logo

logo

logo

logo

logo

تحريك الهواء

تحريك هواء

Aerodynamic - Aérodynamique

تحريك الهواء

 

تحريك الهواء aerodynamic أحد العلوم الهندسية يعنى بدراسة تأثيرات حركة الهواء (كقوى وضغوط وعزوم) الناتجة عن حركة الأجسام في الجو. يُطبّق هذا العلم في تصميم الأجسام الطائرة والصواريخ، وله دور مهم في اختيار الأشكال الهندسية للقوارب وسيارات السباق والمناطيد والقطارات السريعة والمركبات والسفن الفضائية والعنفات الريحية والعنفات الغازية وكرات الألعاب وغيرها.و يُستعان به كذلك في دراسة مدى تحمل الجسور والأبراج وناطحات السحاب لحركة الرياح.

لمحة تاريخية

نشأ علم تحريك الهواء في أوربة في القرن الثامن عشر الميلادي بعد أن طرح العالمان السويسريان دانيل برنوي (1700-1782) Daniel Bernoulli وليونار أولر (1707-1783) Leonhard Euler نظريتيهما في تحريك الغازات والسوائل. وبعد قرن من الزمن وَضَع القوانين الأساسية لتحريك الغازات والموائع الفرنسي هنري نافييه (1785-1836) Hennri Navier في عام 1827. غير أن وضع الحلول الرياضية لهذه القوانين المعقدة لم يتم إلا بعد اعتماد فرضيات تبسيطية مدعومة بالتجارب العملية .ونتج عن تطور هذا العلم تجريبياً ظهور معاملات التشابه والخواص اللزجة للموائع (سوائل أو غازات) على يدي أوزبورن رينولدز Reynolds Osborne في عام 1883 و إرنست ماخ Mach في عام 1889، و تحديد مفهوم المائع المثالي واكتشاف الطبقة الحدية Boundary Layer في الجريانات من الألماني لودفيغ براندل L.Prandtl في عام 1904، الذي أُطلق عليه اسم «أبو علم تحريك الهواء الحديث». وفي نهاية القرن التاسع عشر وفي بداية القرن العشرين أدّى علم تحريك الهواء التجريبي إلى اكتشاف القوانين الفيزيائية التي مكّنت العلماء من شرح ظاهرتي قوة الرفع lift على يد نيقولاي جوكوفسكي Joukovski Nikolai في عام 1904 وقوة مقاومة الهواء drag على يد بلازيوس Blasius في عام 1907. وأدى تطور هذا العلم إلى زيادة  سرعة الأجسام الطائرة إلى سرعات تفوق سرعة الصوت، ويعود الفضل في ذلك إلى تيودور كارمان (1881-1963) T.V.Karman الذي تركّزت أبحاثه في مجال نظرية الاضطراب والطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت.

المفهومات الأساسية لتحريك الهواء

يُحدد علم تحريك الهواء القوى التي لها تأثير متبادل بين الأجسام الطائرة والهواء. ولكي تستطيع الطائرة المحافظة على مسارها وتوازنها في أثناء الطيران (الشكل 1)، يجب أن تتساوى قوة الدفع  thrust مع قوة مقاومة الهواء، و قوة الرفع مع الوزن. فإذا تغيرت قوة مقاومة الهواء لسبب ما وزادت قيمتها على قيمة قوة الدفع، فإن سرعة الطائرة تتباطأ. وإذا زادت قيمة قوة الدفع على قيمة مقاومة الهواء، فإن سرعة الطائرة تزداد. إن كلمة الرفع لا تعني بالضرورة رفع الأشياء، ففي أثناء إقلاع الطائرة يجب أن تكون قوة الرفع أكبر من وزن الطائرة، وإبان الطيران الأفقي تكون قوة الرفع مساوية للوزن، أما حين الهبوط فيجب أن تكون قوة الرفع أصغر من وزن الطائرة. إن علم تحريك الهواء لا يفرق بين كون الجسم ثابتاً والهواء متحركاً، أو بين كون الجسم متحركاً والهواء ثابتاً، وما يهمه هو الفرق النسبي بين سرعتي الجسم والهواء.

