مقالات
در حال خواندن
آیرودینامیک چیست ؟ نیروی آیرودینامیکی چه نقشی در حرکت دارد؟
0

آیرودینامیک چیست ؟ نیروی آیرودینامیکی چه نقشی در حرکت دارد؟

توسط میثم نجفی ارشادی۲۵ اسفند, ۱۳۹۵

واژه آیرودینامیک از کلمه یونانی aerios به معنی «مربوط به هوا» و dynamis به معنی «نیرو» می آید. آیردینامیک مطالعه حرکت گازها مهم ترین آنها هوا و تأثیر آنها بر حرکت اشیایی است که در میانشان حرکت می کنند. به عبارت دیگر آیرودینامیک طریقه حرکت هوا در اطراف چیزها است. به این ترتیب هر چیزی که میان هوا حرکت می کند به آیرودینامیک یعنی رفتار هوا در اطراف چیزهای متحرک واکنش نشان می دهد. موشکی که از سکو پرتاب می شود و بادبادکی که در آسمان به پرواز درمی آید به آیرودینامیک واکنش نشان می دهد. آیرودینامیک حتی بر روی خودروها هم عمل می کند، چراکه هوا در اطراف خودروها جریان دارد. در ادامه مطلب با مکاسیس همراه باشید. . . 

آیرودینامیک یا هواپویش، شاخه‌ای از دینامیک گازها و در حالت کلی‌تر دینامیک سیّالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک می‌پردازد. منظور از حل یک مسئلهٔ آیرودینامیکی، محاسبهٔ میدان سرعت، فشار، و دمای هوا در اطراف یک جسم است. برای این منظور باید معادله‌های حاکم بر جریان سیّال را حل کرد. سپس به کمک حل به دست آمده می‌توان نیروها و گشتاورهای وارد بر جسم را حساب کرد.

تاريخچه آیرودینامیک

برادران رايت توانستند با استفاده از نبوغ و خلاقيت خود در دهم دسامبر ۱۹۰۳ كه آرزوي ديرينه بشر را كه پرواز بود تحقيق بخشند و از زماني كه اسحاق نيوتن فيزيكدان انگليسي ، نيروي جاذبه را كشف كرد، فكر پرواز و غلبه بر نيروي جاذبه در انسان شدت بيشتري يافت. برادران رايت كه يك مغازه تعميرات دوچرخه داشتند، هميشه در فكر پرواز بودند.

آنها بر اساس اطلاعات و مطالعات كه در مورد پرواز داشتند به ساخت بالها و طراحي هواپيما پرداختند. سپس يك تونل باد كوچك ساخته و اجزاي آيروديناميكي هواپيماي خود را كه از طراحي كاملا نوين و پيشرفته برخوردار بود، آزمايش كردند. و اولين پرواز قابل كنترل هواپيما را انجام دادند. زماني كه هواپيما به پرواز در مي‌آيد تحت تاثير نيروهاي آيروديناميكي قرار مي‌گيرد.

نيروی آيروديناميكی

نيروي آيروديناميك در اثر وزش باد بر روي يك جسم توليد مي‌شود. اين جسم مي‌تواند تير چراغ‌ برق ، يك آسمان خراش ، پل ، هواپيما و يا كابل برق فشار قوي باشد. اما بازتاب نيروي آيروديناميكي كه ايجاد مي‌شود، بستگي به شكل اين جسم خاص كه در معرض وزش باد قرار گرفته است. اگر هم پهن و داراي زاويه تند باشد در برابر باد مقاومت مي‌كند و در جهت وزش باد خم مي‌شود. اما اگر داراي زواياي خميده و يا نيم‌دايره باشد، مقاومت كمتري نسبت به ساير اجسام خواهند داشت. نيروهاي آيروديناميكي شامل چهار نيرو مي‌شود، كه اين نيروها عبارتند از :

  • نيروی برا (LIFT)
  • نيروی وزن (WEIGHT)
  • نيروی رانش (THRUST)
  • نيروی پسا (DRAG)
نمایش نیرو های آیرودینامیکی بر روی یک جسم

نمایش نیرو های آیرودینامیکی بر روی یک جسم

۱-نيروی برا (LIFT)

نيروي برا ، نيرويي است كه باعث بالا رفتن هواپيما يا هليكوپتر و اجسام برنده ايجاد مي‌شود. براي اينكه اين نيرو ايجاد شود بايد جسم مورد نظر شكل خاصي داشته باشد، مطلوب‌ترين شكل مي‌تواند به صورت يك قطره آب و يا يك جسم كه يك طرفش نيم‌دايره و طرف مقابل آن زاويه تند داشته باشد. اگر اين جسم به گوشه‌اي در جريان هوا قرار گيرد كه باد از سمت جسم كه حالت نيم‌دايره دارد بوزد و از طرف مقابل كه زاويه تندي دارد جسم را ترك كند، نيروي برا ايجاد خواهد شد. وقتي كه مولكولهاي هوا با لبه جلوي بال برخورد مي‌كند، تعدادي به سمت بالا و تعدادي به سمت پايين بال متمايل مي‌شوند. هر دو گروه مولكولها مي‌بايستي در انتهاي بال همزمان به يكديگر برسند. چون بالاي بال هواپيما انحناي بيشتري دارد و مسافت آن نسبت به زير بال بيشتر است.

در نتيجه مولكولهايي كه از سطح بالايي عبور مي‌كنند. مي‌بايستي با سرعت بيشتري حركت كنند تا با مولكولهاي سطح پايين همزمان به انتهاي بال هواپيما برسند. اين عمل باعث كاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پايين بال خواهد شد.

