چطور پرواز می‌کنند

شاید تا به حال با هواپیما پرواز کرده باشید شاید هم نه! اما من فکر می‌کنم که نشستن در هواپیمای بزرگی که درونش خیلی هم با اتوبوس فرق ندارد، رابطه نزدیکی با پرواز ندارد. مطمئناً کسی که تا به حال بادبادک هوا کرده، با پرواز و حس پرنده آشنا است. اصول پرواز بادبادک و بوئینگ یکسان است. اولین شباهت آن ها، این است که هر دو در هوا پرواز می کنند.

هوا چیست؟ همان چیزی که در کتاب علوم دبستان می‌خوانیم. ماده ای که مولکول های آن دایما حرکت می‌کنند. این حرکت و برخورد مولکول ها به همه ی اشیا، منشأ پدید آمدن فشار هواست که نقش مهمی در شناوری اجسام در آسمان دارد.

بگذارید بعضی از خواص مهم رفتار هوا را دوباره بررسی کنیم:

1. دو صفحه کاغذ کاملا یکسان را در نظر بگیرید. یکی از آ نها را مچاله کنید و هر دو را از یک ارتفاع رها سازید. چه می‌بینید؟ این پدیده چه چیزی را نشان می‌دهد؟ چرا چیزهایی که پرواز می‌کنند (اعم از پرنده‌ها و هواپیما) به بال احتیاج دارند؟
2. یک نوار کاغذی باریک ببرید و آن را در دست بگیرید. حالا روی نوار بدمید. چه اتفاقی می‌افتد؟ چرا کاغذ در هوا به پرواز درمی آید؟ چرا فشار هوای روی آن، باعث افتادن کاغذ نمی شود؟

اگر جواب این سوال‌ها را نمی دانید، آن ها را به یاد بسپارید تا در حین کشف نحوه ی پرواز هواپیما هشیارتر به قضیه نگاه کنید. حتما موافقید که مهم ترین مساله ای که باید به آن غلبه کرد، وزن است. یعنی هواپیما اول باید از زمین بلند شود تا بعد بتوانیم راجع به جلو یا عقب رفتن آن بحث کنیم. نیروی وزن طبیعتاً همه ی اجسام را رو به پایین (یعنی زمین) می‌کشد، پس ما به نیرویی به سمت بالا احتیاج داریم. به این نیرو "بالابر" یا "لیفت" می‌گویند.

برای درک چگونگی ایجاد این نیرو بهتر است به بال یک هواپیما نگاهی بیندازیم و البته نگاهی گذرا به قوانین فیزیک:

جریان هوا با رسیدن به بال، به دو قسمت تقسیم می‌شود و یکی از رو و دیگری از زیر بال می‌گذرد. آزمایش و مشاهده و واقعیت پرواز هواپیما نشان می‌دهد که جریان رویی بسیار سریع تر از جریان زیر بال است. در این جاست که نوبت برنولی می‌شود تا با قانونش نشان بدهد پرواز چطور ممکن است.

قانون برنولی

قانون برنولی صورتی دیگر از قانون بقای انرژی است. برای درک آن به تصویر زیر نگاه کنید:

برای دیدن این بخش شما به نرم افزار جاوا نیاز دارید

تصویر به سادگی به ما می‌گوید که سیالی که تحت فشار بیشتری است، سرعت کم تری دارد. برای درک این مفهوم باید به انرژی مکانیکی هوای در حال حرکت توجه کنید. این انرژی در واحد حجم برابر است با انرژی جنبشی ناشی از حرکت هوا و انرژی پتانسیل موجود بین مولکول های هوا. این انرژی پتانسیل، درست مانند انرژی پتانسیلی که در فنر ذخیره می‌شود، با فشرده شدن مولکول های هوا، در هوای فشرده ذخیره می‌شود.