القوى الأساسية الأربع لتحريك الهواء

1ـ قوة الدفع: هي القوة الناتجة عن محركات الدفع في الجسم الطائر (كالمراوح أو المحركات النفاثة) واللازمة للتغلب على مقاومة الهواء. إن قوتي الدفع والمقاومة تقعان في اتجاهين متعاكسين.

2ـ قوة مقاومة الهواء: هي القوة التي تقاوم حركة أي جسم في الهواء، ويكون اتجاهها معاكساً لاتجاه قوة الدفع في الجسم الطائر. فإذا أخرج شخص يده خارج نافذة سيارة وهي تسير فإنه يشعر بسهولة بتأثير مقاومة الهواء. وهي تتعلق بسرعة حركة الجسم، فإذا تباطأت سرعة السيارة، انخفض تأثير المقاومة.كذلك تتعلق المقاومة بحجم الجسم المعرّض للهواء وشكله.

3ـ الوزن: كل جسم على الأرض له وزنه حتى الهواء، وهو قوة تتجه دائماً نحو مركز الأرض.و لكن وزن الجسم الطائر لا يمنعه من الطيران إذا ما توافرت له قوتا الدفع والرفع اللازمتان.

4ـ قوة الرفع: هي القوة التي تتغلب على الوزن بغية المحافظة على توازن الجسم الطائر في الهواء، وهي تؤثر في أي جسم صلب مغمور في مائع متحرك كالهواء، ويكون اتجاهها عمودياً على اتجاه جريان المائع ومعاكساً لاتجاه الوزن. إن هذه القوة الميكانيكية الناشئة عن التأثير المتبادل والتماس بين جسم صلب ومائع يصعب شرحها من دون الاستعانة بالقوانين الرياضية.لكن في حالة الطائرة فإن أجنحتها توفر لها معظم قوة الرفع اللازمة (انظر المقطع العرضي الانسيابي للجناح). لا توجد قوة الرفع إلا بوجود المائع (الهواء)، وهذا يفسر سبب عدم تزويد المركبات أو السفن الفضائية بأجنحة كبيرة مع أنها تمضي جزءاً من وقتها في الهواء. فالمركبات الفضائية مُصممة للمكوث زمناً طويلاً في الفضاء الخارجي الخالي من الهواء. وعند عودتها إلى الأرض تُولّد أجنحتها الصغيرة نسبياً قوة رفع كافية لها لهبوط آمن. ولا توجد قوة الرفع أيضاً إلا بوجود الحركة، لأنها تتولد من نشوء فرق بين سرعتي المائع والجسم الصلب الموجود فيه، وثمة عدة طرق لزيادة قوة رفع الجناح في الطائرة كزيادة سرعة جريان الهواء أو إمالة الحافة الأمامية للجناح نحو الأعلى (الشكل 2) أي ما يعرف بزيادة قيمة زاوية الهجوم angle of attack، وهي الزاوية المحصورة بين اتجاه الحركة وخط وتر chord المقطع العرضي للجناح الواصل بين حافة المقطع الأمامية وحافته الخلفية.

المقطع العرضي الانسيابي للجناح airfoil

يصعب فهم كيف يمكن الهواء أن يحمل طائرة ثقيلة الوزن بعيداً عن الأرض. وقد يبدو الجواب غريباً للوهلة الأولى. فمن السهل القول إن الهواء يدفع أجنحة الطائرة وجسمها نحو الأعلى، ولكن الهواء يحيط بالطائرة من جميع الجهات، ولا بد للهواء الموجود أسفل الأجنحة أن يدفع الطائرة نحو الأعلى بقوة أكبر من قوة الهواء الموجود أعلى الأجنحة ويدفع الطائرة نحو الأسفل. إن قوة دفع الهواء هذه تُسمى ضغط الهواء، ومن ثمّ فإن ضغط الهواء أسفل الأجنحة أكبر من مثيله فوق الأجنحة. وما يزال تفسير هذه الظاهرة مُبهماً، فكيف يتكون هذا الفرق في الضغط على سطحي الأجنحة. إن النظر إلى الجناح من الجانب يُظهر أن له شكلاً خاصاً يسمى المقطع العرضي الانسيابي للجناح (الشكل 2) فيكون سطحه العلوي منحنياً، وسطحه السفلي مستوياً تقريباً. وعلى بساطة هذا الشكل فإن أثره كبير في تمكين الطائرة من الطيران. وثمة عدة تفسيرات لظاهرة قوة الرفع هذه أهمها تفسير الممر الطولي، ويُعرف أيضاً بتفسير العالم برنوللي، أو بتفسير تساوي زمن العبور)، والتفسير النيوتني (نسبة للعالم نيوتن، ويعرف أيضاً بتفسير انتقال كمية الحركة أو بتفسير انحراف الهواء). مع أنه من السهل نقض هذين التفسيرين، إلا أنهما يقدمان فهماً حدسياً لظاهرة حدوث قوة الرفع.

