الديناميكا الهوائية للطائرات

الديناميكا الهوائية هي دراسة ديناميات الغازات والتفاعل بين جسم متحرك والغلاف الجوي الذي يمثل أهمية أساسية، حيث يمكن رؤية حركة الجسم ورد فعله على تدفق الهواء من حوله عند مشاهدة الماء يمر بمقدمة السفينة، ويعتبر هذا أبسط مثال، لكن الفرق الرئيسي بين الماء والهواء هو أن الهواء قابل للضغط والماء غير قابل للضغط، كما يعتبر تأثير تدفق الهواء على الجسم جزءًا كبيرًا من دراسة الديناميكا الهوائية، حيث تم استعارة بعض المصطلحات الشائعة للطائرات، مثل الدفة والبدن وخط المياه وشعاع العارضة وهي من المصطلحات البحرية.

الديناميكا الهوائية

تمت كتابة العديد من الكتب العلمية حول الديناميكا الهوائية لرحلة الطائرات، حيث أنه ليس من الضروري أن يكون هيكل الطائرة وميكانيكي المحرك (A&P) على دراية بالديناميكا الهوائية مثل مهندس الطيران، حيث يجب أن يكون الميكانيكي قادرًا على فهم العلاقات بين كيفية أداء الطائرة أثناء الطيران ورد فعلها على القوى المؤثرة على أجزائها الهيكلية، ويصبح فهم سبب تصميم الطائرات بأنواع معينة من أنظمة التحكم الأولية والثانوية ولماذا يجب أن تكون الأسطح ملساء من الناحية الديناميكية الهوائية أمرًا ضروريًا عند صيانة الطائرات المعقدة اليوم.

يجب وصف نظرية الطيران من حيث قوانين الطيران؛ لأن ما يحدث للطائرة عندما تحلق لا يعتمد على افتراضات، بل على سلسلة من الحقائق، حيث تكون الديناميكا الهوائية هي دراسة للقوانين التي ثبت أنها الأسباب المادية لتحليق الطائرة، كما أن مصطلح الديناميكا الهوائية مشتق من مزيج من كلمتين يونانيتين: “أيرو” وتعني الهواء و “داين” تعني قوة القوة، وهكذا عندما تنضم “aero” إلى “الديناميكيات” تكون النتيجة “الديناميكا الهوائية”، هذا يعني دراسة الأجسام المتحركة عبر الهواء والقوى التي تنتج أو تغير هذه الحركة.

من الناحية الديناميكية الهوائية، يمكن تعريف الطائرة على أنها جسم يسافر عبر الفضاء يتأثر بالتغيرات في الظروف الجوية، ولتوضيح ذلك بطريقة أخرى فقد تغطي الديناميكا الهوائية العلاقات بين الطائرة والرياح النسبية والغلاف الجوي.

ملاحظة: “(A&P) ” وهي اختصار لـ “air frame and Power Plant”.

علاقة الظروف الجوية بالطيران

قبل دراسة القوانين الأساسية للطيران، يجب مراعاة العديد من الحقائق الأساسية وهي أن الطائرة تعمل في الجو، لذلك يجب فهم خصائص الهواء التي تؤثر على التحكم في الطائرة وأدائها.

يتكون الهواء في الغلاف الجوي للأرض في الغالب من النيتروجين والأكسجين، يعتبر الهواء مائعًا؛ لأنه يناسب تعريف المادة التي لها القدرة على التدفق أو أخذ شكل الوعاء التي يتم وضعها فيها إذا تم تسخين الوعاء، كما يزداد الضغط إذا تم تبريده، أما إذا انخفض ​​الضغط فسيكون وزن الهواء أثقل وزنًا عند مستوى سطح البحر، حيث يتم ضغطه بفعل كل الهواء الموجود فوقه ويسمى هذا الضغط للهواء بالضغط الجوي.

الضغط الجوي

يتم تعريف الضغط الجوي عادةً بأنه القوة التي تمارس على سطح الأرض بفعل وزن الهواء فوق ذلك السطح، حيث أن الوزن هو القوة التي يتم تطبيقها على منطقة ينتج عنها ضغط، حيث أن القوة (F) تساوي المساحة (A) مضروبة في الضغط (P)، لتصبح على هذا النحو (F = AP) لذلك، لإيجاد مقدار الضغط، يتم تقسّيم القوة على المساحة (P = F / A)، أي عمود من الهواء (بوصة مربعة واحدة)، حيث يمتد من مستوى سطح البحر إلى قمة الغلاف الجوي يزن حوالي 14.7 رطلاً، لذلك يتم تحديد الضغط الجوي لكل بوصة مربعة (psi)، وبالتالي فإن الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر هو 14.7 رطل لكل بوصة مربعة.