اشاره به اصل برنولي وقتي كه سرعت هوا در سطح بالاي بال بيشتر از سطح پاييني آن باشد، فشار در سطح بالايي كم مي‌شود. حال كه فشار هوا در قسمت بالاي بال كاهش مي‌يابد و يك خلا نسبي ايجاد مي‌شود كه جسم را به طرف خود مي‌كشد. اين خلا نسبي همان نيروي برا مي‌باشد كه باعث بالا رفتن هواپيما مي‌شود. هر چقدر سرعت هواپيما بيشتر باشد مقدار خلا نسبي نيز بيشتر مي‌شود.

۲-نيروی وزن (WEIGHT)

زماني كه ما روي زمين قرار گرفته‌ايم وزن ما بطور عمود بر مركز زمين وارد مي‌شود. وزن ما باعث قرار گرفتن روي زمين و نيز جاذبه‌اي كه برما وارد مي‌شود با وزن ما برابر خواهد بود. طبق قانون نيوتن ، نيروي جاذبه‌اي كه بر جسم ما وارد مي‌شود برابر با يك خواهد بود.

براي اينكه هواپيما به پرواز درآيند بايد بر نيروي جاذبه غلبه كند. وزن هميشه در جهت مخالف نيروي برا است.

۳- نيروی رانش (THRUST)

وقتي جسمي از زمين بلند شده و در فضا قرار مي‌گيرد، بايد نيروي رانش كافي داشته باشد. به عبارت ديگر نيروي رانش باعث مي‌شود تا هواپيما به طرف جلو حركت كرده و جريان لازم را ايجاد كند. جريان ايجاد شده توليد نيروي برا اين كار را خواهد كرد. در هواپيما نيروي رانش بوسيله موتور فراهم مي‌شود.

۴-نيروی پسا (DRAG)

 طبق قانون نيوتن هر عملي يك عكس‌العمل در جهت مخالف خواهد داشت به دليل اينكه نيروي رانش باعث جلو رفتن هواپيما مي‌شود. افزايش اين نيرو باعث افزايش نيروي پسا خواهد شد. وجود نيروي پسا يك امر اجتناب ناپذير است ولي كارشناسان ، طراحان و سازندگان هواپيما سعي مي‌كنند در حين پرواز از مقدار نيروي پسا كاسته شود.

شكل هواپيما ، هر قدر بالها نازكتر يا محل اتصال اجزا خارجي با بدنه زاويه‌هايي تند نداشته باشد، بخشي از نيروي پسا كاهش مي‌يابد. بستگي به شكل خاص اجزايي كه در توليد نيروي برا نقش دارند. مانند بالها ، و بخشي از بدنه . براي اينكه هواپيما بتواند سرعت‌هاي كم به اندازه كافي نيروي برا و در سرعت‌هاي زياد از توليد نيروي پسا كاسته شود بالهاي آن را به گونه‌اي مناسب طراحي مي‌كنند.

درگ نیرویی است که باعث کندی حرکت اجسام می‌شود و جابه‌جایی را برای آن‌ها مشکل می‌سازد. درست مانند راه رفتن در آب که به مراتب از راه رفتن در خشکی سخت‌تر است و به این‌ دلیل است که آب نسبت به هوا، نیروی درگ بیشتری را باعث می‌شود. شکل اشیا نیز در به وجود آمدن نیروی درگ تاثیر بسزایی دارند. بیش‌تر اجسام کروی نسبت به اجسام با سطح مقطع صاف، نیروی مقاومت بیش‌تری دارند و معمولا اجسام کم‌عرض از نمونه های عریض‌تر درگ کمتری را تولید می‌کنند. به بیانی دیگر هر چقدر که جریان هوا با سطح مقطع یک جسم تماس بیش‌تری داشته باشد، درگ بیش‌تری تولید می‌کند.

ضریب درگ (Drag Coefficient)

رایج‌ترین روش برای بررسی ویژگی‌های آیرودینامیکی یک اتومبیل محاسبه ضریب مقاومت پسای آن یا همان ضریب درگ است که Cd نیز گفته می‌شود. ضریب درگ برای هر خودرو به طور جداگانه و تجربی، در تونل‌های باد اندازه‌گیری می‌شود. برای یک اتومبیل هر چه این ضریب کوچکتر باشد، نمونه آیرودینامیک‌تری خواهد بود.

طبق مطالب گفته شده هر خودرویی در طول مسیر حرکت خود باید با نیروی درگ مقابله کند.ضریب ائرودینامیکی که در زبان فارسی به ان ضریب پسار اطلاق می شود مقاومت هوا در مقابل خودرو را نشان می دهد و یا به عبارت بهتر مقدار نیروی درگ را نشان میدهد.هرچه این عدد کمتر باشد نیروی درگ ما کمتر است.این عدد هیچ گونه یکایی (واحد) ندارد و همیشه کمتر از یک است (مثلا ۰.۳۵).

کاربردهای آیرودینامیک

مهم‌ترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است. البته آیرودینامیک کاربردهای زیاد دیگری هم دارد. در مهندسیخودرو، از آیرودینامیک برای طراحی بدنهٔ خودرو استفاده می‌شود تا نیروی پسای خودرو کم شود. مهندسان سازه از آیرودینامیک برای تحلیل اثر هواکشسانی جریان باد بر سازه‌هایی مثل آسمان‌خراش‌ها یا پل‌هایابرج‌ها استفاده می‌کنند. طراحی پره های توربین های گازی و بادی از دیگر کاربردهای مهم آیرودینامیک در صنعت محسوب می شود.

تصویری از تست آیرودینامیک خودرو شرکت فولکس

تصویری از تست آیرودینامیک خودرو شرکت فولکس

واکنش شما چیست؟
I like it
100%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میثم نجفی ارشادی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید