تعتمدُ ديناميكا الطيران بشكلٍ أساسي على الرياحِ وكيفية تدفقها على أسطحِ الطائرة، لتغير من وضعها في الجو أثناء الطيران. لذلك سنبدأ بنبذة سريعة عن الهواء
ما هو الهواء ؟
الهواءُ هو مادةٌ فيزيائية لها كتلة، تتحرك جزيئاتهُ بصورةٍ مستمرة، ونتيجةً لحركةِ هذه الجزيئات ينتج الضغط الجوي. الهواء هو المسئول عن القوة التي ترفع الطائرات الورقية والمناطيد.
يتكون الهواء من مزيج من الغازات المختلفة: الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. كل الأشياء التي تطير تحتاج الهواء، كالطيور، والمناطيد، والطائرات.
في عام 1640م، اكتشف الفيزيائي الإيطالي (إيفانجيلستا تورشيللي)، أن الهواء له وزن؛ فبينما كان يُجري بعض التجارب على الزئبق، وجد أن الهواء يضغط عليه.
قام عالم الرياضيات والفيزيائي الإيطالي (فرانشيسكو لانا)، بالاعتماد على هذا الاكتشاف ليقوم بتصميمِ سفينةٍ جوية قادرة على الطيران. حيث قام برسم تصميمٍ لهذه السفينة اعتمادًا على اكتشاف (تورشيللي).
فكرةُ السفينة تعتمد على تفريغ كرة مجوَّفة كبيرة من الهواء، بحيث يصبح وزنها أخف من وزن الهواء فترتفع وتطفو لأعلى. ثم يتم ربط أربع كرات بعد أن يتم تفريغها كلها من الهواء بالقارب أو السفينة، وهو ما سيجعل السفينةَ ترتفع إلى الأعلى، ولكن هذا التصميم لم تتم تجربته مطلقًا.
تصميم (فرانشيسكو لانا) للسفينة الجوية
تعتمد فكرة المنطاد أيضًا على وزن الهواء والذي يتغير بالحرارة، حيث أن الهواء الساخن تتحرك جزيئاته بشكل أسرع فيتمدد وتقل كثافته، لذلك فإن الهواء الساخن وزنه أقل من وزن الهواء البارد، وعندما يمتلئ بالون المنطاد بالهواء الساخن يبدأ بالارتفاع، أما عندما يتم تبريد هذا الهواء مرة أخرى يبدأ المنطاد في الانخفاض والهبوط.
كيف تُساهم الأجنحة في رفع الطائرة؟
يتم تصميم أجنحة الطائرة ليكون لها شكلًا مميزًا، يجعلُ الهواءَ يتدفق على السطح العلوي للجناح بسرعةٍ أكبر من سرعة تدفقه على السطح السفلي أثناء الطيران. وعندما يتحرك الهواء بسرعةٍ أكبر يقل ضغطه، لذلك الضغط عند السطح العلوي للجناح أقل منه عند السطح السفلي، وهذا الاختلاف في الضغط يُولّد قوةً تعمل على دفع الجناح من المنطقة الأعلى في الضغط (أسفل) إلى المنطقة الأقل في الضغط (أعلى)، لذلك تسمى هذه القوة بقوة الرفع والتي تجعل الجناح يرتفع لأعلى، كما بالصورة (قطاع عَرضي في جناح الطائرة).
قوانين الحركة
وضع العالم الإنجليزي (السير/ إسحاق نيوتن) ، ثلاثة قوانين عُرفت بقوانين نيوتن للحركة، هذه القوانين تساعد على فهم الآلية التي تطير بها الطائرات.
- القانون الأول: يبقى الجسم الساكن ساكنًا، والمتحرك متحركًا، ما لم تؤثر عليه قوة تغير من حالته.
- القانون الثاني: إذا أثرت قوة على جسم، فانها تُكسبه تسارعًا مقداره يتناسب طرديًا مع مقدار هذه القوة، وفي نفس اتجاهها.
- القانون الثالث: لكل فِعل رد فِعل، مساوٍ له في المقدار، مضاد له في الاتجاه.
القوى الأربع للطيران
- قوة الرفع: هي القوة التي تدفع الطائرة للأعلى.
- الوزن: هو القوة التي تدفع الطائرة إلى الأسفل.
- قوة الدفع: هي القوة التي تدفع الطائرة إلى الأمام.
