چگونه هواپیماها بر نیروی جاذبه غلبه کرده و پرواز می کنند؟

هواپیما یکی از مهم‌ترین و شاید بهترین اختراع‌های بشر است که توسط برادران رایت ساخته شد و در طول زمان تکامل یافت.

نحوه حرکت و پرواز هواپیما، سوالی است که معمولا ذهن بسیاری از مسافران و علاقه‌مندان به این وسیله را درگیر می‌کند.

در این مطلب که بر اساس توضیحات سازمان فضایی ناسا نوشته شده، به صورت کامل اما با زبانی ساده، یاد می‌گیریم که هواپیما چگونه بر نیروی جاذبه غلبه کرده و پرواز می‌کند.پس با ما همراه باشید.

بیایید از هوا شروع کنیم!

مثل هر ماده دیگری که در طبیعت می‌بینیم، هوا هم یک ماده فیزیکی است که وزن دارد. هوا دارای مولکول‌هایی است که دائما در حال حرکت هستند. فشار هوا هم توسط حرکت همین مولکول‌ها ایجاد می‌شود.

همه ما جریان بادی که با صورت و بدن‌مان برخورد می‌کند را حس کرده‌ایم. همان هوای متحرکی که با نیروی خود، بادبادک‌ها و بادکنک‌ها را بالا و پایین می‌برد.

اما هوا فقط از یک عنصر واحد تشکیل نشده، بلکه مخلوطی از گازهای مختلف است؛ مثل: اکسیژن، دی‌اکسید‌کربن و نیتروژن. همین گازهای مختلف هستند که به جریان هوا قدرت هل دادن و کشیدن پرندگان، بادکنک‌ها، بادبادک‌ها و هواپیماها را می‌دهد؛ پس هر چیزی که پرواز می‌کند، به هوا نیاز دارد.

اواخر قرن 1600 میلادی، فردی به نام «فرانچسکو لانا» شروع به طراحی یک کشتی هوایی کرد. او با این ایده که هوا وزن دارد، طرحش را روی کاغذ کشید؛ به این صورت که کشتی دارای چهار کره توخالی بود که با خارج شدن هوا از آن‌ها، وزن‌شان کم می‌شد و می‌توانستند در هوا شناور بمانند.

هر یک از این چهار کره، به یک ساختار قایق مانند متصل می‌شدند تا بتوانند کشتی را به پرواز در بیاورند. طرح فرانچسکو هیچ‌وقت عملی نشد، اما احتمالا شما هم با توصیف این کشتی هوایی، به یاد بالون افتادید.

دقیقا همین‌طور است، این همان ایده‌ای است که می‌گوید، هنگامی که یک بالون پر از هوای گرم می‌شود، منبسط و پخش شده و از هوای خنک بیرون از بالون، سبک‌تر می‌شود؛ پس به همین دلیل، شروع به بلند شدن از زمین می‌کند.

بال‌ها چگونه هواپیما را از زمین بلند می‌کنند؟

بال‌های هواپیما به گونه‌ای طراحی شده‌اند که باعث می‌شود هوا، سریع‌تر از قسمت بالای «بال»، حرکت کند. وقتی هوا سریعتر حرکت می‌کند، فشار هوا کم شده و بنابراین، فشار پایین بال بیشتر از فشار بالای بال می‌شود.

با این اختلاف فشار، نیرویی در بال ایجاد می‌شود که بال را به سمت بالا بلند می‌کند. در تصویر بالا، یک شبیه‌سازی رایانه‌ای ساده وجود دارد که با دیدن آن می‌توانید متوجه شوید که چگونه بال‌ها چطور به سمت بالا می‌روند.

چهار نیروی موثر در پرواز

ﻧﯿﺮوی ﭘﺴﺎ 

نیروی پسا یا Drag در مقابل Thrust قرار دارد و در برابر حرکت هواپیما به جلو مقاومت می‌کند. طراحان هواپیما، برای کاهش این نیرو، سطوح هواپیما را به شکلی طراحی ‌می‌کنند که از نظر آیرودینامیکی، کمترین میزان مقاومت در برابر هوا را داشته باشند.

راﻧﺶ

ﻧﯿﺮوﯾﯽ که باعث می‌شود هواپیما به حرکت در آمده و به سمت جلو پیش برود. این نیرو توسط موتورهای پر‌قدرت هواپیما، تامین می‌شود.