1ـ تفسير الممر الطولي: يستند هذا التفسير إلى أن السطح العلوي للمقطع العرضي للجناح أكثر انحناءً من سطحه السفلي. ويفترض أن جسيمين هوائيين متلاصقين ينفصلان عن الحافة الأمامية للمقطع العرضي للجناح، ويتحرك كل منهما عبر أحد سطحي المقطع العرضي، ويعودان فيتلاقيان عند الحافة الخلفية له في زمن واحد. وعلى اعتبار أن الجسيم الذي عبر السطح العلوي قطع مسافة أكبر، فإن سرعته أكبر من سرعة الجسيم الذي قطع السطح السفلي. واستناداً إلى معادلة برنوللي الشهيرة التي تثبت انخفاض ضغط المائع حين ازدياد سرعته أو العكس، فإن الجسيم العابر للسطح العلوي ينخفض ضغطه، في حين يرتفع ضغط الجسيم العابر للسطح السفلي. والفرق بين الضغطين المتشكلين على سطحي الجناح يساعدان على سحب الجناح ورفعه نحو الأعلى. إن هذا التفسير غير صحيح تماماً، إذ لا يوجد سبب منطقي لالتقاء الجسيمين الهوائيين في الوقت نفسه عند الحافة الخلفية، كما أن بعض المقاطع العرضية الانسيابية للأجنحة قد تكون متناظرة (الأسطح العلوية والسفلية متشابهة تماماً)، وكان الأخوان رايت Wright أول من استخدم مقطعاً متناظراً للأجنحة. لكن هذا التفسير غير خاطئ تماماً، لأن الهواء المتحرك فوق السطح العلوي يتحرك فعلاً بسرعة أكبر من سرعة تحرك الهواء تحت السطح السفلي، حتى إنه في الحقيقة يتحرك بسرعة أكبر من السرعة المتطلبة لالتقاء الجسيمين الهوائيين عند الحافة الخلفية للمقطع العرضي. كما أن الضغط الكلي المقاس عند السطح العلوي هو حقاً أقل من الضغط الكلي المقاس عند السطح السفلي.

