امروزه پرواز از یک طرف دنیا به طرف دیگر در عرض چند ساعت طبیعی به نظر می‌رسد ولی یک قرن پیش این توانایی مانند معجزه‌ای شگفت‌انگیز بود. هواپیما یکی از بزرگ‌ترین اختراع‌های تمام دوران است. در این مقاله عملکرد آن را دقیق‌تر بررسی می‌کنیم. همراه‌مان بمانید.
هواپیما چگونه پرواز می‌کند؟
اگر تابه‌حال برخاستن یا فرودآمدن هواپیما را دیده باشید، قطعا صدای موتور آن توجه‌تان را جلب کرده است. موتورهای جت لوله‌های فلزی بلندی هستند که در جریانی مداوم، سوخت و هوا را می‌سوزانند و نسبت به موتورهای ملخی سنتی، پر سروصداتر و البته بسیار قوی‌تر هستند. شاید فکر کنید که موتورها کلید پرواز هواپیما هستند ولی اشتباه می‌کنید. بسیاری از چیزها می‌توانند بدون موتور پرواز کنند، مانند گلایدرها، هواپیماهای کاغذی و پرندگانی که بدون بال‌زدن در آسمان حرکت می‌کنند.
برای درک نحوه پرواز هواپیما باید تفاوت بین موتورها و بال‌ها و نقش هرکدام را بدانید. موتورهای هواپیما طوری طراحی شده‌اند که آن را با سرعت زیاد جلو ببرند. در نتیجهٔ آن، هوا به‌سرعت روی بال‌ها جریان پیدا می‌کند، سپس بال‌ها هوا را به‌سمت زمین فشار می‌دهند و نیرویی به‌سمت بالا ایجاد می‌کنند که بر وزن هواپیما غلبه می‌کند و آن را در آسمان نگه می‌دارد. بنابراین موتورها هواپیما را به جلو حرکت می‌دهند، درحالی‌که بال‌ها آن را به‌سمت بالا می‌کشند.
بال‌ها چگونه هواپیما را بالا می‌برند؟
اگر بخواهیم در یک جمله توضیح دهیم، بال‌ها با تغییر جهت و فشار هوایی که موتورهای هواپیما به بیرون پرتاب می‌کنند، هواپیما را به بالا می‌رانند.
اختلاف فشار
بیشتر بال‌های هواپیما سطح بالایی منحنی و سطح زیرین صاف‌تر دارند که شکلی به نام ایرفویل ایجاد می‌کنند. همان‌طور که یک بال ایرفویل منحنی در آسمان جلو می‌رود، هوا را منحرف می‌کند و فشار هوا را در بالا و پایین خود تغییر می‌دهد.
برای درک بهتر موضوع فرض کنید که به‌آرامی داخل استخر قدم می‌زنید و نیروی آب را که به بدنتان فشار می‌آورد احساس می‌کنید. بدن شما جریان آب را هنگام عبور از آن منحرف می‌کند. یک بال ایرفویل نیز همین کار را انجام می‌دهد. همان‌طور که هواپیما به سمت جلو پرواز می‌کند، قسمت منحنی بالای بال فشار هوایی را که دقیقا بالای آن قرار گرفته است کاهش می‌دهد و در نتیجه هواپیما بالا می‌رود.
پایین‌رانش
طبق قانون سوم نیوتون، اگر هوا به هواپیما نیرویی رو به بالا بدهد، هواپیما باید یک نیروی رو به پایینِ برابر به هوا بدهد. بنابراین وقتی بال‌های هواپیما هوا را به‌سمت پایین فشار می‌دهند، یک نیروی بالابرنده ایجاد می‌شود. بال‌های زاویه‌دار جریان هوای تسریع‌شده را از بالای خود و جریان هوای کندتر را از زیر خود به‌سمت پایین فشار می‌دهند و باعث بالارفتن هواپیما می‌شوند.
هواپیما برای بلندشدن به چه چیزی نیاز دارد؟
هواپیما برای بلندشدن به چند عامل کلیدی نیاز دارد:
۱. سرعت هوا
هواپیما برای بلندشدن به سرعت هوا نیاز دارد. سرعت هوا اندازه‌گیری سرعت جریان هوا روی هواپیما است، نه معیاری برای سرعت حرکت هواپیما. اگر هواپیما به‌سمت باد مخالف پرواز کند، سرعت هوای آن افزایش می‌یابد. به‌همین دلیل است که هواپیماها معمولا به‌سمت باد بلند می‌شوند.
۲. اثر برنولی
سرعت هوا باعث ایجاد نیروی بالابر در بال‌ها می‌شود. بال‌ها منحنی هستند و بنابراین مسافتی که هوا باید از بالای آنها طی کند بیشتر است و اثر برنولی را ایجاد می‌کند. طبق این اصل، با افزایش سرعت هوا، فشار در هوا کاهش می‌یابد. هوای سریع‌تر بالای بال فشار را کاهش می‌دهد و اختلاف ایجادشده بین بالا و پایین بال باعث بالارفتن هواپیما می‌شود.
