سنگین‌تر، سریع‌تر اما مسافت یکسان! چگونه وزن پاراگلایدر(وینگ لود) عملکرد بال را تغییر می‌دهد؟ + مبدل آنلاین

بارگذاری بال (Wing Load) در پاراگلایدر

برای درک کامل از بارگذاری بال (Wing Loading)، معمولاً هنگام صحبت درباره‌ی مکانیک پرواز در پاراگلایدینگ، این سؤال را مطرح می‌کنیم:
مهدی و امیر با یک پاراگلایدر یکسان (با سایز یکسان) پرواز می‌کنند؛ کدام‌یک مسافت بیشتری را طی می‌کند؟

تعریف بارگذاری بال (Wing Loading)

بارگذاری بال پاراگلایدر نسبت بین PTV (Total Flying Weight = وزن کلی پرواز) و سطح بال است:

Wing Loading = PTV / Surface

بنابراین، این نسبت بر حسب کیلوگرم بر متر مربع (kg/m²) بیان می‌شود.
بارگذاری بال متوسط برای یک پاراگلایدر تک‌نفره حدود ۳٫۵ کیلوگرم بر متر مربع است.
اگر شما در یک پرواز دو نفره (تندم) پرواز می‌کنید، بارگذاری بال بیشتر خواهد بود، حدود ۵ کیلوگرم بر متر مربع و این را در فرمان پذیری به‌خوبی احساس می‌کنید، به‌ویژه اگر مسافر سنگین باشد!

در هنگ‌گلایدر (Hang Glider)، این عدد حتی بالاتر است، از ۵ شروع می‌شود و تا ۱۰ برای مدل‌های پرفورمنس بالا افزایش می‌یابد.
دلیل آن ساده است: با همان وزن خلبان، سطح هنگ‌گلایدر  بسیار کمتر از پاراگلایدر است.
هنگ‌گلایدر درگ کمتری ایجاد می‌کند، بنابراین نیازی به ایجاد لیفت (برآ) به اندازه پاراگلایدر ندارد.

بارگذاری بال و سرعت

برای یک PUL مشخص (Glider فوق‌سبک – چه هنگ‌گلایدر و چه پاراگلایدر)، سازنده یک محدوده وزنی (Weight Range) تعیین می‌کند.
برای مثال، یک مدل پاراگلایدر خاص با سایز مشخص ممکن است بازه وزنی ۷۵ تا ۹۵ کیلوگرم داشته باشد.

بسته به اینکه در بالاترین نقطه این بازه (۹۵ کیلوگرم) یا پایین‌ترین نقطه (۷۵ کیلوگرم) باشید، رفتار بال متفاوت خواهد بود، چراکه بارگذاری بال تغییر خواهد کرد، عمدتاً به دلیل تغییر در وزن خلبان.

حال، اگر امیر دو برابر وزن مهدی را داشته باشد، و مهدی با سرعت ۳۵ کیلومتر بر ساعت پرواز کند، سرعت امیر با همان پاراگلایدر چه خواهد بود؟

بیایید دو رابطه برای به‌دست آوردن RFA (نیروی آیرودینامیکی کل) را به یاد آوریم:

RFA = ½ × C × ρ × S × V²
RFA = وزن

پس می‌توان نتیجه گرفت که:

½ × C × ρ × S × V² = Weight

برگردیم به مقایسه‌ی مهدی و امیر:
تفاوت سرعت آن‌ها بر اساس نسبت وزن آن‌ها خواهد بود. با فرض اینکه:

• Po = وزن امیر
• Pa = وزن مهدی
• Vo = سرعت امیر
• Va = سرعت مهدی

فرمول تبدیل می‌شود به:

Vo² / Va² = Po / Pa
Vo / Va = √(Po / Pa)

نتیجه‌گیری:
سرعت بال با ریشه دوم وزن کلی پرواز (PTV) تغییر می‌کند.
اگر PTV دو برابر شود (همان‌طور که در این مثال امیر دو برابر مهدی وزن دارد)، افزایش سرعت ۴۱٪ خواهد بود (√۲ ≈ ۱٫۴۱).
اگر PTV مهدی ۶۵ کیلوگرم باشد و او ۵ کیلوگرم بالاست (وزنه یا مخزن آب) حمل کند، سرعتش تنها ۰٫۳۷٪ افزایش خواهد یافت:

√(70 / 65) ≈ 1.006

یعنی به جای ۳۵ کیلومتر در ساعت، سرعت او به ۳۶٫۳ کیلومتر در ساعت می‌رسد.