يقاس الضغط الجوي بأداة تسمى البارومتر، وهو يتضمن كمية من الزئبق في أنبوب يسجل الضغط الجوي بوحدة بوصة من الزئبق، وتكون وحدة القياس في أجهزة قياس الارتفاع للطيران وتقارير الطقس الأمريكية هو (Hg)، ومع ذلك تشير خرائط الطقس في جميع أنحاء العالم، وبعض أدوات الطائرات غير المصنعة في الولايات المتحدة إلى الضغط بوحدة المليبار (mb) وهي وحدة متريّة.

وعند مستوى سطح البحر عندما يكون متوسط ​​الضغط الجوي (14.7 رطل/بوصة مربعة)، كما يكون الضغط الجوي 29.92 زئبق وبالقياس المتري 1013.25 مليار، ومن الاعتبارات المهمة أن الضغط الجوي يختلف باختلاف الارتفاع مع صعود الطائرة، حيث يقل ​​الضغط الجوي ويقل ​​محتوى الأكسجين في الهواء معه وتقل درجة الحرارة، كما تؤثر التغييرات في الارتفاع على أداء الطائرة في مجالات مثل قوة الرفع وقدرة المحرك، كما ستتم تغطية تأثيرات درجة الحرارة والارتفاع وكثافة الهواء على أداء الطائرة في الفقرات التالية.

علاقة الكثافة بالطيران

الكثافة هي الوزن لكل وحدة حجم، نظرًا لأن الهواء عبارة عن مزيج من الغازات فيمكن ضغطه، وإذا كان الهواء في وعاء واحد أقل من نصف ضغط كمية مساوية من الهواء في وعاء مماثل، فإن الهواء الموجود تحت الضغط الأكبر يزن ضعف الضغط الموجود في الوعاء تحت ضغط منخفض، كما يكون الهواء تحت ضغط أكبر ضعف كثافة الهواء الموجود في الوعاء الاخر، أما بالنسبة لوزن الهواء المتساوي، فإن ما يقع تحت ضغط أكبر لا يشغل سوى نصف حجم ذلك تحت ضغط نصف الضغط.

كثافة الغازات التي تحكمها القواعد التالية

• تتناسب الكثافة بالتناسب المباشر أي (طرديًا) مع الضغط.

• تتناسب الكثافة عكسياً مع درجة الحرارة.

• تتناسب الكثافة عكسيًا، أي يكون الهواء على ارتفاعات عالية أقل كثافة من الهواء على ارتفاعات منخفضة وتكون كتلة الهواء الساخن أقل كثافة من كتلة الهواء البارد.

تؤثر التغييرات في الكثافة على الأداء الديناميكي الهوائي للطائرة بنفس القدرة الحصانية، حيث يمكن للطائرة أن تطير بشكل أسرع على ارتفاعات عالية، حيث تكون الكثافة منخفضة عنها على ارتفاع منخفض، أي تكون الكثافة أكبر؛ وذلك لأن الهواء يوفر مقاومة أقل للطائرة، عندما يحتوي على عدد أقل من جزيئات الهواء لكل وحدة حجم.

علاقة الرطوبة بالطيران

الرطوبة هي كمية بخار الماء في الهواء، حيث يختلف الحد الأقصى لكمية بخار الماء التي يمكن للهواء أن يرفعها باختلاف درجة الحرارة، وهذا يعني أنه كلما ارتفعت درجة حرارة الهواء، زاد بخار الماء الذي يمكن أن يتشبع به، أما الرطوبة المطلقة فهي وزن بخار الماء في وحدة حجم الهواء.

الرطوبة النسبية هي النسبة المئوية للرطوبة التي توجد بالفعل في الهواء إلى الرطوبة التي كان سيحتفظ بها إذا كانت مشبعة بنفس درجة الحرارة والضغط، وبافتراض أن درجة الحرارة والضغط لا يزالان على حالهما، حيث إن كثافة الهواء تختلف عكسيًا مع الرطوبة في الأيام الرطبة، كما تكون كثافة الهواء أقل من كثافة الهواء في الأيام الجافة، لهذا السبب تتطلب الطائرة مدرجًا أطول للإقلاع في الأيام الرطبة أكثر مما تتطلبه في الأيام الجافة.