۳. پیکربندی
هواپیما روی باندی قرار می‌گیرد که بهترین باد مخالف را به آن می‌دهد. برآافزاها (Flap= قسمتی از بال) که سطوح متحرک در لبه عقب بال نزدیک بدنه هستند، پایین می‌آیند. این پایین‌آمدن باعث افزایش زاویه عمودی چرخ می‌شود که اثر برنولی را تقویت می‌کند و در سرعت‌های پایین‌تر به بالابردن بیشتر هواپیما کمک می‌کند.
۴. شتاب
موتورهای هواپیما تا درصد معینی از قدرت کامل می‌چرخند. این درصد به اندازه، وزن و نوع هواپیما بستگی دارد اما بعد از رسیدن به این مقدار، ترمزها آزاد می‌شوند. سپس هواپیما به‌تندی شروع به سرعت‌گیری می‌کند و دریچه‌های گاز به‌طور پیوسته با قدرت کامل برای برخاستن فشار داده می‌شوند.
۵. دوران دماغه
هنگامی که سرعت پرواز برای هواپیما به دست می‌آید، دماغه هواپیما از زمین بلند می‌شود و تا یک زاویه خاص بالا می‌رود که در نتیجه آن، زاویه برخورد بال‌ها به باد تغییر می‌کند. وقتی سرعت هوا روی بال‌ها به اندازه کافی بالا باشد، هواپیما از زمین بلند می‌شود.
نیروهای وارد بر هواپیما در طول پرواز
در طول پرواز چهار نیروی زیر بر هواپیما وارد می شوند:
۱. پیشران
پیشران نیرویی است که هواپیما را در هوا به جلو می‌برد. این نیرو توسط یک پروانه یا موتور جت ایجاد می‌شود.
۲. نیروی پسا
این نیرو مقاومت هوا است که حرکت رو به جلو هواپیما را کند می‌کند.
۳. گرانش
گرانش یا جاذبه نیرویی است که تمام اجسام از جمله هواپیما را به‌سمت زمین می‌کشد.
۴. بالابرنده
نیروی بالابرنده به‌سمت بالا است و بر اثر حرکت هوا در بالا و پایین بال‌ها ایجاد می‌شود. هوا در بالای بال سریع‌تر و در زیر بال کندتر جریان دارد و اختلاف فشار ایجاد می‌کند که باعث می‌شود هواپیما پرواز کند.
هر چهار نیرو در یک پرواز بدون شتاب در حالت تعادل قرار دارند. منظور از پرواز بدون شتاب این است که هواپیما سرعت خود را ثابت نگه دارد.
هواپیما چقدر می‌تواند بالا برود؟
به‌طور‌کلی، هوایی که در بالا و پایین یک بال جریان دارد، از منحنی سطوح بال پیروی می‌کند. با افزایش زاویه برخورد، جریان هوای ملایم پشت بال شکسته و آشفته‌تر می‌شود و در نتیجه، نیروی بالابرنده کاهش پیدا می‌کند. در یک زاویه مشخص، معمولا حدود ۱۵ درجه، هوا دیگر به‌آرامی اطراف بال جریان ندارد. بنابراین کشش بیشتر می‌شود و نیروی بالابرنده به‌شدت کاهش می‌یابد که به‌اصطلاح می‌گوییم هواپیما متوقف شده است.
گرداب نوک بال چیست؟
هواپیما هوا را به‌صورت کاملا یک‌دست به عقب پرتاب نمی‌کند. هر بال در واقع با ایجاد یک گرداب کوچک هوا را به‌سمت پایین می‌فرستد. این گرداب شکلی کاملا پیچیده دارد و بیشتر آن به‌سمت پایین حرکت می‌کند. حجم بزرگی از هوا در مرکز آن به‌سمت پایین حرکت می‌کند، ولی مقداری هوا به‌سمت بالا نیز می‌رود و سرعت بالارفتن را کاهش می‌دهد.
هواپیما چگونه هدایت می‌شود؟
هدایت هر چیزی مثل دوچرخه، ماشین یا اسکیت‌بورد به این معنی است که باید مسیر حرکت آن را تغییر دهید. از دیدگاه علمی، تغییر جهت حرکت چیزی به‌معنی تغییردادن سرعت آن است، یعنی سرعتی که در یک جهت خاص دارد. همچنین، هدایت‌کردن را می‌توان مانند کاری در نظر گرفت که باعث می‌شود چیزی در یک خط مستقیم متوقف شود و در یک دایره شروع به حرکت کند؛ یعنی باید به آن نیرویی دهید که به آن نیروی مرکزگرا می‌گویند. اما هواپیما که با زمین در تماس نیست، بنابراین نیروی مرکزگرا از کجا می‌آید؟
درست مانند فرد دوچرخه‌سواری که به‌سمت پیچ خم می‌شود، هواپیما نیز به‌سمت منحنی خم می‌شود. هواپیما به یک سمت کج می‌شود و یک بال پایین‌تر از بال دیگر قرار می‌گیرد. بالارفتن کلی هواپیما در یک زاویه کج می‌شود و اگرچه بیشتر حرکت همچنان به‌سمت بالا است، بخشی از آن به‌سمت طرفین نیز خواهد بود. این حرکت به‌سمت طرفین نیروی مرکزگرا را به وجود می‌آورد که باعث می‌شود هواپیما به‌صورت دایره‌ای بچرخد.