نکته مهم این است که تمام سرعت‌ها افزایش می‌یابند: سرعت افقی و همچنین نرخ نزول (Sink Rate).
و چون نسبت مسافت افقی طی‌شده به مسافت عمودی از دست‌رفته (Glide Ratio) برابر است با:

مسافت افقی / مسافت عمودی = سرعت افقی / سرعت عمودی = لیفت / درگ

پس می‌توان نتیجه گرفت که، در پاسخ به پرسش اولیه:
امیر و مهدی به یک نقطه خواهند رسید (Glide Ratio برابر)، اما امیر زودتر خواهد رسید (نرخ نزول بالاتر) و با سرعت بیشتر.
حالا شما محاسبه کنید اگر فاصله تیک‌آف همت تا محل لند را ۷ کیلومتر در نظر بگیریم امیر چقدر زودتر می‌رسد 😉

بارگذاری بال و رفتار بال

یک خلبان در پایین محدوده وزنی نسبت به تلاطم‌ها حساس‌تر است، بنابراین پاراگلایدرش بیشتر تمایل به جمع شدن دارد، ولی این جمع شدگی‌ها معمولاً  کوچک و بدون عواقب جدی هستند. در مقابل، خلبانی که در انتهای بالای محدوده وزنی پرواز می‌کند، کمتر در معرض جمع شدگی بال یا کلپس بال است، ولی اگر این اتفاق بیفتد، شدیدتر خواهد بود.

دلایل این مسئله:

1. فشار داخلی در بال با افزایش سرعت بیشتر می‌شود.
2. خلبان سنگین‌تر معمولاً با ترمز بیشتر پرواز می‌کند تا سرعت را کاهش دهد و نیفتد. این موضوع باعث می‌شود که جمع شدگی‌ها تأثیر شدیدتری داشته باشند.

این دو عامل باعث می‌شوند که بال در این حالت کمتر مستعد فروپاشی باشد، اما در صورت رخ‌داد، شدیدتر خواهد بود.
چرا؟ چون: سرعت بیشتر = اینرسی بیشتر = ضربه‌ی منفی قوی‌تر…

اندازه بال و عملکرد پاراگلایدر

معمولاً گفته می‌شود خلبان‌های سنگین‌تر برتری دارند، چرا که اگر امیر با بالی متناسب با وزن خود پرواز کند، نسبت به مهدی با بال کوچک‌تر خود عملکرد بهتری خواهد داشت.

عدد رینولدز (Reynolds Number) که تا حدی به سطح در معرض جریان هوا (دهانه بال × ضخامت پروفایل) بستگی دارد، توضیح می‌دهد که بال‌های بزرگ‌تر معمولاً عملکرد پروازی بهتری دارند.

همچنین می‌توان ساده‌تر گفت که درگ القایی (Induced Drag) کاهش می‌یابد.
این به‌خصوص به دلیل گردابه‌های انتهایی در تثبیت‌کننده‌هاست، ولی از آنجا که سطح مفید بال افزایش می‌یابد، لیفت نیز بیشتر شده و در نتیجه نسبت سرش (Glide Ratio) هم بهبود می‌یابد.

به همین دلیل است که خلبان‌های سبک در رقابت‌ها، بالاست (مانند مخزن آب) حمل می‌کنند تا بتوانند با بال بزرگ‌تری پرواز کنند  
اما از آنجا که Total Flying Weight با سطح بال افزایش می‌یابد، Wing Loading همچنان حفظ می‌شود.

برای مبارزه با این بی‌عدالتی، بروس گلداسمیت (Bruce Goldsmith) در سال ۲۰۲۰ در رولدانیو مسابقه‌ای خاص ایجاد کرد این فیلم را ببینید