الديناميكا الهوائية هو مجال معرفي يدرس حركة تدفقات الهواء وتأثيراتها على الأجسام الصلبة. إنه قسم فرعي من ديناميكيات المياه والغاز. يعود البحث في هذا المجال إلى العصور القديمة ، إلى وقت اختراع السهام ورماح التخطيط ، مما جعل من الممكن إرسال مقذوف أكثر وأكثر دقة إلى الهدف. ومع ذلك ، تم الكشف عن إمكانات الديناميكا الهوائية بالكامل من خلال اختراع مركبات أثقل من الهواء قادرة على الطيران أو الانزلاق لمسافات طويلة.
منذ العصور القديمة
ساهم اكتشاف قوانين الديناميكا الهوائية في القرن العشرين في قفزة رائعة في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا ، وخاصة في قطاع النقل. بناءً على إنجازاتها ، تم إنشاء طائرات حديثة ، مما جعل من الممكن جعل أي ركن من أركان كوكب الأرض متاحًا للجمهور.
تم العثور على أول إشارة لمحاولة غزو السماء في الأسطورة اليونانية إيكاروس وديدالوس. بنى الأب والابن أجنحة تشبه الطيور. يشير هذا إلى أنه منذ آلاف السنين فكر الناس في إمكانية الانطلاق.
زيادة أخرىنشأ الاهتمام ببناء الطائرات خلال عصر النهضة. كرس الباحث الشغوف ليوناردو دافنشي الكثير من الوقت لهذه المشكلة. ملاحظاته معروفة والتي تشرح مبادئ تشغيل أبسط مروحية.
حقبة جديدة
الاختراق العالمي في العلوم (وعلم الطيران على وجه الخصوص) تم بواسطة إسحاق نيوتن. بعد كل شيء ، أساس الديناميكا الهوائية هو علم ميكانيكي شامل ، مؤسسه كان عالمًا إنجليزيًا. كان نيوتن أول من اعتبر الوسط الهوائي بمثابة تكتل من الجسيمات ، التي تصطدم بعقبة إما أن تلتصق به أو تنعكس بشكل مرن. في عام 1726 قدم نظرية مقاومة الهواء للجمهور.
بعد ذلك ، اتضح أن البيئة تتكون بالفعل من أصغر الجزيئات - الجزيئات. لقد تعلموا كيفية حساب انعكاسية الهواء بدقة تامة ، واعتبر تأثير "الالتصاق" افتراضًا لا يمكن الدفاع عنه.
المثير للدهشة أن هذه النظرية وجدت تطبيقًا عمليًا بعد قرون. في الستينيات ، في فجر عصر الفضاء ، واجه المصممون السوفييت مشكلة حساب السحب الديناميكي الهوائي لمركبات الهبوط ذات الشكل الكروي "الحاد" ، والتي تطور سرعات تفوق سرعة الصوت عند الهبوط. بسبب نقص أجهزة الكمبيوتر القوية ، كان من الصعب حساب هذا المؤشر. بشكل غير متوقع ، اتضح أنه من الممكن حساب قيمة السحب بدقة وحتى توزيع الضغط على الجزء الأمامي باستخدام صيغة نيوتن البسيطة فيما يتعلق بتأثير "التصاق" الجسيمات بجسم طائر.
تطوير الديناميكا الهوائية
مؤسسوصف عالم الهيدروديناميك دانييل برنولي في عام 1738 العلاقة الأساسية بين الضغط والكثافة والسرعة للتدفق غير القابل للضغط ، والمعروف اليوم باسم مبدأ برنولي ، والذي ينطبق أيضًا على حسابات الرفع الديناميكي الهوائي. في عام 1799 ، أصبح السير جورج كايلي أول شخص يتعرف على القوى الديناميكية الهوائية الأربعة للطيران (الوزن ، والرفع ، والسحب ، والدفع) والعلاقات بينهما.
في عام 1871 ، أنشأ فرانسيس هربرت وينهام أول نفق هوائي لقياس القوى الديناميكية الهوائية بدقة. نظريات علمية لا تقدر بثمن طورها جان لو روند دالمبيرت ، جوستاف كيرشوف ، اللورد رايلي. في عام 1889 ، أصبح تشارلز رينارد ، مهندس طيران فرنسي ، أول شخص يحسب علميًا القدرة المطلوبة للرحلة المستمرة.
