ایرودینامیک

آیرودینامیک. آیرودینامیک ( به انگلیسی: Aerodynamics ) مطالعه حرکت هوا است، به ویژه هنگامی که تحت تأثیر یک جسم جامد، مانند بال هواپیما قرار می گیرد. [ ۱] آیرودینامیک شامل موضوعاتی است که در زمینه دینامیک سیالات و زیر شاخه آن دینامیک گازها پوشش داده شده است و یک حوزه مهم مطالعه در هوانوردی است. اصطلاح آیرودینامیک اغلب به صورت مترادف با دینامیک گاز استفاده می شود، اما تفاوت در این است که «دینامیک گاز» برای مطالعه حرکت همه گازها به کار می رود و فقط به هوا محدود نمی شود.
مطالعه رسمی آیرودینامیک به معنای امروزی در قرن هجدهم آغاز شد، اگرچه مشاهدات مفاهیم اساسی مانند درگ آیرودینامیک خیلی زودتر ثبت شده بود. بیشتر تلاش های اولیه در آیرودینامیک برای رسیدن به پرواز سنگین تر از هوا بود که اولین بار توسط اتو لیلینتال در سال ۱۸۹۱ نشان داده شد. از آن زمان، استفاده از آیرودینامیک از طریق تجزیه و تحلیل ریاضی، تقریب های تجربی، آزمایش تونل باد، و شبیه سازی های کامپیوتری، پایه ای منطقی برای توسعه پروازهای سنگین تر از هوا و تعدادی از فناوری های دیگر تشکیل داده است.
کار اخیر در آیرودینامیک بر مسائل مربوط به جریان تراکم پذیر، آشفتگی و لایه های مرزی متمرکز شده است و به طور فزاینده ای ماهیت محاسباتی پیدا کرده است.
مهم ترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است. البته آیرودینامیک کاربردهای زیاد دیگری هم دارد. در مهندسی خودرو، از آیرودینامیک برای طراحی بدنهٔ خودرو استفاده می شود تا نیروی پسای خودرو کم شود. مهندسان سازه از آیرودینامیک برای تحلیل اثر هواکشسانی جریان باد بر سازه هایی مثل آسمان خراش ها یا پل ها یا برج ها استفاده می کنند. طراحی پره های توربین های گازی و بادیاز دیگر کاربردهای مهم آیرودینامیک در صنعت محسوب می شود. در ادامه برخی از این شاخه ها و کاربردها توضیح داده شده است:
( آیرودینامیک در بعضی کتب به برقراری تعادل اجسام با هوای ثابت نیز تعریف شده است )
هنگامی که جسم در معرض جریان قرار می گیرد، لایه ای نازک در جریان ( و چسبیده به جسم ) ایجاد می شود که خصوصیاتش با نواحی دیگر جریان سیال فرق می کند. این لایه در اثر خاصیت چسبندگی سیال ( لزجت - viscosity ) به وجود می آید. در این ناحیه سرعت سیال از صفر تا ۹۹ درصد سرعت جریان آزاد، تغییر می کند. لایه مرزی خودش به دو بخش ناحیه آرام ( laminar ) و مغشوش یا آشفته ( turbulent ) تقسیم می شود که هر کدام دامنه گسترده ای از تحقیقات و مطالب علمی دارند.

آیرودینامیک. آیْرودینامیک (aerodynamics)
شاخه ای از فیزیک سیالات۱، برای بررسی نیروهای اعمال شده از طریق هوا یا سایر گازهای در حال حرکت . جریان هوا در اطراف اجسامی که با سرعت در جوّ حرکت می کنند، ازجمله وسایل نقلیۀ زمینی ، گلوله ، موشک ، و هواپیما، همچنین رفتار گاز در موتورها و کوره ها، تهویۀ مطبوع ساختمان ها، نشستن برف ، عملکرد وسایل نقلیه با بالشتک های بادی۲ (هاورکرافت ها۳) ، بارِ باد۴ بر ساختمان ها و پل ها، پرواز پرندگان و حشرات ، سازهای بادی۵ ، و هواشناسی۶ ازجملۀ موضوعاتی اند که در آیرودینامیک بررسی می شوند. برای ایجاد بیشترین بازده ، معمولاً اجسام را به شکلی طراحی می کنند که جریانی آرام و با کمترین تلاطم در هوای درحال حرکت ایجاد کنند. رفتار افشانه ها و آلوده شدن جوّ به ذرات خارجی از دیگر موضوعات مطرح در آیرودینامیک به شمار می روند.
