ديناميكا الهوائيات

الديناميكا الهوائية هي الطريقة التي تتحرك بها الأجسام في الهواء، فأيُّ شيءٍ يتحرك في الهواء يتأثر بديناميكا الهوائيات، من طائرة ورقية إلى صاروخ. ولمَّا كانت محاطةً بالهواء؛ فكذلك السيارات تتأثر بالديناميكا الهوائية.

تُفسِّر قوانين الديناميكا الهوائية إمكانية طيران الأجسام في الجو وتتأثر بأربع قوى؛ وهي الرفع والجاذبية (الوزن) والدفع والسحب، هذه القوى تجعل الأجسام تتحرك للأعلى وللأسفل، أسرع وأبطأ. وقيمة كلِّ قوة مقارنة بما يقابلها من قوة معاكسة هي التي تحدِّد كيفية تحرك الأجسام في الهواء.

قبل البدء بشرح هذه القوى لنتذكر معًا قوانين نيوتن الثلاثة:

  1. الجسم الساكن يبقى ساكنًا إن لم تؤثر فيه قوى خارجية، والجسم المتحرك بسرعة ثابتةٍ في اتجاه واحد لن يتوقف أو يغيِّر من اتجاهه في حال عدم تأثير قوة خارجية فيه.
  2. تتحرك الأجسام بسرعة أكبر عندما تزداد قيمة القوة المؤثرة فيه دفعه؛ أي تُكسب القوة الجسمَ تسارعًا.
  3. كل قوةٍ تدفع الجسم باتجاه ما تقاومها قوة تعاكسها في الاتجاه وتساويها في القيمة.
    والآن لنتعرف معًا إلى القوى الأربعة:
    قوة الجاذبية:
    وهي القوة التي تجذب الأجسام إلى الأرض، ولمَّا كان الوزن هو مقدار الجاذبية مضروبًا في كتلة الجسم، فالوزن هو القوة الهبوطية التي يجب على الطائرة التغلُّب عليها للطيران؛ ولذلك نحتاج إلى قوة الرفع.

قوة الرفع:
قوة ميكانيكية معاكسة لقوة الجاذبية (الوزن)، وهي القوة التي ترفع جسم ما إلى الأعلى، كل شيء يطير يجب أن يكون له قوة رفع؛ فمثلًا تحتاج الطائرة لتتحرك إلى الأعلى إلى قوة رفع تقاوم وزن الطائرة، وتأتي هذه القوة -رئيسًا- من الجناحين التي تُصمم بطريقة بحيث تُصبح حركة الهواء على الجزء العلوي للجناح أسرع من الجزء السفلي، ومع ازدياد السرعة يقل الضغط؛ ممَّا يجعل الضغط فوق الجناح أقل مما هو عليه أسفل الجناح، ويُحدث هذا الاختلاف في الضغط بين أعلى وأسفل الجناح قوةَ رفع ترفع الجناح إلى الأعلى . أمَّا بالون الهواء الساخن لديه قوة رفع؛ لأنَّ الهواء الساخن داخله أخف وزنًا من الهواء حوله، وبذلك يرتفع الهواء الساخن ويحمل البالون معه. وبالنسبة إلى طائرة الهليكوبتر، قوة الرفع هنا تأتي من شفرات الدوّار؛ إذ تساهم حركة الشفرات في الهواء في رفع المروحية إلى الأعلى.

قوة السحب:
القوة الميكانيكية التي تسحب أيَّ شيء يحاول التحرك ضمن حقل غازي أو سائل، وهي المقاومة التي يُبديها الجسم في أثناء احتكاكه مع المحيط الخارجي، وتتأثر شدة هذه المقاومة بعدة عوامل؛ مثل شكل الجسم وحالة الوسط المحيط بالجسم وما إلى ذلك، فعلى سبيل المثال؛ المشي أو الركض في الماء أصعب من فعل ذلك في الهواء؛ إذ يُسبِّب الماء سحبًا أكثر من الهواء، وتمتلك الأسطح المستديرة -عادةً- قوة سحب أقل من الأشكال المسطحة، وتسبب الأسطح الضيقة قوة سحب أقل من تلك الواسعة، وكلما ازداد الهواء الذي يصطدم بسطح الجسم ازدادت قوة السحب التي يُنتجها الهواء (مقاومة الجسم).

قوة الدفع:
القوة التي تدفع وتحرك الأجسام إلى الأمام، وهي قوة ميكانيكية تولِّدها المحركات للتغلب على قوة السحب وإمكانية تحرك الجسم إلى الأمام في حال الطائرات والمركبات الأرضية، وبحالة الصاروخ تُولد قوة الدفع للتغلب على قوة الجاذبية (وزن الصاروخ) للصعود إلى الأعلى، ويختلف نظام الدفع في كلِّ مركبةٍ عن الأخرى؛ قد تحصل الطائرة الصغيرة على قوة دفع من مروحة الطائرة فقط، ولكن طائرة أكبر تحتاج إلى قوة دفع أكبر ويمكن الحصول عليها من المحركات النفاثة. أما الطائرة الشراعية مثلًا ليس لديها قوة دفع أساسًا؛ إذ يمكنها الطيران إلى أن تتمكن قوة السحب من إبطاء الطائرة وهبوطها.

وصل العالم العظيم ليوناردو دافنشي للفكرة الصحيحة عن الطيران منذ آواخر القرن الخامس عشر، وعبَّر عن أفكاره في أكثر من مئة رسمةٍ موضحًا فيها نظرياته عن الطيران، ولكن للأسف لم تُنفَّذ هذه الأفكار بسبب عدم توافر التكنولوجيا اللازمة حينذاك، ولكنَّ التصميم الذي وضعه لآلةٍ تُدعى أورنيثوبتر Ornithopter اعتُمِد عليه لاحقًا في تصميم طائرة الهيلكوبتر الحديثة.

تأخر حلم الطيران الذي بدأ قبل الميلاد كثيرًا إلى أن تحقق، ولكن تحققيه أعاد رسم حياتنا بطريقة مختلفةٍ تمامًا، ودفعت مساهمة الديناميكية الهوائية في فهم ودراسة الطيران وكالة ناسا إلى إتقان هذا الفرع، فهي طريقُة العلماء الرئيسة لاكتشاف الفضاء.

المصدر: الباحثون السوريون

شاهد أيضاً

طريقة جديدة لتوليد وقود الهيدروجين بتكلفة رخيصة

أسفر تعاون بحثي بين مختبر لوس ألاموس الوطني التابع لوزارة الطاقة الأميركية وجامعة ولاية واشنطن، …