جریان هوا پیرامون یک بال پاراگلایدر و نیروی آیرودینامیکی
هر جسمی که در هوا حرکت میکند، با هوا تعامل داشته و یک نیروی آیرودینامیکی ایجاد میکند. سرعت حرکت بال در هوا، یا همان Airspeed (V)، عاملی کلیدی در ایجاد این نیرو است. وجود سرعت هوایی و نیروی آیرودینامیکی تنها محدود به زمانی نیست که بال در حال حرکت باشد؛ حتی اگر بال ثابت باشد و هوا پیرامون آن حرکت کند (مانند شرایط یک تونل باد) همین اثرات آیرودینامیکی شکل میگیرند.
نیروی آیرودینامیکی (R) بسته به جهت و سرعت جریان هوا تغییر میکند، زیرا این نیرو مستقیماً تحت تأثیر بردار سرعت هوایی (V) قرار دارد. مانند هر نیروی دیگری، میتوان آن را براساس دستگاه مختصات مناسب به مؤلفههای مختلف تجزیه کرد.
مؤلفهای که عمود بر بردار سرعت هوایی V قرار میگیرد، نیروی برآ یا lift نامیده میشود و آنرا به صورت (Ry) نمایش می دهند؛ نیرویی که مسئول بالا نگهداشتن بال است. مؤلفهای که در خلاف جهت حرکت و موازی V قرار دارد، نیروی پَسا یا درگ نامیده میشود و با (Rx) نمایش داده میشود. این دو، نیروهای جداگانهای نیستند؛ بلکه تنها مؤلفههای یک نیروی واحد هستند: نیروی کامل آیرودینامیکی R.
ایجاد نیروی برآ (لیفت) و نیروی پَسا (درگ)
نیروی برآ و نیروی پَسا دو مؤلفهٔ اصلی نیروی آیرودینامیکی هستند و برای توضیح عملکرد بال کاربرد زیادی دارند. هرچه یک بال بتواند نیروی برآ بیشتر و نیروی پَسای کمتری تولید کند، کارایی آن بال بالاتر خواهد بود.
بال میتواند از سه طریق نیروی برآ ایجاد کند:
- قرارگیری یک جسم متقارن در جریان هوا بهصورت نامتقارن
- جریان هوا پیرامون جسمی که شکل نامتقارن دارد
- ترکیبی از دو حالت بالا؛ یعنی جسمی با شکل نامتقارن که خود نیز بهصورت نامتقارن در جریان هوا قرار گرفته است
وقتی یک جسم متقارن به شکل نامتقارن در برابر جریان هوا قرار میگیرد، هوا بر سطحی که در معرض جریان قرار دارد، فشار وارد میکند و نیرویی آیرودینامیکی ایجاد میشود که عمود بر سطح جسم است. زاویهٔ میان سطح جسم و جهت جریان هوا را زاویهٔ حمله (α) مینامیم. زاویهٔ حمله، جهت و مقدار نیروی آیرودینامیکی کامل (R) و نسبت بین مؤلفههای نیروی برآ (Ry) و نیروی پَسا (Rx) را تعیین میکند.
نمونهای ساده و قابلدرک از اثر زاویهٔ حمله زمانی است که دست خود را از پنجرهٔ یک خودرو در حال حرکت بیرون میآوریم. با تغییر زاویهٔ کف دست، تغییر نیروی آیرودینامیکی را کاملاً احساس میکنیم:
- زاویههای حملهٔ کوچک، نیروی برآ را افزایش داده و دست رو به بالا حرکت میکند
- افزایش زاویهٔ حمله باعث افزایش نیروی پَسا شده و دست را به عقب میراند
- زاویهٔ حملهٔ ۹۰ درجه، نیروی پَسا بیشترین مقدار و نیروی برآ صفر را دارد
- زاویهٔ حملهٔ صفر درجه، نیروی پَسا کم شده و دست راحتتر هوا را میشکافد
- زاویههای حملهٔ منفی موجب ایجاد نیروی برآ رو به پایین و فشار دست به سمت زمین میشوند
این پدیده در طراحی خودروهای مسابقه کاربرد دارد؛ اسپویلرهای مخصوص روی خودرو با ایجاد نیروی آیرودینامیکی رو به پایین، فشار بیشتری بر چرخها وارد میکنند که باعث افزایش اصطکاک و امکان پیچیدن با سرعت و پایداری بیشتر میشود.