من النظرية إلى التطبيق
في القرن التاسع عشر ، نظر المخترعون إلى الجناح من وجهة نظر علمية. وبفضل دراسة آلية طيران الطيور ، تمت دراسة الديناميكا الهوائية أثناء العمل ، والتي تم تطبيقها لاحقًا على الطائرات الاصطناعية.
برع أوتو ليلينثال بشكل خاص في البحث عن ميكانيكا الجناح. ابتكر مصمم الطائرات الألماني واختبر 11 نوعًا من الطائرات الشراعية ، بما في ذلك الطائرات ذات السطحين. كما قام بأول رحلة على جهاز أثقل من الهواء. لحياة قصيرة نسبيًا (46 عامًا) ، قام بحوالي 2000 رحلة جوية ، وعمل باستمرار على تحسين التصميم ، والذي كان أشبه بالطائرة الشراعية المعلقة منه بالطائرة. توفي خلال الرحلة التالية في 10 أغسطس 1896 ، ليصبح رائدًاالطيران ، وأول ضحية لتحطم طائرة. بالمناسبة ، قام المخترع الألماني شخصيًا بتسليم إحدى الطائرات الشراعية إلى نيكولاي إيجوروفيتش جوكوفسكي ، وهو رائد في دراسة الديناميكا الهوائية للطائرات.
لم يقم جوكوفسكي فقط بتجربة تصاميم الطائرات. على عكس العديد من المتحمسين في ذلك الوقت ، فقد اعتبر بشكل أساسي سلوك التيارات الهوائية من وجهة نظر علمية. في عام 1904 أسس أول معهد أيروديناميكي في العالم في كاتشينو بالقرب من موسكو. منذ عام 1918 ، ترأس TsAGI (المعهد الديناميكي الهيدرولوجي المركزي).
الطائرات الأولى
الديناميكا الهوائية هو العلم الذي سمح للإنسان بغزو السماء. بدون دراستها ، سيكون من المستحيل بناء طائرات تتحرك بثبات في التيارات الهوائية. تم تصنيع أول طائرة بالمعنى المعتاد ورفعها في الهواء في 7 ديسمبر 1903 من قبل الأخوين رايت. ومع ذلك ، فقد سبق هذا الحدث عمل نظري دقيق. كرس الأمريكيون الكثير من الوقت لتصحيح تصميم هيكل الطائرة في نفق هوائي من تصميمهم الخاص.
خلال الرحلات الأولى ، طرح فريدريك دبليو لانشيستر ومارتن فيلهلم كوتا ونيكولاي جوكوفسكي نظريات أوضحت دوران التيارات الهوائية التي تولد قوة الرفع. واصل كوتا وجوكوفسكي تطوير نظرية ثنائية الأبعاد للجناح. يعود الفضل إلى Ludwig Prandtl في تطوير النظرية الرياضية للديناميكية الهوائية الدقيقة وقوى الرفع ، بالإضافة إلى العمل مع الطبقات الحدودية.
المشاكل والحلول
زادت أهمية الديناميكا الهوائية للطائرات مع زيادة سرعاتها.بدأ المصممون يواجهون مشاكل في ضغط الهواء بسرعة الصوت أو بالقرب منها. أدت الاختلافات في التدفق في ظل هذه الظروف إلى مشاكل في التعامل مع الطائرات ، وزيادة السحب بسبب موجات الصدمة ، وخطر حدوث عطل هيكلي بسبب الرفرفة الهوائية. كانت نسبة سرعة التدفق إلى سرعة الصوت تسمى رقم ماخ نسبة إلى إرنست ماخ ، الذي كان من أوائل من حققوا في خصائص التدفق الأسرع من الصوت.