خلبان آسانسورهای دم را تنظیم می‌کند تا هواپیما را مجبور به فرود یا صعود کند. پایین‌آوردن آسانسورها باعث پایین رفتن دماغه هواپیما شده و هواپیما را به‌سمت پایین می‌برد. به‌همین ترتیب، بالا بردن آسانسورها باعث اوج‌گرفتن هواپیما می‌شود. اما وقتی که سکان به یک سمت چرخانده می‌شود، هواپیما به چپ یا راست حرکت می‌کند. دماغه هواپیما در همان جهتی است که سکان آن قرار دارد. سکان و بالکن‌ها با هم برای چرخش استفاده می‌شوند.
سرعت لازم برای بلند شدن هواپیما چقدر است؟
محاسبه دقیق سرعت لازم برای بلند شدن هواپیما به شرایط آب‌وهوایی و ویژگی‌های طراحی آیرودینامیکی خاص هر هواپیما بستگی دارد. عوامل کلیدی که بر سرعت برخاست هواپیما (که گاهی به آن سرعت چرخش نیز گفته می‌شود) اثر می‌گذارند عبارت‌اند از: جهت جریان هوا، شکل هواپیما (به‌ویژه بال‌های آن)، اندازه هواپیما و وزن آن. در مجموع، ترکیب نامتناهی از عوامل آیرودینامیکی و محیطی بر سرعت موردنیاز برای بلند شدن هر هواپیما اثر می‌گذارد.
مثلا یک هواپیمای ۴نفره برای بلندشدن از زمین باید ۹۶ کیلومتر بر ساعت سرعت داشته باشد، درحالی‌که یک جت تجاری بزرگ باید به سرعت ۲۰۸ کیلومتر در ساعت برسد.
آشنایی با بخش‌های مختلف هواپیما
۱. مخازن سوخت
تأمین انرژی یک هواپیما به سوخت زیادی نیاز دارد. مثلا ایرباس A380 بیش از ۳۱۰۰۰۰ لیتر سوخت گنجایش دارد که تقریبا هفت هزار برابر یک ماشین معمولی است. مخازن سوخت با ایمنی تمام درون بال‌های بزرگ هواپیما جاسازی شده‌اند.
۲. ارابه فرود
هواپیما روی چرخ‌ها و لاستیک‌های محکم بلند می‌شود و فرود می‌آید. این چرخ‌ها به‌سرعت به‌وسیله میله‌های هیدرولیکی زیر بدنه هواپیما جمع می‌شوند تا مقاومت هوا در زمان پرواز در آسمان کاهش پیدا کند.
۳. رادیو و رادار
برادران رایت مجبور بودند هواپیمای خود را فقط با کمک چشم به پرواز درآورند. البته این موضوع برای آنها اهمیتی نداشت، زیرا هواپیمایشان نزدیک به زمین پرواز کرد و فقط ۱۲ ثانیه در آسمان ماند. علاوه‌بر این، هواپیمای دیگری در آسمان نبود. امروزه آسمان در هر ساعت از روز پر از هواپیماهای مختلف است که در شرایط جوی مختلف پرواز می‌کنند. بنابراین رادیو، رادار و سیستم‌های ماهواره‌ای برای مسیریابی ضروری هستند.
۴. کابین‌های فشار
هرقدر از سطح زمین بالاتر برویم، فشار هوا کمتر می‌شود. به‌همین دلیل است که کوهنوردان در ارتفاع بسیار زیاد به کپسول اکسیژن نیاز دارند. قله اورست ۹ کیلومتر بالاتر از سطح دریا قرار دارد ولی هواپیماها معمولا در ارتفاع بالاتر از آن پرواز می‌کنند و به‌همین علت کابین‌های فشار دارند. در این کابین‌ها هوای گرم به‌طور پیوسته به داخل پمپ می‌شود تا مردم بتوانند به‌راحتی نفس بکشند.
جمع‌بندی
شاید امروزه پرواز با هواپیما خیلی هیجان‌انگیز به نظر نرسد، ولی به‌جرئت می‌توان گفت که همچنان یکی از بزرگ‌ترین اختراع‌های بشر است. نحوه پرواز هواپیما اگرچه پیچیده به‌نظر می‌رسد، اما به‌سادگی با توضیح چند قانون فیزیک قابل‌درک است. نظر شما چیست؟
1 دیدگاه
تشکر از مقاله آموزنده شما