2ـ التفسير النيوتني: يستند هذا التفسير إلى القانون الثالث لنيوتن الذي ينص على أن لكل فعل رد فعل مساوياً له ويعاكسه بالاتجاه. ويفترض أن الهواء الذي يرتطم بالسطح السفلي للمقطع العرضي للجناح يسلك سلوك ارتداد رصاصة بندقية بعد ارتطامها بصفيحة معدنية مثلاً. فكل جسيم هوائي يرتد عن السطح السفلي للمقطع العرضي بعد ارتطامه به، ينحرف نحو الأسفل. وتمنح جسيمات الهواء لدى ارتطامها بالسطح السفلي جزءاً من كمية حركتها (أو طاقتها) إلى المقطع العرضي للجناح، مما يؤدي إلى دفعه نحو الأعلى تدريجياً. وهذا التفسير غير صحيح تماماً: لأنه يتجاهل كلياً السطح العلوي للمقطع العرضي للجناح، الذي لا يمكن إهمال أثره في نشوء قوة الرفع التي إذا حُسبت استناداً إلى السطح السفلي فقط كانت قيمتها غير صحيحة. أضف إلى ذلك، ملاحظات أُولر التي ظهرت بعد قانون نيوتن بعدة قرون، والتي تتلخص بأن المائع المتحرك باتجاه جسم ما ينحرف حتى قبل أن يرتطم بسطح الجسم. ويُستنتج من ذلك أن جسيمات الهواء لا تسلك سلوك الرصاصة. ومن ثمّ فإن تفاعل جزيئات الهواء وتأثيراتها في السطح السفلي للجناح يتم بطريقة ما يصعب وصفها بتفسيرات مبسطة. كذلك لا يمكن أن يكون هذا التفسير خاطئاً تماماً لأنه إن لم يستطع تقدير قيمة قوة الرفع تقديراً صحيحاً في شروط الطيران العادية، فإن باستطاعته إجراء التقدير الصحيح لهذه القيمة في شروط أخرى للطيران. ففي شروط الطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت بخمسة أمثالها، يكون التفسير النيوتني صحيحاً لأنه في السرعات العالية  مع انخفاض قيمة الكتلة الحجمية للهواء (الكثافة) تسلك جزيئات الهواء سلوك الرصاصة تماماً والتفسير العلمي الصحيح لقوة الرفع هو أنها تتولد عند انعطاف جريان الهواء حول الجناح، فيتولد فرق في الضغط على طرفي الجناح ناتج عن اختلاف سرعة الهواء في كل نقطة من النقاط المحيطة بالجناح. إن انحراف جريان الهواء هو المصدر الأساسي لتوليد قوة الرفع، وإن الضغط العالي المتولد أسفل الجناح لا يدفع بالجناح نحو الأعلى، ولكن الضغط المنخفض المتولد أعلى الجناح هو المسؤول عن سحب الجناح نحو الأعلى، كما تسحب المكنسة الكهربائية قطعة من الورق لدى اقترابها من فوهتها.

تأسست في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1915 اللجنة الوطنية الاستشارية للملاحة الهوائية National Advisory Committee on Aeronautic واسمها المختصر NACA وهي سلف NASA أي الإدارة الوطنية لأبحاث الملاحة الهوائية والفضاء National Aeronautics and Space Administration. وإبان السنوات الممتدة من عام 1929 حتى عام 1947 نفذّت NACA في مخبر لانغلي Langley التابع لها اختبارات مكثفة في نفق هوائي على مئات من المقاطع العرضية الانسيابية . وقد ساعدت نتائج هذه الاختبارات المهندسين على حساب قوى الرفع والمقاومة التي تؤديها المقاطع العرضية في شروط طيران مختلفة.

اختبارات تحريك الهواء

 إن الهدف من اختبارات تحريك الهواء في نفق هوائي على نموذج مصغّر لطائرة مثلاً، هو مساعدة المصمم على التنبؤ بالسلوك الحقيقي لبعض خواص التحريك الهوائي أثناء الطيران، كتغير القوى والعزوم بتغير زاوية الهجوم مثلاً. يُحدث النفق الهوائي جرياناً هوائياً مضبوطاً وموجّهاً نحو نموذج مصغّر لجسم حقيقي يُراد اختباره.ويتطلب الحصول على نتائج عملية دقيقة الحيطة والدقة في التعامل مع العناصر الرئيسة الثلاثة الآتية: النفق الهوائي والنموذج المصغّر ومقاييس القوى والعزوم. فمعايرة النفق الهوائي قبل الاختبار أمر ضروري بغية الحصول على قيم صحيحة ما أمكن لقياسات الضغط ودرجة الحرارة والسرعة وغيرها. ويجب أن تكون الأبعاد الهندسية للنموذج المصغّر مختارة بدقة بحيث تمثّل النموذج الأصلي إلى حد كبير. أما مقاييس القوى والعزوم فيجب معايرتها وتركيبها في مواضعها المناسبة بحيث تمنع حدوث تداخل القراءات فيما بينها.