- مقاومة الهواء: هي التي تقاوم تحرك الطائرة إلى الأمام.
(القوى الأربع المؤثرة أثناء الطيران)
تبين هذه الصورة القِوى الأربع الناشئة على الطائرة أثناء الطيران، ولكي تطير الطائرة بشكلٍ سليمٍ في الجو، يجب أن تتغلب قوة الدفع على مقاومة الهواء، وأيضًا تتغلب قوة الرفع على وزن الطائرة.
آلية حركة الطائرة في الجو أثناء الطيران
هناك ثلاثة محاور رئيسية تحكم حركة الطائرة جوًا، فمثلًا عندما يريد الطيار أن يغير من اتجاه الطائرة، عليه أن يجعل الطائرة تبدأ في الالتفاف أو الميل في الاتجاه المطلوب وتتم هذه العملية عن طريق تغير مستوى الجناحين حيث يرتفع مستوى أحد الجناحين وينخفض مستوى الجناح الآخر عندها ستميل الطائرة في اتجاه الجناح ذي المستوى المرتفع، في هذه الحالة تتحرك الطائرة حول محور الالتفاف (Roll) وهو ما سنتحدث عنه لاحقًا.
تساعد دفة الطائرة أيضًا في عملية تغيير الاتجاه، حيث أنه عندما تتحرك دفة الطائرة عند الذيل إلى اليمين أو اليسار، تتحرك مقدمة الطائرة يمينًا و يسارًا، وتكون هذه الحركة حول محور يعرف بمحور الانعراج (Yaw).
يتبقى لنا الآن أن نعرف كيف يتحكم الطيار في معدل الهبوط أو الارتفاع بالطائرة، ليتحكم الطيار في وضعيتي الارتفاع أو الانخفاض بالطائرة عليه أن يغير من وضع مقدمة الطائرة إما نحو الأعلى في حالة الارتفاع، أو نحو الأسفل في حالة الانخفاض. ويستطيع الطيار التحكم في وضع مقدمة الطائرة عن طريق تحريك الروافع الموجودة عند الذيل فعندما تتجه الروافع إلى أعلى ترتفع مقدمة الطائرة، والعكس صحيح عندما تتجه الروافع إلى الأسفل، وتكون هذه الحركة حول محور يعرف بمحور الانحدار((Pitch.
تبين هذه الصورة المحاور الثلاثة للطائرة أثناء الطيران، والتي يتحكم الطيار بحركة الطائرة حول كل منها، ولكن علمنا سابقًا أنه لدوران الطائرة حول محور الالتفاف، يجب تغيير مستويي الجناحين، فهل سيحرك الطيار جناحي الطائرة بالكامل؟ بالطبع لا، ولكن توجد أجزاءٌ مِفصلية عند أطراف كل جناح تعرف بالجُنيحات (ailerons)، إذ يحتاج الطيار إلى تحريك الجنيحات (ailerons) والدفة (rudder) والروافع elevators)) وذلك حتى يتمكن من التحكم الكامل بالطائرة حول كل المحاور أثناء الطيران.
كيف يقوم الطيار بالتحكم بطائرته من قُمرة القيادة ؟
يتحكم الطيار، بالطائرة من خلال بعض المفاتيح، والمقابض والشاشات التي تتكون منها قُمرة القيادة. هناك ثلاث شاشاتٍ رئيسية في القُمرة. شاشة عرض معلومات الرحلة ((Primary flight display، والتي تعرض سرعة الطائرة والارتفاع والسرعة الرأسية، كما تبين وضع الطائرة بالنسبة للأفق. بجوار هذه الشاشة توجد شاشة الرادار أو شاشة الملاحة (Navigation display)، وهي التي تبين مسار الرحلة والنقاط والطرق الجوية التي تسلكها الطائرة والمسافة، وتكون مزودةً أيضًا برادار طقس ليبين للطيار حالة الطقس في الأجواء أمام الطائرة. في المنتصف توجد شاشة عرض معلومات الأنظمة ((EICAS/ECAM، وهي التي تعرض حالة المحركات، وكمية وضغط الوقود والحرارة وضغط السائل الهيدروليكي، وضع العجلات والقلّابات(flaps)، وغيرها من المعلومات الأخرى الخاصة بأنظمة الطائرة.
