تبیان، دستیار زندگی

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 مسألهٔ 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.

مسأله‌های آیرودینامیکی را می‌توان از جنبه‌های مختلف طبقه‌بندی کرد. یک طبقه‌بندی معمول بر اساس الگوی جریان هواست. اگر مسألهٔ آیرودینامیکی مربوط به جریان هوا در اطراف یک جسم باشد به آن آیرودینامیک بیرونی و اگر مربوط به جریان هوا داخل یک محیط بسته باشد به آن آیرودینامیک درونی گفته می‌شود. مثال آیرودینامیک بیرونی، جریان هوا در اطراف یک هواپیما و مثال آیرودینامیک درونی، جریان هوا داخل یک موتور جت یا تونل باد است.

روش دوم طبقه‌بندی بر اساس چگالی هواست. اگر چگالی جریان هوا در همهٔ نقاط میدان سیّال ثابت باشد و با زمان تغییر نکند، جریان تراکم‌ناپذیر و در غیر این صورت تراکم‌پذیر است.

روش سوم طبقه‌بندی مسأله‌های آیرودینامیکی بر اساس عدد ماخ جریان هوا است. اگر عدد ماخ کوچک‌تر از یک باشد جریان فروصوتی، اگر نزدیک یک باشد جریان هَماصوتی، اگر بزرگ‌تر از یک و کوچک‌تر از پنج باشد جریان زبرصوتی، و اگر بزرگ‌تر از پنج باشد جریان فوق‌صوتی خوانده می‌شود.

روش چهارم طبقه‌بندی بر اساس گرانروی هواست. اگر ضریب گرانروی ناچیز فرض شود جریان غیرلزج و در غیر این صورت لزج خوانده می‌شود.

آشنایی با خصوصیات هوا

اتمسفر:

جو همچون اقیانوسی از هوا میباشد که مجیط پیرامون زمین را احاطه نموده و ارتفاع آن به صدها هزار پا میرسد و طبق نعریف علمی تا ارتفاعی  را که بتوان حتی یک مولکول هوا مشاهده نمود میتوان جزء اتمسفر محسوب داشت. البته با توجه به اینکه پرواز موثر هواپیماها در ارتفاعات پایین جو امکان پذیر است, گفتگو در مورد ارتفاعات بالای جو در اینجا مورد بحث قرار نخواهند گرفت و حتما" در بخش هواشناسی بطور تخصصی بررسی خواهند شد.

همانطور که میدانیم هوا مخلوطی از گازهای مختلف است. ولی برای بیان این مقدار به زبان علمی کافیست گفته شود که هوا از یک پنجم اکسیژن و چهار پنجم ازت (نیتروژن) تشکیل شده است.

هوای خشک و خالص به طور حجمی از 78% نیتروژن و 21% اکسیژن و 1% آرگون تشکیل شده است, البته آثاری جزئی از گازهای دیگر همچون Co2 – هیدروژن, هلیوم و نئون نیز در هوا یافت میشوند.

خصوصیات فیزیکی هوا (Physical Properties) :
1- فشار هوا (Air Pressure) :

هوا دارای ورن است و آزمایش نیز طبق تصویر زیر این مطلب را ثابت میکند. پس اگر جو را به لایه های مختلف تقسین کنیم, وزن لایه های بالاتر بر روی لایه های پایینتر اثر گذاشته و آنها را تحت فشار قرار میدهد. پس هوا دارای فشار است و طبیعی است که لایه های مجاور سطح دریاهای آزاد بیشترین فشار را داشته باشد.

اندازه گیری فشار هوا :

دانشمند ایتالیایی تریحلی (Thrihili) به وسیله یک ظرف جیوه و یک لوله شیشه ای طبق تصاویر زیر فشار هوا را ندازه گیری نمود. در سالیان بعد کارشناسان سازمان ICAO در یک روز معین در نقطه ای مجاور دریا با عرض جغرافیایی N: 400 و حرارت 15 درجه سانتی گراد معادل 59 درجه فارنهایت فشار هوا را اندازه گیری نمودند که فشار استاندارد سطح دریا نامیده میشو

این مقدار (فشار استاندارد) برابر است با :

76 سانتی متر جیوه مساوی 92/29 اینچ جیوه و برابر 07/14 PSI معادل 1013 میلی بار (mbar) میباشد. که برای تبدیلات واحدی هم میتوان از همین پارامترها استفاده نمود.

