آیرودینامیک چیست ؟

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.

تاریخچه آیرودینامیک

برادران رایت توانستند با استفاده از نبوغ و خلاقیت خود در دهم دسامبر ۱۹۰۳ که آرزوی دیرینه بشر را که پرواز بود تحقیق بخشند و از زمانی که اسحاق نیوتن فیزیکدان انگلیسی ، نیروی جاذبه را کشف کرد، فکر پرواز و غلبه بر نیروی جاذبه در انسان شدت بیشتری یافت. برادران رایت که یک مغازه تعمیرات دوچرخه داشتند، همیشه در فکر پرواز بودند.

آنها بر اساس اطلاعات و مطالعات که در مورد پرواز داشتند به ساخت بالها و طراحی هواپیما پرداختند. سپس یک تونل باد کوچک ساخته و اجزای آیرودینامیکی هواپیمای خود را که از طراحی کاملا نوین و پیشرفته برخوردار بود، آزمایش کردند. و اولین پرواز قابل کنترل هواپیما را انجام دادند. زمانی که هواپیما به پرواز در می‌آید تحت تاثیر نیروهای آیرودینامیکی قرار می‌گیرد.

نیروی آیرودینامیکی

نیروی آیرودینامیک در اثر وزش باد بر روی یک جسم تولید می‌شود. این جسم می‌تواند تیر چراغ‌ برق ، یک آسمان خراش ، پل ، هواپیما و یا کابل برق فشار قوی باشد. اما بازتاب نیروی آیرودینامیکی که ایجاد می‌شود، بستگی به شکل این جسم خاص که در معرض وزش باد قرار گرفته است. اگر هم پهن و دارای زاویه تند باشد در برابر باد مقاومت می‌کند و در جهت وزش باد خم می‌شود. اما اگر دارای زوایای خمیده و یا نیم‌دایره باشد، مقاومت کمتری نسبت به سایر اجسام خواهند داشت. نیروهای آیرودینامیکی شامل چهار نیرو می‌شود، که این نیروها عبارتند از :

• نیروی برا (LIFT)
• نیروی وزن (WEIGHT)
• نیروی رانش (THRUST)
• نیروی پسا (DRAG)

نمایش نیرو های آیرودینامیکی بر روی یک جسم

۱-نیروی برا (LIFT)

نیروی برا ، نیرویی است که باعث بالا رفتن هواپیما یا هلیکوپتر و اجسام برنده ایجاد می‌شود. برای اینکه این نیرو ایجاد شود باید جسم مورد نظر شکل خاصی داشته باشد، مطلوب‌ترین شکل می‌تواند به صورت یک قطره آب و یا یک جسم که یک طرفش نیم‌دایره و طرف مقابل آن زاویه تند داشته باشد. اگر این جسم به گوشه‌ای در جریان هوا قرار گیرد که باد از سمت جسم که حالت نیم‌دایره دارد بوزد و از طرف مقابل که زاویه تندی دارد جسم را ترک کند، نیروی برا ایجاد خواهد شد. وقتی که مولکولهای هوا با لبه جلوی بال برخورد می‌کند، تعدادی به سمت بالا و تعدادی به سمت پایین بال متمایل می‌شوند. هر دو گروه مولکولها می‌بایستی در انتهای بال همزمان به یکدیگر برسند. چون بالای بال هواپیما انحنای بیشتری دارد و مسافت آن نسبت به زیر بال بیشتر است.

در نتیجه مولکولهایی که از سطح بالایی عبور می‌کنند. می‌بایستی با سرعت بیشتری حرکت کنند تا با مولکولهای سطح پایین همزمان به انتهای بال هواپیما برسند. این عمل باعث کاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پایین بال خواهد شد.

اشاره به اصل برنولی وقتی که سرعت هوا در سطح بالای بال بیشتر از سطح پایینی آن باشد، فشار در سطح بالایی کم می‌شود. حال که فشار هوا در قسمت بالای بال کاهش می‌یابد و یک خلا نسبی ایجاد می‌شود که جسم را به طرف خود می‌کشد. این خلا نسبی همان نیروی برا می‌باشد که باعث بالا رفتن هواپیما می‌شود. هر چقدر سرعت هواپیما بیشتر باشد مقدار خلا نسبی نیز بیشتر می‌شود.

۲-نیروی وزن (WEIGHT)

زمانی که ما روی زمین قرار گرفته‌ایم وزن ما بطور عمود بر مرکز زمین وارد می‌شود. وزن ما باعث قرار گرفتن روی زمین و نیز جاذبه‌ای که برما وارد می‌شود با وزن ما برابر خواهد بود. طبق قانون نیوتن ، نیروی جاذبه‌ای که بر جسم ما وارد می‌شود برابر با یک خواهد بود.

برای اینکه هواپیما به پرواز درآیند باید بر نیروی جاذبه غلبه کند. وزن همیشه در جهت مخالف نیروی برا است.

۳- نیروی رانش (THRUST)

وقتی جسمی از زمین بلند شده و در فضا قرار می‌گیرد، باید نیروی رانش کافی داشته باشد. به عبارت دیگر نیروی رانش باعث می‌شود تا هواپیما به طرف جلو حرکت کرده و جریان لازم را ایجاد کند. جریان ایجاد شده تولید نیروی برا این کار را خواهد کرد. در هواپیما نیروی رانش بوسیله موتور فراهم می‌شود.

۴-نیروی پسا (DRAG)

طبق قانون نیوتن هر عملی یک عکس‌العمل در جهت مخالف خواهد داشت به دلیل اینکه نیروی رانش باعث جلو رفتن هواپیما می‌شود. افزایش این نیرو باعث افزایش نیروی پسا خواهد شد. وجود نیروی پسا یک امر اجتناب ناپذیر است ولی کارشناسان ، طراحان و سازندگان هواپیما سعی می‌کنند در حین پرواز از مقدار نیروی پسا کاسته شود.

شکل هواپیما ، هر قدر بالها نازکتر یا محل اتصال اجزا خارجی با بدنه زاویه‌هایی تند نداشته باشد، بخشی از نیروی پسا کاهش می‌یابد. بستگی به شکل خاص اجزایی که در تولید نیروی برا نقش دارند. مانند بالها ، و بخشی از بدنه . برای اینکه هواپیما بتواند سرعت‌های کم به اندازه کافی نیروی برا و در سرعت‌های زیاد از تولید نیروی پسا کاسته شود بالهای آن را به گونه‌ای مناسب طراحی می‌کنند.

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