بنابراین این انرژی با فشار هوا رابطه ی مستقیم دارد:

انرژی پتانسل در واحد حجم = P

در عین حال انرژی جنبشی برابر است با =

و می‌دانیم که مجموع این دو نوع انرژی هموار مقدار ثابتی است. (فرض بر این است که اتلاف انرژی وجود ندارد و انرژی دیگری نیز تولید نمی شود). پس می‌بینید که با افزایش فشار،بدیهی است که سرعت جریان هوا کاهش‌یابد. به بال هواپیما برمی گردیم. جریان پایینی، سرعت کمتری دارد، پس دارای فشار بیش تری است. اختلاف فشار بین دو سطح بال، نیرویی رو به بالا به آن وارد می‌آورد که همان نیروی بالابر است. (به خاطر دارید که فشار یعنی نیرو تقسیم بر سطح) می‌شود به همین سادگی تصور کرد که ما نیروی بالابر را فهمیده ایم، اما اگر شما هم به اندازه ی مخترعانی مثل برادران رایت، تیزبین باشید، متوجه می‌شوید که ما درباره ی این که چرا جریان رویی سریع تر از جریان زیری است، هیچ توضیحی نداده ایم. در واقع در این باره چیزی مثل جنگ صلیبی در کتاب های درسی، دانشگاهی و حتی مدرسه های پرواز وجود دارد.

بعضی عقیده دارند دلیل پدید آمدن اختلاف سرعت، شکل خاص بال است. یعنی خمیده بودن رویه ی بال و صاف بودن زیر آن باعث می‌شود که هوایی که از روی بال می‌گذرد، مسیر طولانی تری طی کند و چون فکر می‌کنند ذرات هوایی که در تغییر بال از هم جدا شده اند، لزوما باید هم زمان به انتهای بال برسند، پس مجبورند سریع تر حرکت کنند. این ایده چندان قابل قبول نیست. چون دلیلی بر این هم زمانی در دست نیست؛در ضمن مگر ندیده اید که خلبان ها در نمایش های هوایی، وارونه پرواز می‌کنند! اما در آن حال هم با این که سطح صاف بال، رو به بالا قرار می‌گیرد، هواپیما قادر به پرواز است.

دیدگاه دوم را با استفاده از مفهوم "زاویه ی حمله" توضیح می‌دهند. به این شکل نگاه کنید. هنگامی که باد به سطح بادبادک می‌خورد، به خاطر زاویه ای که دارد، به طرف پایین منحرف می‌شود. یعنی نیروی هوا را به پایین می‌راند و بنابراین، طبق قانون سوم نیوتن، عکس العمل آن نیرو، باید بادبادک را به بالا هل بدهد. عین این اتفاق در بال هواپیما هم رخ می‌دهد. وجود این زاویه که مقدار انحراف محور بال از محور جریان هواست، برای پایین راندن هوا ضروری است و به آن "زاویه ی حمله ی بال" می‌گویند. اما دیده شده است که با زاویه ی حمله ی صفر هم هواپیما از زمین بلند می‌شود و گذشته از این چرا بالها را به شکل خمیده می‌سازند؟

شاید باید این طور تصور کرد که هردوی این توضیحات تا حدی درست هستند. در هر حال ما اینجا نرم افزاری داریم که به شما کمک می‌کند، این ارتباط ها را خودتان کشف و بررسی کنید.

در این نرم افزار، شکل بال را در میان جریان هوا می‌بینید. دکمه ی قرمز شروع تازه ای به شما می‌دهد. دکمه ی زیر آن واحدهای انگلیسی یا متریک را به شما می‌دهد. با دکمه ی سوم می‌توانید تست پرواز، تغییرات شکل و زاویه یا اندازه را انجام دهید. دکمه ی چهارم، شکل نموداری را که در زیر صفحه دارید و متغیرهایی را که می‌خواهید رسم شوند، تغییر می‌دهد. با دکمه‌ها بازی کنید و ببینید حق با کدام دسته است؟