنحة. تساعد اللوحات على تحقيق المزيد من الرفع، ولكنها أيضًا تؤدي إلى مزيد من السحب، لذلك من الضروري وجود محرك قوي لتوليد المزيد من الدفع.

عندما تكون الطائرة عالية بما فيه الكفاية وتبحر إلى وجهتك، يجب أن يوازن الرفع الوزن، ويحتاج الدفع إلى موازنة السحب. لذلك يقوم الطيار بسحب اللوحات إلى الداخل ويمكنه ضبط المحرك لإنتاج طاقة أقل.

ومع ذلك، دعونا نحدد ما تعنيه القوة. وفقًا لقانون نيوتن الثاني، القوة هي الكتلة مضروبة في التسارع، أو F = ma.

القوة التي يواجهها الجميع كل يوم هي قوة الجاذبية، التي تبقينا على الأرض. عندما يتم وزنك في عيادة الطبيب، فإنهم في الواقع يقيسون مقدار القوة التي يطبقها جسمك على الميزان. عندما يتم تحديد وزنك بالجنيه، فهذا مقياس للقوة.

أثناء تحليق الطائرة، تعمل الجاذبية على سحب الطائرة إلى الأسفل. وهذه القوة هي وزن الطائرة.

لكن محركاتها تدفع الطائرة إلى الأمام لأنها تولد قوة تسمى الدفع. تقوم المحركات بسحب الهواء، الذي له كتلة، وتدفع هذا الهواء بسرعة إلى خارج الجزء الخلفي من المحرك – لذلك هناك كتلة مضروبة في التسارع.

وفقا لقانون نيوتن الثالث، لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه. عندما يندفع الهواء إلى خارج الجزء الخلفي من المحركات، تكون هناك قوة رد فعل تدفع الطائرة إلى الأمام، وهذا ما يسمى بالدفع.

عندما تطير الطائرة في الهواء، فإن شكل الطائرة يدفع الهواء بعيدًا عن الطريق. مرة أخرى، بموجب قانون نيوتن الثالث، يدفع هذا الهواء إلى الخلف، مما يؤدي إلى السحب.

يمكنك تجربة شيء مشابه للسحب عند السباحة. قم بالتجديف في حوض السباحة، وستوفر ذراعيك وقدميك قوة الدفع. توقف عن التجديف، وسوف تستمر في المضي قدمًا لأن لديك كتلة، لكنك ستتباطأ. السبب وراء تباطؤك هو أن الماء يدفعك للخلف، وهذا هو السحب.

فهم الرفع

يعتبر الرفع أكثر تعقيدًا من قوى الوزن والدفع والسحب الأخرى. يتم إنشاؤه بواسطة أجنحة الطائرة، وشكل الجناح أمر بالغ الأهمية؛ يُعرف هذا الشكل بالجنيح. ويعني ذلك في الأساس أن الجزء العلوي والسفلي من الجناح منحنيان، على الرغم من أن أشكال المنحنيات يمكن أن تكون مختلفة عن بعضها البعض.

عندما يتدفق الهواء حول الجنيح، فإنه يخلق ضغطًا – قوة منتشرة على مساحة كبيرة. يتم إنشاء ضغط أقل على الجزء العلوي من الجنيح مقارنة بالضغط الموجود في الأسفل. أو لننظر إلى الأمر بطريقة أخرى، ينتقل الهواء بشكل أسرع فوق الجزء العلوي من الجنيح مقارنة بالأسفل.

إن فهم سبب اختلاف الضغط والسرعات في الأعلى والأسفل أمر بالغ الأهمية لفهم الرفع. ومن خلال تحسين فهمنا للرفع، يمكن للمهندسين تصميم طائرات أكثر كفاءة في استهلاك الوقود ومنح الركاب رحلات أكثر راحة.

اللغز

يظل السبب وراء تحرك الهواء بسرعات مختلفة حول الجنيح غامضًا، ولا يزال العلماء يحققون في هذا السؤال.

قام مهندسو الفضاء الجوي بقياس هذه الضغوط على الجناح في تجارب نفق الرياح وأثناء الطيران. يمكننا إنشاء نماذج لأجنحة مختلفة للتنبؤ بما إذا كانت ستطير جيدًا أم لا. يمكننا أيضًا تغيير قوة الرفع عن طريق تغيير شكل الجناح لإنشاء طائرات تطير لمسافات طويلة أو تطير بسرعة كبيرة.

على الرغم من أننا لا نزال لا نعرف تمامًا سبب حدوث الرفع، إلا أن مهندسي الفضاء الجوي يعملون باستخدام معادلات رياضية تعيد إنشاء السرعات المختلفة في أعلى وأسفل الجنيح. تصف هذه المعادلات عملية تعرف بالتدوير.

يوفر الدوران لمهندسي الطيران طريقة لنمذجة ما يحدث حول الجناح حتى لو لم نفهم تمامًا سبب حدوثه. بمعنى آخر، من خلال استخدام الرياضيات والعلوم، نحن قادرون على بناء طائرات آمنة وفعالة، حتى لو لم نفهم تمامًا العملية الكامنة وراء سبب نجاحها.

في النهاية، إذا تمكن مهندسو الطيران من معرفة سبب تدفق الهواء بسرعات مختلفة اعتمادًا على جانب الجناح الذي يتواجد فيه، فيمكننا تصميم طائرات تستخدم وقودًا أقل وتلوثًا أقل.

مرحبًا أيها الأطفال الفضوليون! هل لديك سؤال تود أن يجيب عليه أحد الخبراء؟ اطلب من شخص بالغ أن يرسل سؤالك إلى CuriousKidsUS@theconversation.com. من فضلك أخبرنا باسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.

وبما أن الفضول ليس له حد عمري – أيها البالغون، أخبرنا بما تتساءل عنه أيضًا. لن نتمكن من الإجابة على كل الأسئلة، لكننا سنبذل قصارى جهدنا.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: كريج ميريت، جامعة كلاركسون

اقرأ أكثر:

يتلقى كريج ميريت تمويلًا من مكتب الأبحاث البحرية وL3Harris. وهو تابع للمعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية، وهو مهندس محترف مرخص في أونتاريو، كندا. الدكتور ميريت هو أستاذ مشارك في قسم الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في جامعة كلاركسون، بوتسدام، نيويورك.