روش دیگر ایجاد نیروی برآ یا لیفت، تعامل جریان هوا با جسمی است که شکل نامتقارن دارد. این سازوکار بر پایهٔ قانون پایستگی جریان عمل میکند؛ قانون پایستگی جریان (Continuity equation) میگوید که مقدار جریان هوا یا مایع در یک مسیر، از ابتدا تا انتها ثابت میماند. بنابراین اگر مسیر باریک شود، سرعت جریان افزایش مییابد و اگر مسیر بازتر شود، سرعت کاهش مییابد.
قانون برنولی (Bernoulli’s Principle)
قانون برنولی میگوید که در یک جریان پایدار و غیر چسبنده، مجموع انرژیهای فشار، جنبشی و پتانسیل در طول مسیر جریان ثابت میماند.
به زبان سادهتر:
وقتی سرعت جریان هوا یا مایع زیاد میشود، فشار آن کاهش مییابد.
وقتی سرعت جریان کم میشود، فشار افزایش مییابد.
این اصل یکی از پایههای ایجاد نیروی برآ (Lift) در بالها و پاراگلایدر است.
مثالهای عملی اصل برنولی
میتوان سرعت جریان را با محدود کردن خروجی یک شلنگ باغبانی با انگشت افزایش داد و در نتیجه آب را دورتر پرتاب کرد. جریان رودخانه جایی که کنارههای رودخانه باریکتر میشوند، سرعت بیشتری پیدا میکند و در بخشهایی که کنارهها بازتر هستند، کند میشود.
باد روی تپهها و خطالراس کوهها افزایش مییابد زیرا سطح مقطع جریان محدود میشود. برعکس، نمیتوان یک توپ پینگ پنگ را با فوت از یک قیف بیرون انداخت زیرا سطح مقطع وسیع سرعت هوا را کاهش میدهد.
در مناطقی که سرعت سیال (V) افزایش مییابد، فشار محیطی (p) کاهش مییابد و بالعکس؛ این همان اصل برنولی است. اگر هوا بین دو ورق کاغذ موازی و نزدیک به هم دمیده شود، فشار بین آنها کاهش یافته و ورقها به هم نزدیک میشوند. به همین دلیل، دو کشتی در مسیرهای مخالف نباید خیلی نزدیک هم حرکت کنند.
پروفیلهای کلاسیک بال دارای سطح بالایی محدب هستند که مانند مانع عمل میکند؛ این محدب بودن باعث کاهش سطح مقطع جریان، افزایش سرعت جریان و ایجاد ناحیهای با فشار کم میشود که بال را به سمت بالا میکشد. معمولاً ایجاد نیروی برآ توسط جریان هوا پیرامون پروفیل نامتقارن با ایجاد نیروی برآ توسط جسم نامتقارن در جریان ترکیب میشود.
عوامل موثر بر نیروی آیرودینامیکی
نیروی آیرودینامیکی R و مؤلفههای آن یعنی نیروی برآ (lift) و نیروی پَسا (drag) به عوامل زیر بستگی دارند:
- پروفیل بال
- زاویه حمله (α)
- مجذور سرعت هوایی (V²)
- سطح بال (S)
- چگالی هوا (ρ)
زاویه حمله و استال
افزایش زاویه حمله باعث افزایش تولید نیروی برآ (lift) میشود، اما فراتر از زاویه بحرانی، جریان هوا از سطح بالایی بال جدا شده و بیشتر نیروی برآ از دست میرود. این پدیده استال (stall) نام دارد: بال دیگر پرواز نمیکند و سریع سقوط کرده و تنها نیروی پَسا ایجاد میکند.
جریان هوای صاف به سرعت جای خود را به ناحیهای آشفته و توربالانس میدهد. در نتیجه، بال نیروی برآ خود را از دست میدهد و سقوط میکند.
استال خطرناک است، زیرا:
- به سرعت و ناگهانی اتفاق میافتد
- سقوط سریع و شدید است
- جریان آشفته هوا پیرامون بال کنترل آن را دشوار میکند
هیچگاه با زاویه حمله بسیار بالا پرواز نکنید!
از آنجا که مشاهده و اندازهگیری زاویه حمله دشوار است، برای جلوگیری از استال بهتر است به سرعت هوایی توجه کنید (احساس باد در صورت خود).
کشیدن برک باعث افزایش زاویه حمله و کاهش سرعت پاراگلایدر میشود.