والآن سنتحدث عن عجلة القيادة، والبدّالات، والتي يستخدمها الطيار عندما يتحكم في الطائرة يدويًا.
عجلة القيادة تستخدم للتحكم في الجُنيحات والروافع، بينما البدّالات تستخدم للتحكم في الدفة ومكابح العجلات؛ فعندما يسحب الطيار عجلة القيادة للخارج فإنه يرفع الروافع مسببًا ارتفاع مقدمة الطائرة، والعكس صحيح عندما يدفع عجلة القيادة للداخل، وعندما يدير عجلة القيادة لليمين تميل الطائرة لليمين وتنعطف يمينًا، والعكس صحيح.
أما البدّالات فتستخدم للتحكم في دفة الطائرة ومكابح العجلات، فعندما يضغط الطيار على البدّالة اليمنى تتحرك الدفة لليمين، والعكس صحيح، وعندما يضغط على مقدمة البدّالات يتم ربط مكابح العجلات (البدالة اليمني للعجلات اليمنى، والعكس صحيح).
الآن سنعرف ماذا يحدث بالضبط للطائرة عندما يحرك الطيار عجلة القيادة، سنبدأ بالجُنيحات فعندما يحرك الطيار عجلة القيادة إلى اليمين – على سبيل المثال – ستبدأ الجنيحات في الجناح الأيمن بالارتفاع، بينما تنخفض جنيحات الجناح الأيسر، وقد عَلِمنا سابقًا في هذا المقال أن قوة الرفع تتحدد عن طريق فرق الضغط بين السطح العلوي و السفلي للجناح، في هذه الحالة سنجد أن الهواء يتدفق على السطح العلوي للجناح الأيمن بصورة بطيئة عن السطح السفلي له (نظرًا لارتفاع الجنيحات) والعكس عند الجناح الأيسر نظرًا لانخفاض جُنيحاته، لذلك سنستنتج أن قوة الرفع عند الجناح الأيمن (ذو الجنيحات المرتفعه) أقل من الجناح الأيسر، فيتجه الجناح الأيمن إلى الأسفل بينما يتجه الجناح الأيسر إلى الأعلى، وهذا يجعل الطائرة تميل إلى اليمين، وتبدأ بالانعطاف يمينًا.
تُبين هذه الصورة المتحركة حركة الجنيحات وتأثيرها على الطائرة
سنتحدث الآن عن الدفة، والتي لا غنى عنها في أي طائرة، فبدون الدفة لن تستطيع الطائرة الانعطاف بشكلٍ سليم، بل لن تستطيع الهبوط في بعض الظروف الجوية الخاصة.
علمنا سابقًا أن الدفة تغير من اتجاه مقدمة الطائرة يمينًا ويسارًا فعند الضغط على البدّالة اليمنى تتحرك الدفة يمينًا وتتجه مقدمة الطائرة إلى اليمين والعكس صحيح، ولهذا تستخدم الدفة لتعويض ظاهرة تعرف بالانعراج العكسي، حيث تنحرف مقدمة الطائرة في اتجاه معاكس لاتجاه انعطافها عندما يقوم الطيار بالانعطاف بالطائرة باستخدام الجُنيحات، هنا لابد للطيار أن يستخدم الدفة لإعادة مقدمة الطائرة إلى الوضع السليم والمحافظة عليها من الانعراج أثناء الالتفاف بالطائرة.
تستخدم الدفة ايضًا أثناء الهبوط عندما تتأثر الطائرة برياحٍ عكسية والتي تسبب إبعاد الطائرة عن ممر الهبوط، في هذه الحالة يجب على الطيار أن يقوم بإبعاد مقدمة الطائرة عن الرياح وفي نفس الوقت أن يحافظ على مسار طيران الطائرة حتى لا تبتعد عن ممر الهبوط، يُنفّذ الطيار هذه المناورة عن طريق استخدام الدفة والجُنيحات في اتجاهين متضادين، فباستخدام الدفة يوجه مقدمة الطائرة بعيدًا عن الرياح، وبالجُنيحات في الاتجاه الآخر ليحافظ على اتجاه طيران الطائرة حتى تظل الطائرة تتحرك باتجاه مدرج الهبوط، وتعرف هذه المناورة بمناورة«الانزلاق الأمامي»، وتعد من أهم المناورات التي يجب ان يُتقنها الطيار حتى يتمكن من الهبوط في الظروف الجوية الصعبة.