‫ﻟﯿﻔﺖ

اﯾﻦ ﻧﯿﺮو به خاطر ﻓﺮم ﺧﺎص بال‌های ﻫﻮاﭘﯿﻤـﺎ که در قسمت قبل توضیح داده شد، ایجاد می‌شود و در نتیجه، بدنه را ‫ﺑﻪ ﺳﻤﺖ ﺑﺎﻻ هدایت می‌کند.‬‬‬‬‬‬

‫ﻧﯿﺮوی ﺟﺎذﺑﻪ

ﻧﯿﺮوﯾﯽ ﮐﻪ باعث می‌شود ﻫﺮ ﭼﯿﺰی، به سمت اﯾﻦ ﮐﺮه ﺧﺎﮐﯽ کشیده شود.

ایرفول

برشی از سطح مقطع بال هواپیماها را ایرفول می‌گویند. این برش باعث می‌شود که جریان هوا از روی بال هواپیما سریع‌تر از زیر آن عبور کند. این اختلاف سرعت باعث ایجاد اختلاف فشار می‌شود. اختلاف فشار نیز، یک نیروی بالا‌بری ایجاد می‌کند که هواپیما را به سمت بالا می‌کشد.

خلبان چطور هواپیما را کنترل می‌کند؟

بیایید وانمود کنیم که دست‌هایمان بال هستند. اگر یک بال را به کمی پایین و بال دیگر را به سمت بالا‌تر ببریم، می توانیم از این حرکت برای تغییر جهت هواپیما استفاده کنیم. در واقع کج شدن به یک سمت، به چرخش هواپیما کمک می‌کند. حالا اگر در این حالت خلبان، جلوی هواپیما را به سمت بالا هدایت کند (بالابردن گام)، ترکیب همه این حرکات، پرواز را کنترل می‌کند. اهرم‌ها و دکمه‌هایی در کابین هواپیما وجود دارد که خلبان می‌تواند با فشار دادن آن‌ها، انحراف، گام و چرخش هواپیما را تغییر دهد.

ایلرون‌ها: برای چرخاندن هواپیما به سمت راست یا چپ، ایلرون‌ها در یک بال، بالا آورده شده و در بال دیگر پایین می‌آید. 

الویتورها: خلبان همچنین با بالا و پایین کردن الویتورهای دم، هواپیما را مجبور به فرود یا صعود می‌کند. پایین آوردن الویتورها باعث پایین آمدن دماغه هواپیما شده و هواپیما را به سمت پایین هدایت می‌کند. بالا بردن آن نیز، باعث بالا رفتن هواپیما می‌شود.

رادرها: رادر نیز برای کنترل چرخش هواپیما استفاده می‌شود. هنگامی که رادر به یک سمت چرخانده می‌شود، هواپیما به چپ یا راست حرکت می‌کند. دماغه هواپیما در همان جهتی است که سکان آن قرار دارد.

اینفوگرافی کنترل‌های کابین پرواز

نحوه پرواز هواپیما

تئوری برنولی چیست؟

این تئوری را دانشمند معروف، «دانیل برنولی» ارائه کرده است. اگر ما دو مولکول هوا را در نظر بگیریم که در جلوی بال‌های هواپیما باشد و یکی از مولکول ها از پایین و دیگری از بالا عبور کنند، این دو مولکول در لبه عقبی بال همزمان به هم خواهند رسید.

از آنجا که بال‌های بالایی خمیدگی بیشتری نسبت به قسمت پایینی دارند، بنابراین مولکول بالایی مسیر بیشتری را در زمان مساوی نسبت به مولکول پایینی طی کرده است، پس در نتیجه سرعتش بیشتر بوده است.

طبق تئوری برنولی با افزایش سرعت سیال، فشار در آن نقطه کم خواهد شد. با استناد به این موضوع، چون سرعت سیال در قسمت فوقانی بال بیشتر است، پس فشار در آن‌جا کمتر از فشار هوای بخش تحتانی بال است و این اختلاف فشار، باعث کشیده شدن بال به طرف بالا می‌شود.

کلام آخر

در این مقاله از مجله تکنولوژی ایده آل تک، به بررسی مختصر علمی نحوه کارکرد هواپیما و غلبه آن بر نیروی جاذبه پرداختیم. در پایان از شما عزیزان درخواست داریم تا سوالات خود را با ما به اشتراک بگذارید تا در کمترین زمان به شما پاسخ دهیم.

سوالات متداول