التطبيقات الأخرى لتحريك الهواء

 إن تطبيق علم تحريك الهواء على كرات الألعاب الرياضية ليس موضوعاً جديداً، فالعالم نيوتن أول من تنبّه في عام 1672 على أهمية دراسة تحريك الهواء في كرة. واستفادت صناعة الكرات الرياضية من هذا العلم إفادة كبيرة، منها على سبيل المثال صناعة كرتي التنس والغولف، كما استفادت منه صناعات كثيرة.

1ـ كرة التنس: إن شدة القوى المطبقة على كرة التنس واتجاهها (الوزن والرفع والمقاومة) تُحدد المسار المنحني لطيران الكرة، فتغير أي قوة من هذه القوى يؤدي إلى تغيرمسارها. ويمكن تعيين بعض المتغيرات كالسرعة والتسارع وموضع الكرة وغيرها تحليلياً، إلا أن قوى الرفع والمقاومة لا يمكن تحديدها إلا تجريبياً. ولأهمية معرفة هذه القوى، أنشأ الاتحاد العالمي للتنس نفقاً هوائياً خاصاً به لاختبار كرات التنس. ودراسة كيف تتولد قوة الرفع في كرة التنس طالما أن سطحها متناظر والضغط في كل نقطة من نقاطه متساو، ومن ثمّ قوة الرفع معدومة. إن دوران الكرة  لولبياً هو الذي يُكسبها قوة الرفع اللازمة.وتتعرض كرة التنس في طيرانها لمقاومة احتكاكية تسببها خشونة السطح، ولتصغير هذه المقاومة، تُغطى كرة التنس باللباد المزود بالزغب، فحين تزداد سرعة الكرة تنبسط شعيرات الزغب على سطحها وتنخفض المقاومة الاحتكاكية أو مقاومة الزغب للهواء، ويمكن أن تصل سرعة الكرة إلى 60 متراً في الثانية بدلاً من 20 متراً في الثانية في حال عدم وجود شعيرات الزغب.

2ـ كرة الغولف: يحوي السطح الكروي لكرة الغولف على 500 نُقرة مرتبة وموزعة ضمن 60 مثلثاً كروياً . ويعود الفضل في اختيار هذا الشكل الغريب للسطح إلى تطبيق مبادئ تحريك الهواء بغية تحقيق أفضل سطح كروي متناظر وأعلى سرعة ابتدائية وأفضل استقرار لطيران الكرة، ومن ثمّ ّ تحقيق أفضل جريان هوائي منتظم عبر سطح الكرة الذي يدور دوراناً لولبياً أثناء الطيران. وثمة ثلاثة أنواع لكرات الغولف تختلف فيما بينها في شكل النقرة وعمقها. فالكرة ذات النقرات الكبيرة تقلل من مقاومة الهواء، وتزيد من قوة الرفع وتحافظ على الدوران اللولبي للكرة في طيرانها لمسافة طويلة، في حين تجد الكرة ذات النقر الصغيرة من الزيادة المفرطة في قوة الرفع التي تسبب عدم استقرار الكرة في أثناء الطيران. أما الكرة ذات النقر متوسطة الحجم فتجمع بين خصائص الكرتين السابقتين.

3ـ سيارات السباق: يعود الفضل الأكبر في نجاح سيارات السباق إلى علم تحريك الهواء للتقدم البطيء الذي طرأ على محركات السيارة وإطاراتها، إذ إن هاجس أي فريق من الفرق المتسابقة في سباقات السيارات هو تصميم سيارة تتمتع بأقل مقاومة ممكنة للهواء وتحسين مردود تحريك الهواء للسيارة، كما أن تصغير حجم محركها إلى أصغر حجم ممكن يمكّنها من التعرض لمقاومة أقل للهواء. ففي عام 1966، ظهرت أُولى الأجنحة المعكوسة القصيرة والمبتكرة لسيارات السباق، ثم تطورت هذه الأجنحة كثيراً مما أدى إلى زيادة سرعة السيارة وإلى تحسين استقرارها. وفي عام 1970 ابتكرت إحدى الشركات الأطواق المحكمة الجانبية التي تهدف إلى تخفيض الضغط أسفل السيارة وزيادة قوة السحب باتجاه الأرض (مكافئة لقوة الرفع في الطائرة لكن تعاكسها بالاتجاه). وفي عام 1978 أدخلت تعديلات مناسبة على الجسم السفلي للسيارة اشتمل على قنوات خاصة وجيوب جانبية لزيادة المساحة الفعالة، مما أدى إلى زيادة ملموسة في قوة السحب.