صورة متحركة توضح حركة الدفة وتأثيرها على الطائرة
تُبين هذه الصور مناورة الانزلاق الأمامي، وأهمية استخدام الدفة في ديناميكيات الطيران
سنتحدث الآن عن روافع الطائرة. الروافع تكون موجودة عند ذيل الطائرة، من خلال تحريكها إلى الأعلى والأسفل تتحرك معها مقدمة الطائرة (إلى الأعلى أو الأسفل)، فعندما ترتفع الروافع لأعلى يزداد ضغط الهواء على السطح العلوي ويقل على السطح السفلي فتنشأ قوة على الذيل نتيجة فرق الضغط لتحرك الذيل إلى المنطقة ذات الضغط الأقل، فيتحرك الذيل الأسفل بالتالي ترتفع مقدمة الطائرة، والعكس صحيح فعندما يريد الطيار توجيه مقدمة الطائرة إلى الأسفل عليه جعل الروافع تتجه إلى الأسفل.
تُبين هذه الصورة المتحركة حركة الروافع وتأثيرها على الطائرة
أما محرك الطائرة، فيتحكم به الطيار من خلال مقابض المحركات التي توجد بجانبه ولكل محرك مقبض خاص به، فالطائرة ذات الأربع محركات نجد بها أربعة مقابض وهكذا، عند دفع المقابض للأمام تزداد قوة المحركات وبالتالي يزداد الدفع، وعند إرجاعها للخلف تنخفض قوة المحركات.
تُظهر هذه الصورة مقابض المحركات في المنتصف والتي تكون بجانب الطيار، ويظهر أيضًا كمبيوتر الطائرة على يمين ويسار المقابض والذي يقوم الطيار ببرمجته قبل الطيران، أما اللوحات أسفل المقابض فهي لوحات الراديو، التي يقوم الطيار من خلالها بإدخال ترددات أبراج المراقبة والنقاط الملاحية المختلفة.
حاجز الصوت
يتكون الصوت من جزيئاتٍ متحركة باستمرار. تدفع بعضها البعض وتتجمع على هيئة موجات صوتية. تتحرك هذه الموجات الصوتية في الهواء بسرعة تعادل (1225 كيلومتر في الساعة)، عندما تتحرك الطائرة بسرعة الصوت تتجمع الموجات الصوتية أمامها وتضغط الهواء لتشكل حاجزًا يمنعها من التقدم، ولكي تزيد الطائرة سرعتها عن سرعة الصوت يجب عليها اختراق هذا الحاجز.
عندما تخترق طائرة حاجز الصوت تصدر ضوضاء عالية جدًا نتيجة التغير المفاجئ في ضغط الهواء، وغالبًا لا نسمع هذه الضوضاء في الظروف العادية، وذلك لأنه يُمنع على الطائرات التي لديها القدرة على اختراق حاجز الصوت أن تخترقه فوق المدن والمناطق المأهولة حفاظًا على السلامة العامة. يُرمز لسرعة الصوت بعدد الماك أو الماخ ( (Mach number، والذي يعتبر وحدة قياس للسرعات فوق الصوتية حيث يساوي الماك الواحد سرعة الصوت في الهواء التي تعادل (1225 كيلومتر في الساعة)، لذلك عندما تسير الطائرة بهذه السرعة يمكن لنا أن نقول أن سرعتها تبلغ (ماك-1)، وبالتالي إذا سارت الطائرة بضعف سرعة الصوت فإنها تسير بسرعة(ماك-2).
هذه الصورة تُبين تدفق الموجات الصوتية على الطائرة أثناء حركتها
عندما تتحرك الطائرة بسرعة أقل من سرعة الصوت فتكون الطائرة دائمًا داخل الموجات الصوتية التي تولدها وذلك لأن الاضطرابات الناتجه عنها والتي تتحرك بسرعة الصوت دائمًا تسبق الطائرة كما تظهر في الصورة، وتأثير هذه الموجات الصوتية على مراقب مستمع سيكون كالآتي، أولًا يسمع المراقب صوتًا ضعيفًا قادمًا من اتجاه الطائرة وكلما اقتربت الطائرة زادت شدة الصوت حتى تبلغ شدتها عندما تكون الطائرة أمامه، ثم يبدأ الصوت في الانخفاض مع ابتعاد الطائرة.
