ما هي القوى التي تؤثر على هيكل الطائرة

هناك أربع قوى رئيسية تؤثر على الطائرة؛ قوة الدفع وهي قوة الوزن أي الجاذبية (Weight) وقوة الرفع (Lift) وقوة السحب أو الإعاقة (Drag) وقوة الدفع (Thrust)، حيث أنّ هناك تناسب بين هذه القوى دون مساواة.

ما هي القوة في الفيزياء

القوة (Force): هي كمية فيزيائية متجهه يعبر عنها بمقدار واتجاه إمّا تكون سحب (الشد) أو دفع تؤثر في الأجسام المتحركة بواسطة جسم آخر، بحيث إمّا تزيد سرعتها أو توقفها أو تغير اتجاه حركتها، وتؤثر في الأجسام الساكنة فتحركها.

وحدة قياس القوة حسب النظام العالمي لوحدات القياس هي نيوتن (Newton) ويرمز لها بالرمز “N” وبحيث أنّ 1 نيوتن = (كغ.م / ث²). القوة= الكتلة X التسارع

القوة لها دور كبير في طيران الطائرة والمحافظة على اتزانها، حيث أن الطائرة ترتفع عندما تصبح قوة الرفع والدفع أكبر من قوة السحب والوزن وتنخفض عندما تكون قوة الوزن والسحب أكبر، وهذا يعني أنّ حركة الطائرة في الهواء تعتمد على اتجاه القوة النسبية ومقدارها إذا كانت القوى متوازنة، فإنّ الطائرة تبحر بسرعة ثابتة إذا كانت القوات غير متوازنة وكما تتسارع الطائرة في اتجاه القوة الأكبر، كما يجب علينا فهم كيف تطير الأشياء من خلال التعرف على قوى الطيران الأربع.

تعريف القوى الأربعة

أولاً: قوة الوزن أي الجاذبية (Weight)

قوة الوزن: هي الوزن الكلي للطائرة نفسها (هيكلها، أجنحتها، محركاتها، ذيلها) والطاقم والوقود والبضائع أو الأمتعة، والوزن وهو القوة التي تسحب الطائرة للأسفل بسبب قوة الجاذبية، حيث إنّه يقاوم الرفع ويعمل عمودياً لأسفل عبر مركز ثقل الطائرة (CG)، ويمكن حسابها من خلال المعادلة الآتية:

الوزن (Wight)= الكتلة الكلية للطائرة (mass) x تسارع الجاذبية الأرضية (acceleration).

ملاحظة:(CG) هي اختصار لـ (Center of Gravity).

ثانياً: قوة الرفع (Lift)

قوة الرفع: هي قوة ناتجة عن التأثير الديناميكي للهواء يعني حركة الهواء  على جناح الطائرة، وتعمل بشكل عمودي على مسار الرحلة عبر مركز الرفع (CL)، وعمودياً على المحور الجانبي، حيث في الطيران المستوي يقاوم الرفع القوة الهابطة للوزن.

باختصار تفسير قوة الرفع ناتجه عن عدم توازن الضغط ضد الجناح ضغط أقل على السطح العلوي وضغط أعلى على السطح السفلي، يمكن حساب “توزيع الضغط” هذا بدقة لكل من الطيران دون سرعة الصوت (subsonic) من الصوت والأسرع من الصوت(supersonic).

ملاحظة:(CL) هي اختصار لـ (coefficient of lift).

ما هي العوامل التي تؤثر على قوة الرفع؟

إنّ حجم الجناح وشكله والزاوية التي يلتقي بها مع الهواء القادم والسرعة التي يتحرك بها في الهواء وحتى كثافة الهواء، كلها تؤثر على مقدار الرفع الذي يخلقه الجناح لنبدأ بشكل الجناح المخصص للطيران دون سرعة الصوتية، حيث يتم توليد معظم هذه القوة بواسطة الأجنحة نقطة واحدة تسمى مركز الضغط (cp) ويتم تحديد مركز الضغط تماما مثل مركز الوزن، وذلك بتوزيع الضغط بدلاً من توزيع الوزن، ويمكن حسابها من خلال المعادلة الآتية:

L = 1/2 p v² A C_L

حيث أنّ:

• p: هي كثافة الهواء.

• v²: هي مربع السرعة للهواء وهي تختلف باختلاف بعد النقطة المراد الحساب عدها عن مركز الدوران.

• A: هي مساحة السطح المعرض لتدفق الهواء.

• C_L: هو ثابت الرفع، وهو يتعلق بشكل الجنيح الـ (aero-foil).

