هدف از ارائه اين مقاله اين است كه به زبان ساده بگويد نقش بال در به پرواز درآوردن یک وسیله پرنده چیست و خلاصه ای از خصوصیات و مشخصات بال را بیان می دارد.
در اين مقاله سعي شده است با بيان روش هاي ساده نشان داده شود كه چه اصولي برآیرودینامیک بال حاکم است.
نيروي برآ :
براي آنكه جسمي بتواند به هوا بلند شود، بايد نيروي برابر يا بزرگتر از وزن آن در جهت مخالف به آن وارد شود كه به اين نيرو، نيروي برا گفته مي شود. براي بلند شدن هواپيما نيز بايستي عاملي چنين نيرويي را به وجود آورد. عاملي كه به وسيله آن هواپيما مي تواند در هوا معلق بماند، بال هواپيما است. طرز كار بال متكي به نيرو هايي است كه در اثر جابجايي هوا حول آن توليد مي شود.
برنولي دانشمند سوئيسي در جريان تحقيقاتي كه هيچگونه ارتباطي به پرواز اجسام نداشت، قانوني را كشف نمود كه بعد ها به عنوان قانون پرواز مطرح گرديد.
به ساده ترين زبان قانون برنولي به صورت زير مي باشد .
مقدار ثابت = فشار ديناميكي + فشار استاتيكي
فشار استاتيكي و ديناميكي هوا :
فشار استاتيكي فشاري است كه از سوي توده هواي ساكن به جسم اعمال مي شود . اما اگر هوا در جريان باشد علاوه بر فشار استاتيك ، داراي فشار ديناميكي نيز خواهد بود كه به سرعت جريان هوا بستگي دارد . قانون برنولي بيان مي دارد كه همواره جمع اين دو فشار در هر نقطه مقدار ثابتي است ، يعني اگر سرعت جريان هوا بيشتر شود ، فشار ديناميكي هوا افزايش خواهد يافت . بنابراين در آن نقطه از فشار هواي استاتيك كاسته مي شود . بعد ها از اين قانون براي طراحي شكل مقاطع بال استفاده
گرديد . مقطع بال به گونه اي طراحي شده كه باعث افزايش فشار استاتيك در سطح زيرين و كاهش اين فشار در سطح رويي بال مي شود و اين اختلاف فشار ، نيروي برا ( بالا بر ) را به وجود مي آورد .
براي درك بهتر اين قانون مي توان دست به آزمايش ساده اي بزنيد :
مطابق شكل زير يك ورق كاغذ را در دست بگيريد و به گونه اي به آن بدميد كه جريان هوا از بالاي ورق كاغذ عبور كند . چه اتفاقي مي افتد ؟ آيا مي توانيد دليل آنرا توضيح دهيد ؟
چگونگي توليد نيروي برا توسط مقاطع بال :
اگر بال يك هواپيما را در راستاي طول هواپيما برش دهيم ، شكل مقطع بال مشخص مي گردد . به اين مقطع آيرو ديناميك ايرفويل ( Airfoil ) مي گويند . به زبان ساده مي توان گفت : مقطع بال ( ايرفويل ) به گونه اي ساختع مي شود كه طول سطح بالايي آن از سطح پاييني آن بيشتر است . يعني اگر فرض
كنيم در جريان هوا ، اگر دو ملكول هوا همزمان به لبه جلويي ايرفويل ( لبه حمله ) برخورد كند و
يكي به سمت بالا و ديگري به سمت پايين منحرف شود . بنابراين مولكول بالايي بايد مسافت بيشتري
را نسبت به مولكول پاييني طي كند تا به لبه انتهايي ( لبه فرار ) برسد . از آنجايي كه لازم است پيوستگي جريان هوا حفظ شود مولكول بالايي بايد سرعت بيشتري داشته باشد تا همزمان با مولكول پاييني به لبه فرار برسد . به اين ترتيب سرعت جريان هوا روي سطح بالايي مقطع بال بيشتر از سطح زيرين آن خواهد بود . براساس قانون برنولي ، فشار ديناميكي روي سطح بالايي بيشتر و روي سطح پاييني كمتر است و بلعكس فشار استاتيكي روي سطح بالايي كاهش يافته و بيشتر بودن فشار استاتيكي زير مقطع بال باعث ايجاد نيرويي رو به بالا مي شود كه به آن برا مي گوييم .
فشار استاتيكي كمتر ð سرعت بيشتر هوا
اصطلاحات مربوط به ايرفويل :
وتر ( Cord ) : خط مستقيمي كه از لبه حمله به فرار رسم مي شود .
زاويه حمله ( α ) : زاويه بين خط وتر و امتداد جريان هوا كه با مقطع برخورد مي كند .
خط تحدب ( Camber Line ) : خط فرضي كه شكل را به دو قسمت مساوي تقسيم مي كند كه انحناي آن به عنوان خميدگي يا تحدب ايرفويل شناخته مي شود .
ضخامت ( Thickness ) : فاصله بين سطح بالايي و پاييني ايرفويل را در هر نقطه ضخامت آن مي گويند .
ايرفويل ها داراي دو نوع كلي مي باشند :
ايرفويل متقارن :
ايرفويل نامتقارن :
در ايرفويل متقارن تحدب يا خميدگي وجود ندارد و به عبارت ديگي وتر در ايرفويل متقارن همان خط تقارن است و مقطع را به قسمت مساوي تقسيم مي كند . ولي در ايرفويل نا متقارن اين طور نيست .