عندما تتحرك الطائرة بسرعة الصوت، فان الطائرة تتحرك بنفس سرعة حركة موجات الصوت الناتجة منها وتظل ملتصقه بها كما بالصورة، لذلك يصل الصوت إلى المراقب في نفس اللحظة التي تصل فيها الطائرة إليه.
عندما تتحرك الطائرة بسرعة أعلى من الصوت، فنجد أن الطائرة تسبق الموجات الصوتية الناتجه عنها، لذلك عندما تمر الطائرة أمام المراقب لن يسمع الصوت في البداية ثم سيسمع ضوضاءًا عالية تبدأ بالانخفاض تدريجيًا، وهذا لأنه كما بالصورة تكون الطائرة متقدمة عن الموجات الصوتية.
أنظمة الطيران المختلفة حسب سرعة الطائرة
يتم تصنيف الطائرة إلى أنظمة مختلفة حسب سرعتها، هناك أربعة أنظمة للطيران. الطيران العام، الطيران بالسرعات دون الصوتية، الطيران بالسرعات فوق الصوتية، الطيران بالسرعات الصاروخية
الطيران العام: تتراوح سرعة الطيران في هذا النظام من 160 إلى 560 كيلومترا في الساعة، ويتضمن الطائرات القديمة ذات المحركات الضعيفة، ولكن هذا النظام مازال مستخدمًا حتى الآن وذلك في الطائرات الصغيرة، كالطائرات الزراعية المستخدمة في رش المبيدات، والطائرات الصغيرة التي تحمل عدد صغير من الركاب، والطائرات المائية التي تستطيع الهبوط على سطح الماء.
صورة لإحدى الطائرات المائية
الطيران بالسرعات دون الصوتية، تتراوح السرعة في هذا النظام من 560 إلى1200 كيلومترا في الساعة، ويضم هذا التصنيف معظم الطائرات التجارية النفاثة، والمستخدمة في حمل الركاب أو البضائع، وهذه السرعات العالية ترجع إلى خفة وقوة المحركات هذه الأيام، والتي لها القدرة لدفع الطائرة بسرعاتٍ عالية، مع حمل كميةٍ كبيرة من الركاب والبضائع.
صورة للطائرة التجارية (بوينج – 747) إحدى الطائرات النفاثة العملاقة
الطيران بالسرعات فوق الصوتية: تتراوح سرعة الطيران في هذا النظام من 1225إلى 5600 كيلومترا في الساعة (أي من ماك-1 إلى ماك-5)، أي تصل سرعات الطيران في هذا النظام إلى خمسة أضعاف سرعة الصوت، وتكون الطائرات مزودة بمحركاتٍ خاصة ومُصممة بموادٍ خفيفة من نوعٍ خاص للتقليل من مقاومة الهواء لها خصوصًا عند اختراق حاجز الصوت، يضم هذا النظام معظم الطائرات العسكرية«المقاتلات»، وبعض الطائرات المدنية مثل«الكونكورد» و«توبوليف-144» ولكن خرجت هذه الطائرات المدنية من الخدمة، وأصبح الآن الاعتماد على النظام دون الصوتي في الأغراض المدنية.
طائرة (الكونكورد)
الطيران بالسرعات الصاروخية: تتراوح السرعة في هذا النظام من 5600 إلى 11,200 كيلومترا في الساعة (أي من ماك-5 إلى ماك-10)، تطير الصواريخ بسرعات عالية جدًا تصل لعشرة أضعاف سرعة الصوت وذلك لتتمكن من دخول المدار حول كوكب الأرض.
من أمثلة المركبات في هذا النظام، الطائرة (X-15) التابعة للقوات الجوية الأمريكية والمستخدمة أيضًا من قِبل وكالة (ناسا) الفضائية، والمزودة بمحركات صاروخية، ويُعتبر المكوك الفضائي أيضًا مثالًا لهذا النظام.
يتم بناء المركبات في هذا النظام بموادٍ خاصة، ومحركاتٍ قويةٍ جدًا، وذلك حتى تُمكّن المركبة من التعامل مع هذه المعدلات المرتفعة من السرعة.
المكوك الفضائي
ترجمة/ Mohammed Sherif
مراجعة/ David Yanni
تصميم/
مصدر/ https://goo.gl/3FqdV6
#الباحثون_المصريون