طبق محاسبات سازمان ICAO در 20.000 پا فشار هوا 75/13 اینچ جیوه که کمتر از نصف فشار سطح دریا میباشد کاهش میابد که مشخص میشود حدود 50 درصد توده هوای کره زمین در لایه 20.000 پایی آ متمرکز است. و دلیل این توزیع غیر بکنواخت هوا در جو همانا قابلیت تراکم هوا (Compressibility) میباشد

حرکت نسبی (relative motion) :

به هنگام گفتگو در مورد حرکات باید نسبی بودن آنها را در نظر داشت.این مسئله در مورد هواپیماها نیز صادق است مثلا به هنگام پرواز هواپیماها یک سرعت نسبت به هوا و سرعت دیگری نسبت به زمین دارد و معمولا این دو باهم مساوی نیستند و بستگی به سرعت باد دارد.
اگر هواپیما به هنگام پرواز با باد روبه رو (Head wind) مواجه شود سرعت زمینی اش کم شده و اگر با باد پشت (Tail Wind)مواجه باشد سرعت زمینی اش زیاد خواهد شد.
بنا بر این در پرواز افقی (cruise)به نفع آن است که باد پشت داشته باشد ولی به هنگام Take Off و Landing از باد روبه رو استقبال میکنند تا یرعت زمینیاش کم شده و در نتیجه برای نشست و برخاست به طول باند کمتری نیاز داشته باشد.از گفته های فوق میتوان فرمول زیر را نوشت:

مثال-هواپیمایی با سرعت 125mph در پرواز بوده و با باد روبروی به سرعت 25mph مواجه است سرعت زمینی آن چقدر است؟
V_g=125-25=100 mph
توجه:سرعت هواپیما نسبت به هوا توسط لوله  pitot وبه عبارت بهتر سیستم pitot- static اندازه گرفته میشود.که در درس INSTRUMENT تشریح خواهد شد.واحد سرعت
mph و گره دریایی knot براب یک مایل دریایی در ساعت می باشد. یک مایل زمینی برابر 5280ft و یک مایل دریایی 6080ft است.


اصل برنولی ( Bernoulli ُs principle)
دانیل برنولی دانشمند معروف سویسی ثایت کرد که در یک جریان منظم پیوسته (steady flow)رابطه زیر صادق است.
برنولی این فرمول رابه طریق ریاضی در مبحث مکانیک سیالات ثابت کرده است و در عمل به سادگی میتوانیم تعبیر ساده و عامیانه زیر را به عمل آوریم         P+1/2p V²=CTE
که در جریان Steady اگر سرعت زیاد شود  فشار کم می شود و بالعکس و آزمایشات متعدد صحت این قضیه را تایید میکنند.                                                             یا
                                                                                                                                                                                                          P+q=cte
                                                                                                                                                                                                  p=static press
                                                                                                                                                                                          q=DYNAMIC PRESS

لوله وانتوری(Venturi Tube)

لوله وانتوری تصویر مناسبی از صحت اصل برنولی را به رخ میکشد. طبق تصویر لوله وانتوری لوله ای است که دو سر آن گشاد بوده و در وسط (Throat)باریک میگردد.
حال اگر یک جریان منظم وارد این لوله شود طبیعی است در گلوگاه تنگتر است سرعتش بیشترین بوده و طبق اصل برنولی باید فشارش کمترین باشد و اگر چند فشار سنج
در طول لوله نسب کنیم صحت این مسئله آشکار می گردد.قسمت اول لوله که جداره ها به هم نزدیک میشوند را همگرا convergent و قسمت بعد از گلوگاه را که جداره ها از هم دور می شوند واگرا Divergent میگویند.

پس از آزمایش جلسه گذشته نتیجه میگیریم که هوا در مسیر خود در داخل لوله وانتوری هرچه به throat نزدیک میشود سرعتش افزون و فشارش (static) کاهش می بابد و بعد از گلوگاه که به قسمت واگرا میرسد سرعتش کاهش و فشار استاتیکش افزایش می یابد.
حال اگر جداره بالایی لوله وانتوری را برداشته و آنرا با یک Flat Plate جایگزین نمائیم باز به نتیجه متشابه خواهیم رسید.

حال اگر در نهایت صفحه بالایی را به کلی حذف نموده و آزمایش را فقط با دیواره زیرین تکرار نماییم فشارسنج ها باز نتایج متشابهی را نشان میدهند.حال اگر زیر جداره زیرین را بایک Flat plate بپوشانیم در واقع به Airfoil دست یافته ایم که پایه و اساس بال را تشکیل میدهد.
در این تصویر اگر از هوا از بالا و پایین حرکت نماید در بالا به علت تغییرات سرعت, همه جا فشارش از پایین کمتر است   در حالیکه در پایین به علت صاف بودن ,سرعت تغییری نکرده پس فشار ثابت می ماند در نتیجه در اثر اختلاف فشار بالا و پایین نیرویی به سمت بالا پدیدار میگردد که همانا نیروی بالا برنده(LIFT) است بدین ترتیب میتوانیم بگوئیم که به بال دست یافته ایم یعنی اگر جسمی به نام بال هواپیما با چنین سطح مقطعی با سرعت مشخصی در هوا حرکت نماید نیروی lift مورد نیاز ما را برای تحمل وزن فراهم می آورد.

مثلا یک نوع آن برای ملخ مناسب نوعی دیگربرای فرامین هواپیما مناسب است, نوعی دیگر برای بالهای کم سرعت و نوعی دیگر برای بالهای پر سرعت مناسب است .
از یک نوع برای ساخت بدنه و از نوعی دیگر برای ساخت موشک استفاده می شود.