رابطه زاويه حمله و نيروي برآ
در سطح مقطع آيرو ديناميكي ( متقارن و نامتقارن ) به گونه اي در جريان هوا قرار گرفته اند كه زاويه حمله جريان هوا صفر است . در ايرفويل متقارن نيروي برآ بوجود نمي آيد ولي در ايرفويل نامتقارن نيروي برآ وجود دارد . شما اكنون بايد قادر باشيد علت آنرا توضيح دهيد .
حالا اگر كمي ايرفويل را بچرخانيم ، به گونه اي كه هر دو آنها داراي كمي زاويه حمله ( α ) باشند ، آنگاه در هردو ايرفويل نيروي برآ وجود خواهد داشت ولي مقدار اين نيرو متفاوت
است .
اگر به وسيله آزمايش ( در تونل باد ) مقدار نيروي برآ ي توليدي را براي يك جريان و شرايط مشخص در زاويه هاي گوناگون اندازه گيري كنيم ، متوجه مي شويم كه هرچه زاويه حمله افزايش مي يابد مقدار نيروي برآ نيز زيادتر مي شود . با رسم نمودار زاويه حمله و نيروي برآ ، شكلي شبيه زير بوجود خواهد آورد .
حالا به كمك مربي خود سعي كنيد تا رابطه بين نيروي برآ و زاويه حمله را به كمك اين نمودار توضيح دهيد .
واماندگي ( Stall )
ديديم كه با افزايش زاويه حمله ، نيروي برآ نيز افزايش مي يافت . اما مسلماً زاويه حمله به ميزان محدودي مي تواند افزايش يابد . حد نهايي اين مقدار را نقطه واماندگي ( Stall ) مي نامند . عوامل مختلفي در واماندگي جسم تأثير دارند ، اما بدون درنظر گرفتن اين دلايل بايد گفت وقتي زاويه حمله از يك حدي بيشتر شود ، افزايش اصتحكاك حاصله بين جريان هوا و سطح بالايي ايرفويل افزايش مي يابد و اين امر منجر به كاهش سرعت جريان ورودي سطح بالايي و درنتيجه جدا شدن جريان از روي اين سطح مي گردد .
در اين حالت عدم كاهش فشار استاتيك در سطح بالايي باعث از بين رفتن مقدار قابل توجهي از نيروي برآ مي شود . وقوع چنين شرايطي در يك هواپيما در حال پرواز موجب كاهش شديد نيروي برآ و حتي كمتر از وزن هواپيما شود و در بعض مواقع موجب سقوط هواپيما گردد .
توجه داشته باشيد براي هر ايرفويل زاويه واماندگي معين وجود دارد . يكي از عواملي كه باعث كاهش و تغيير ناگهاني واماندگي مي شود ، ميزان گردي لبه حمله جسم است . در حقيقت اگر لبه حمله تيز باشد ، به هنگام افزايش زاويه حمله مانند سدي در برابر جريان هوا قرار مي گيرد و باعث مي شود تا عمل جدايي جريان از روي سطح بالايي بال زودتر و در فاصله نزديك تري از لبه حمله اتفاق بيافتد .
نيروي برآ و اثرات دهنه بال برآن ( WING SPAN )
در قسمت هاي قبل بيان گرديد اختلاف فشار بين سطح زيرين و بالايي بال ، باعث ايجاد نيرويي روبه بالا
( برآ ) مي كند . اختلاف فشار از طرف ديگر باعث مي شود تا هوا تمايل يابد از ناحيه پر فشار ( زير بال ) به ناحيه كم فشار ( روي بال ) جريان يابد . در لبه هاي بال ، هوا اين اجازه را مي يابد تا اين جريان را به وجود آورد .
چنين جرياناتي را جريان گردابي ( Vortex ) نوك بال مي نامند . همزمان با حركت بال به جلو اين جريان گردابي به دنبال آن كشيده مي شود . براي خلبانان اين جريانات هوا بيشتر با نام اغتشاشات دنباله اي شناخته مي شوند . قدرت و شدت اين جريانات حلقوي به وزن و سرعت هواپيما بستگي دارد . بنابراين اغتشاشات دنباله اي هواپيما هاي بزرگتر، بيشتر و قويترند، لذا هواپيماهاي كوچكتر بايد از آن دوري كنند. اين جريانات نه تنها بر روي پرواز هواپيما هايي كه به دنبال آن پرواز مي كنند اثر مي گذارد ، بلكه حتي بر روي خود وسيله نيز اثر مي گذارد . البته اين اثر براي خود هواپيما چندان خطرناك نيست، به هر حال بر روي نحوه عملكرد آن اثر گذاشته و از كاركرد موثر آن مي كاهد .
نسبت منظري ( ASPECT RATIO )
نسبت منظري ( AR ) عبارت است از فاصله دو نوك بال تقسيم بر طول وتر متوسط .
AR = b^2/s
در اين معادله :
b = فاصله در نوك بال
C = وتر
S = مساحت بال
شكل زير در بالي به مساحت يكسان و نسبت منظري متفاوت را نشان مي دهد .
تا اینجا خواننده با به طور کلی با خصوصیات یک بال آشنا شده است اما در مورد عملکرد و نقش واقعی بال در پرواز مطالب زیادی وجود دارد و کسانی که به نوعی در ارتباط با هوانوردی قصد فعالیت دارند لازم است مطالعات بیشتری در مورد شناخت بال به عنوان اصلی ترین جزء پرواز داشته باشند.