قد ينتج جناح الطائرة رطلًا من قوة الرفع لكل بوصة مربعة في الرحلة عندما تسير في شكل مستوي لا يبدو هذا كثيراً، ولكنّه عندما تتراكم على كامل سطح الأجنحة لكل بوصة مربعة تبلغ مساحة أجنحة طائرة بوينج 747 حوالي (510 متر) مربع أي مت يعادل (5500 قدم مربع)، ويمكن أن تنتج ما يصل إلى (390 طناً) أي ما يعادل (850.000 رطل) من قوة الرفع.

ملاحظة: (cp) هي اختصار لـ (center of pressure).

ثالثاً: قوة السحب أو الإعاقة (Drag)

قوة السحب أو الإعاقة: هي تكون في الاتجاه الأفقي عكس اتجاه قوة الدفع أي أنها للخلف وهي تنتج عن الحركة في الهواء نتيجة للتيارات الهوائية، وهو ينتج عن مجموعة من المركبات التي تمثل الأنواع المختلفة للسحب ، ويمكن حسابها من خلال المعادلة التالية:

D= 1/2 p U² A CD

حيث أنّ:

• p: هي كثافة الهواء.

• U²: هي مربع السرعة للهواء.

• A: هي مساحة السطح المعرض لتدفق الهواء.

• CD: هو ثابت السحب، وهو يتعلق بشكل الطائرة.

ملاحظة: “CD” هي اختصار لـ “coefficient of drag”.

رابعاً: قوة الدفع (Thrust)

قوة الدفع: هي قوة في الاتجاه الأفقي وتكون باتجاه الأمام عكس اتجاه قوة السحب وهي يتم انتاجها من قبل المحركات النفاثة للتغلب على قوة السحب، وليس رفعها ومقدارها يعتمد على نوع المحرك الذي يتم اختياره بناءً على نوع الطائرة والغرض المستخدمة لأجله، ومقدار الصيانة الذي يحتاجه المحرك بالإضافة إلى سعره.

يكون المحرك مثبت على جناح الطائرة يمكن تغيير اتجاه الدفع لمساعدة الطائرة على الإقلاع في مسافة قصيرة جداً، ويعتمد حجم الدفع على العديد من العوامل المرتبطة بنظام الدفع بما في ذلك نوع المحرك وعدد المحركات وموقعه حسب نوعها يصدر غازات ساخنه بعكس اتجاهها، أي أنّ قوة الرفع رد فعل للغاز الساخن حسب قانون نيوتن الثالث.

قانون نيوتن الثالث

ينص قانون نيوتن الثالث للحركة على أنّه “لكل فعل رد فعل متساوٍ في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”.

هناك بعض الطائرات التي تسمى الطائرات الشراعية التي ليس لها محركات على الإطلاق ولكنّها تطير بشكل جيد، كما يجب تطبيق بعض مصادر الطاقة الخارجية لبدء الحركة اللازمة للأجنحة؛ لإنتاج قوة الرفع لكن أثناء الطيران يقاوم الوزن كل من الرفع والسحب وأوضح مثال على ذلك الطائرات الورقية، ولكن هناك أنواعاً عديدة من الطائرات الشراعية، بحيث يتم قيادة بعض الطائرات الشراعية ويتم سحبها عالياً بواسطة طائرة تعمل بالطاقة.

كيفية الطيران مع القوى

الرفع والسحب والدفع كلها قوى ميكانيكية (mechanical force) يتم إنشاء القوة الميكانيكية عن طريق التفاعل بين جسم وما سائل (سائل أو غاز)، والوزن هو قوة ميدانية (Field force) ولا يجب أن تكون القوة الميدانية على اتصال جسدي مع الأجسام ليكون لها تأثير على الجسم.

عندما تطير طائرة يتم تصميم الجناح لتوفير قوة رفع كافية للتغلب على وزن الطائرة، بينما يوفر المحرك قوة دفع كافية للتغلب على قوة السحب وتحريك الطائرة للأمام، وتتغلب قوة الدفع في الصاروخ على وزن الجسم لتحريك الصاروخ للأعلى. كما تؤثر زيادة وزن الطائرة على مقدار قوة الرفع المطلوب في المقابل، وسيوفر الجناح الأكبر مزيداً من قوة الرفع، لكن هذا سيزيد من مقدار قوة السحب وبالتالي يزيد مقدار قوة الدفع والمطلوب قوى التحليق أربعة مترابطة والتغيير في إحداها يؤثر على باقي القوة.

• يكون هناك حاجة للتغلب على الوزن أي قوة الجاذبية.

• للتغلب على الجاذبية، يجب إنشاء قوة صاعدة تسمى قوة الرفع.

• لإنشاء قوة الرفع، هناك حاجة إلى توليد قوة دفع للحركة الأمامية.

• للاستمرار في الحركة، هناك حاجة إلى التغلب على مقاومة الهواء وهي قوة تسمى السحب.