در طول پرواز پاراگلایدر، اگر:
- کاهش سرعت هوایی حس شود (کاهش احساس باد روی صورت)
- دستها بیش از حد برک را پایینتر از سطح لگن بکشید
- مقاومت زیاد بال نسبت به کشش برک حس شود
در این حالتها به نزدیکشدن به سقوط هوایی (استال) رسیدهایم و باید فوراً با بالا بردن برک سرعت هوا را بازیابی کنیم — دستها بالا!
این حالت نشاندهنده استال است و نباید با کلپس (collapse) یا جمع شدن بال اشتباه گرفته شود. در کلپس، بال زاویه حمله منفی پیدا میکند و جریان هوا از بالا باعث تغییر شکل و تا شدن لبه جلویی بال میشود. استال نیز میتواند باعث تغییر شکل بال شود، اما این تغییر در لبه عقبی بال رخ میدهد و علت آن رسیدن به زاویه حمله بسیار بالا است.
فوراً دستها را بالا ببرید! برای توقف پیشروی شدید بعد از استال، آماده باشید که برکها را کمی بکشید، اما دوباره دستها را بالا ببرید تا سرعت هوایی بازیابی شود.
کلپس یا جمعشدن بال (تصویر سمت راست) به دلیل زاویه حمله منفی رخ میدهد، زمانی که جریان هوا تغییر شکل میدهد و لبه جلویی بال به پایین فرو میرود. این اتفاق وقتی میافتد که بال را در تیکآف یا پرواز بیش از حد از خلبان جلو بزند. پرواز در توربولانس اغلب باعث جریان هوای فرود از بالا میشود و بال جمع میشود.
استال نیروی برآ را از بین میبرد، اما پس از یک افت کوتاه، اغلب بالها بهصورت خودکار دوباره باز میشوند، بنابراین دستها را بالا نگه دارید!
حرکت رو به جلو در پاراگلایدر
بعد از اینکه یاد گرفتیم جریان هوا اطراف پروفیل بال چگونه باعث تولید نیروی لیفت میشود و ما را در هوا نگه میدارد، ممکن است این سوال پیش بیاید که وقتی موتوری ما را به جلو هل نمیدهد، جریان هوا چگونه ایجاد میشود؟
چرا پاراگلایدرها به جلو حرکت میکنند؟
زیرا شکل پروفیل خاص بال توانایی تبدیل حرکت رو به پایین به نیروی و حرکت رو به جلو را دارد.
حرکت رو به پایین توسط نیروی گرانش زمین و وزن پاراگلایدر، شامل خلبان و بال، ایجاد میشود. این حرکت رو به پایین جریان هوایی از پایین ایجاد میکند که با پروفیل خاص بال تعامل داشته و نیروی و حرکت رو به جلو تولید میکند.
برای مثال، اگر یک جسم با پروفیل دایرهای و متقارن را در جریان عمودی ثابت قرار دهیم، شتاب جریان اطراف دو طرف آن دو نیروی برآ جانبی متوازن ایجاد میکند، Ry. اگر پروفیل جسم نیمهدایرهای باشد، تنها یک نیروی جانبی نامتوازن Ry ایجاد میشود، یعنی حرکت رو به پایین نیروی جانبی و حرکت ایجاد میکند. همان آنالوژی برای پروفیل کلاسیک بال نیز صادق است، جایی که انحنای لبهی جلویی باعث ایجاد مکش رو به جلو میشود.
حرکت رو به پایین معمولاً توسط نیروی وزن ایجاد میشود؛ یعنی بال بدون وزن نمیتواند به جلو حرکت کند، و هرچه بال سنگینتر باشد، نیرو و حرکت رو به جلوی بیشتری تولید میکند:
جادوی پرواز در شکل است! بال میتواند از چوب، پارچه، فلز یا فایبرگلاس ساخته شود، اما شکل خاص پروفیل آن است که باعث حرکت رو به جلو میشود.
بیایید سه بال را با شکل یکسان مقایسه کنیم؛ اولی بدون جرم است و سومی سنگینترین آنهاست:
دو بال با شکل یکسان ولی جرم متفاوت، روی همان مسیر حرکت میکنند، فقط بال سنگینتر سریعتر پرواز میکند، هم در جهت عمودی و هم افقی. مقاله ای با عنوان پاراگلایدر سنگینتر سریعتر نسبت به پاراگلایدر سبک اما مسافت یکسان را مطالعه کنید
در آئرودینامیک، نیروها، سرعتها و شتابها، یا مولفههای آنها موازی سطح زمین، افقی نامیده میشوند و با اندیس “x” مشخص میشوند (مثلاً Fx، Vx، ax). مولفههای عمودی نسبت به سطح زمین با اندیس “y” مشخص میشوند (Fy، Vy، ay). جدا از دیدگاه زمین، همان نیروها، سرعتها و شتابها را میتوان نسبت به سطح بال نیز مشاهده کرد. مولفههای موازی سطح بال تانژانسی نامیده میشوند و با اندیس “T” مشخص میشوند (RT، aT) و مولفههای عمود بر سطح بال نرمال نامیده میشوند (RN، aN).