4ـ العنفات الريحية: يتألف القرص الدّوارrotor للعنفة الريحية أو الهوائية wind turbine الحديثة من ريشة واحدة أو ريشتين أو ثلاث ريش. تُصنَّع ريش العنفات من مواد مركبة كالألياف الزجاجية، وعمرها الافتراضي يصل إلى عشرين عاماً. إن مبدأ عمل هذه الريش لا يختلف كثيراً عن مبدأ عمل المقطع العرضي الانسيابي لجناح طائرة، لكن تُختار عادة المقاطع العرضية الثخينة للاستخدام في العنفات الريحية. إن اتجاه الرياح التي ترتطم بالقرص الدّوار يختلف عن اتجاهها بعيداً عن القرص بسبب الحركة الدورانية للقرص، وهذا يعني أنه من المستحيل تحويل كامل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة ميكانيكية. وعند ارتطام تيار الهواء بالقرص الدّوار يفقد جزءاً من سرعته ويزيد ضغطه، أي يفقد جزءاً من طاقته التي تتحول إلى طاقة ميكانيكية. ولما كانت الريش مجبرة على الدوران ضمن مستو، كانت قوة الرفع الناتجة تسبب دوران القرص الدّوار حول مركزه. وتحاول قوة المقاومة العمودية منع القرص الدّوار من الحركة، لذا فإن الهدف الرئيسي للمصمم يكمن في تصميم ريش توفرنسبة عالية بين قوة الرفع وقوة المقاومة. وتتغير هذه النسبة على طول الريشة بغية الحصول على قيم مثلى للطاقة المولّدة من العنفة عند اختلاف سرعات الرياح.

 

عبد الهادي الزين

 

الموضوعات ذات الصلة:

 

السيارة ـ الصاروخ ـ الطائرة ـ العنفة ـ القمر الصنعي ـ المركبات الفضائية ـ الملاحة الفضائية (الهوائية) ـ النفق الهوائي.

 

مراجع للاستزادة:

 

- E.L.HOUGHTON &N.B.CARRUTHERS, Aerodynamics for Engineering Students (Third Edition, Edward Arnold 1982).

- D.KUCHEMANN FRS,The Aerodynamic Design of Aircraft (Pergamon Press 1978).


التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)
النوع : تقانة
المجلد: المجلد السادس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 90
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 510
الكل : 29643319
اليوم : 23329

الكفالة (عقد-)

الكفالة (عقد -)   الكفالة bail عقد بمقتضاه يكفل شخص تنفيذ التزام بأن يتعهد للدائن بأن يفي بهذا الالتزام إذا لم يف به المدين نفسه. فالكفالة إذاً عقد ويتوقف انعقادها على وجود إرادتين هما إرادة الكفيل وإرادة الدائن. ومحلها تنفيذ التزام قائم في ذمة المدين المكفول أياً كان محل هذا الالتزام، سواء أكان مبلغاً من النقود أم القيام بعمل أم الامتناع عن عمل. فإن كان محل الالتزام المكفول مبلغاً من النقود وجب على الكفيل وفاء هذا المبلغ. أما إن كان محله عملاً أو امتناعاً وجب عليه أن يدفع ما قد يُحكم به على المدين تعويضاً عن إخلاله بتنفيذ الالتزام، ويمكن أن يكون الكفيل شخصاً طبيعياً أو اعتبارياً. وهي عقد منجز لا يتوقف وجودها على عدم قيام المدين بالوفاء بالتزامه، إنما يكون التزام الكفيل تابعاً لالتزام المدين، فإذا وفى هذا الأخير بالتزامه المكفول لم يبق ثمة محل لالتزام الكفيل بحيث ينقضي بانقضاء الالتزام المكفول.
المزيد »