طور ويليام جون مكورن رانكين وبيير هنري غوغونيوت بشكل مستقل نظرية خصائص تدفق الهواء قبل موجة الصدمة وبعدها ، بينما قام جاكوب أكريت بالعمل الأولي على حساب قوة رفع وسحب الجنيحات الأسرع من الصوت. صاغ تيودور فون كارمان وهيو لاتيمر درايدن مصطلح "ترانسونيك" لوصف السرعات عند حدود ماخ 1 (965-1236 كم / ساعة) ، عندما تتزايد المقاومة بسرعة. تم كسر حاجز الصوت الأول في عام 1947 على متن طائرة من طراز Bell X-1.
الميزات الرئيسية
وفقًا لقوانين الديناميكا الهوائية ، لضمان الطيران في جو الأرض لأي جهاز ، من المهم معرفة:
- السحب الأيروديناميكي (المحور السيني) الذي تمارسه التيارات الهوائية على الجسم. بناءً على هذه المعلمة ، يتم تحديد طاقة محطة الطاقة.
- قوة الرفع (المحور Y) ، والتي توفر التسلق وتسمح للجهاز بالتحليق أفقيًا إلى سطح الأرض.
- لحظات من القوى الديناميكية الهوائية على طول ثلاثة محاور تنسيق تعمل على جسم طائر. الأكثر أهميةهي لحظة القوة الجانبية على طول المحور Z (Mz) الموجهة عبر الطائرة (بشكل مشروط على طول خط الجناح). تحدد درجة الثبات الطولي (سواء كان الجهاز سوف "يغوص" أو يرفع أنفه عند الطيران).
التصنيف
يُصنف الأداء الديناميكي الهوائي حسب ظروف وخصائص تدفق الهواء ، بما في ذلك السرعة وقابلية الانضغاط واللزوجة. الديناميكا الهوائية الخارجية هي دراسة التدفق حول الأجسام الصلبة بأشكال مختلفة. من الأمثلة تقييم قوة الرفع والاهتزازات للطائرة ، وكذلك موجات الصدمة التي تتشكل أمام مقدمة الصاروخ.
الديناميكا الهوائية الداخلية هي دراسة تدفق الهواء المتحرك عبر الفتحات (الممرات) في الأجسام الصلبة. على سبيل المثال ، يغطي دراسة التدفقات عبر محرك نفاث.
يمكن أيضًا تصنيف الأداء الديناميكي الهوائي وفقًا لسرعة التدفق:
- سرعة الصوت تسمى سرعة أقل من سرعة الصوت.
- ترانسونيك (ترانسونيك) - إذا كانت هناك سرعات أقل من سرعة الصوت وفوقها.
- Supersonic - عندما تكون سرعة التدفق أكبر من سرعة الصوت
- Hypersonic - سرعة التدفق أكبر بكثير من سرعة الصوت. عادةً ما يعني هذا التعريف سرعات بأرقام ماخ أعلى من 5.
الديناميكا الهوائية الهليكوبتر
إذا كان مبدأ طيران الطائرة يعتمد على قوة الرفع أثناء الحركة الانتقالية التي تمارس على الجناح ، فإن المروحية ، كما كانت ، تخلق قوة الرفع من تلقاء نفسها بسبب دوران الشفرات في وضع النفخ المحوري (أي بدون سرعة الترجمة). شكرا لباستخدام هذه الميزة ، يمكن للطائرة الهليكوبتر أن تحلق في الهواء في مكانها وتقوم بمناورات نشطة حول المحور.
تطبيقات أخرى
بطبيعة الحال ، لا تنطبق الديناميكا الهوائية على الطائرات فقط. تتعرض مقاومة الهواء لجميع الأجسام المتحركة في الفضاء في وسط غازي وسائل. من المعروف أن الكائنات المائية - الأسماك والثدييات - لها أشكال مبسطة. في مثالهم ، يمكنك تتبع الديناميكا الهوائية أثناء العمل. مع التركيز على عالم الحيوان ، يجعل الناس أيضًا النقل المائي مدببًا أو على شكل دمعة. هذا ينطبق على السفن والقوارب والغواصات.
تتعرض المركبات لمقاومة كبيرة للهواء: تزداد مع زيادة السرعة. لتحقيق ديناميكيات هوائية أفضل ، يتم إعطاء السيارات شكل انسيابي. هذا ينطبق بشكل خاص على السيارات الرياضية.