استفاده از بال به عنوان سیستم مرجع با مولفههای نرمال RN و تانژانسی RT نیروی آئرودینامیکی برای توضیح پرواز خودران پاراگلایدر ضروری است. سایر مولفهها: نیروی برآ (Ry) و نیروی پَسا (Rx) از نظریه آئرودینامیک هواپیماهای موتوردار گرفته شده و نمیتوانند حرکت رو به جلو و دینامیک پاراگلایدر را توضیح دهند.
بال توانایی القایی دارد تا حرکت نرمال (عمود بر سطح) و جریان هوا (VN) را به نیروی تانژانسی (رو به جلو و روی سطح) RT تبدیل کند. در فیزیک، القا یعنی تأثیر غیرمستقیم؛ غیرمستقیم، چون جسم در همان جهتی که نیرو اعمال میشود حرکت نمیکند، بلکه در جهتی کاملاً متفاوت حرکت میکند. گرانش بال را به پایین میکشد، اما بال واکنش نشان داده و به جلو میرود. هرچه بیشتر آن را بکشید، سریعتر پرواز میکند.
عوامل مؤثر بر توانایی القایی
- شکل پروفیل: این توانایی در پروفیلهای ضخیمتر با انحنای بالای بزرگتر و گردی بیشتر لبه جلویی برجستهتر است.
- سرعت هوا: هرچه بالاتر، توانایی القایی قویتر است. به همین دلیل بازیابی استال در بالهای کوچک باعث جهشهای رو به جلو تهاجمیتر میشود.
- زاویه حمله: هرچه زاویه حمله بیشتر باشد، سهم مولفه نرمال VN از سرعت کل هوا V بیشتر میشود (هوای بیشتری از پایین، عمود بر سطح پایین وارد میشود). یک محدوده زاویه حمله بهینه وجود دارد که در آن RT و توانایی القایی قویترین هستند و به شکل پروفیل بستگی دارد. زاویههای بیش از حد بالا بهترین نیستند، زیرا تنها بخش کوچکی از سطح بال (انحنای لبه جلویی) را فعال میکنند. توجه داشته باشید که نیروهایی مانند RT اثر تجمعی دارند، هرچه مدت بیشتری اجازه دهید اثر کند، شتاب تانژانسی aT و حرکت رو به جلو بیشتری ایجاد خواهد شد.
اگر یک پاراگلایدر را در هوا رها کنیم، توسط گرانش به پایین شتاب میگیرد. این جریان هوا از پایین ایجاد میشود و توسط گردی لبه جلویی شتاب بیشتری میگیرد و مکش و نیروی رو به جلو تولید میکند. این نیروی تانژانسی RT حرکت افقی به سقوط عمودی اضافه میکند. در ابتدا زاویه حمله ۹۰ درجه است، سپس زاویه کاهش مییابد و جریان هوا از جهت جدید میآید و بخش بیشتری از سطح بالای خمیده پشت لبه جلویی (camber) فعال میشود. این باعث حرکت رو به جلو بیشتر میشود، که سطح بالای بیشتری را فعال کرده و شروع به تولید نیروی برآ میکند تا تعادل برقرار شود. سقوط عمودی به پرواز گلایدینگ رو به جلو تبدیل میشود.
مثال دیگر توانایی القایی، بالا آمدن بال در هنگام تیکآف است. نشان میدهد که نیروی و حرکت رو به جلو بدون استفاده از گرانش به عنوان موتور نیز قابل ایجاد است وقتی بال افقی نیست.
توانایی القایی در پاراگلایدر توضیحدهنده بسیاری از مسائل است! کمک میکند بفهمیم اگر در تیکآف زود بنشینید چه اتفاقی میافتد، ثبات و رفتار پاراگلایدر در ترمالها و تلاطم، اثر گرادیان باد، حرکات آکروباتیک، مارپیچها، استالها، چرخشها، تاخوردگیها، تیکآف با وینچ، و اینکه چرا پروفیلهای shark-nose بیشتر مستعد استال هستند، و غیره.
Add to Home Screen را انتخاب کنید.