هوا. چگالی هوا۷ در سطح دریا۱.۲۸۳ کیلوگرم بر متر مکعب است . با افزایش ارتفاع نسبت به سطح دریا، چگالی هوا نیز کم می شود و در ارتفاع ۶۴هزار متری به یک دهم، در ارتفاع ۱۴۶هزار متری به یک صدم، و در ارتفاع ۲۹۳هزار متری به یک میلیونیوم کاهش می یابد. همچنین، هوا ویسکوز (لزج)۸ است و بنابراین، جسم صُلبی که در هوا حرکت می کند، فقط با مقاومت ناشی از جابه جایی مستقیم مولکول های هوا روبه رو نمی شود، بلکه مقاومت برشی۹ ناشی از لغزش مولکول ها بر روی هم نیز در مقاومت هوا نقش دارد.
سرعت های زیرصوت. در سرعت های نسبتاً پایین ، نیروی پس کشی (بازدارنده)۱۰ آیرودینامیکی (پسای آیرودینامیکی) با چگالی محلّی هوا ، ابعاد سطح جسم، و مجذور اختلاف سرعت هوا و سطح متناسب است . بنابراین، با دو برابر شدن اندازۀ سطح ، نیروی پس کشی نیز دو برابر و با دوبرابر شدن سرعت جسم ، پس کشی چهار برابر می شود. طبق اصل برنولی۱۱، انرژی کل هر جریان سیّال مفروض ، در همۀ نقاط ثابت است، پس با افزایش سرعت سیال، فشار آن نیز متناسب با سرعت کاهش می یابد. به همین دلیل ، وقتی جریان هوا با سرعتی کمتر از سرعت صوت از لوله ای با قطر متغیر عبور می کند، در باریک ترین نقاط لوله بیشترین سرعت و کمترین فشار را دارد. عکس این امر نیز صادق است. درست به همین سبب، شتاب هوایی که از روی لبۀ گِردِ جلوِ بال هواپیما و از روی سطح خمیدۀ بالایی عبور می کند، سبب کاهش محسوس فشار می شود. در سطح زیرین نیز فشار افزایش مختصری پیدا می کند. ترکیب این دو عامل هواپیما را از زمین بلند می کند.
سرعت های فوق صوت (فراصوت). در سرعت های بالاتر از سرعت صوت ، هوایی که از لوله ای با سطح مقطع متغیر می گذرد، عکس ِ حالت زیرصوت رفتار می کند و کاهش قطر لوله سبب کاهش سرعت هوا و افزایش فشار آن می شود. به این سبب، محفظۀ رانش۱۲ موتور موشک به شیپورۀ واگرا۱۳ ختم می شود تا سرعت گاز خروجی ِ آن افزایش ، و فشارش کاهش یابد. جسمی که با سرعت فوق صوت حرکت می کند، نمی تواند از طریق جوّ علایمی به جلو بفرستد، اختلالاتی که این جسم ایجاد می کند فقط می توانند به طرفین یا عقب انتقال یابند. حد پیشروی این اختلالات لایه ای است که با دقت بسیار مشخص شده است و حدود ۸-۱۰×۲ متر ضخامت دارد و آن را موج ضربه ای۱۴ (موج شوکی) می نامند. در بالای موج شوکی ، سرعت جریان هوا همواره فوق صوت است. وقتی که هوا از موج ضربه عبور می کند، فشار، چگالی، و دمای آن فوراً افزایش می یابد. موج ضربه سبب انتقال انرژی به هوا می شود و براثر این عمل، پس کشی در برابر حرکت جسمی که سرعت آن در مرحلۀ گذر از سرعت صوت است، افزایش بسیار پیدا می کند. شکل موج شوکی، به خلاف موج صوتی معمولی ، سینوسی۱۵ نیست ، بلکه جبهۀ آن تخت است و دامنه۱۶ اش بلافاصله به بیشترین مقدار خود می رسد. عبور موج شوکی با صدایی کم دامنه ، مانند صدای شلاق، یا با صدای انفجاری ناگهانی، مانند شلیک تپانچه، یا با یک یا چند غرش شدید با دامنۀ زیاد، مانند صدای ناشی از رعد یا پرواز هواپیما، به گوش می رسد. در سرعت های مافوق صوت، چگالی هوا را نیز باید درنظر گرفت. در این شرایط ، میزان تراکم پذیری۱۷ و دمای هوا نیز دستخوش تغییرات شدید می شود . در سرعت های بالاتر از پنج ماخ۱۸ (پنج برابر سرعت صوت )، این آثار به اندازه ای شدید می شوند که ممکن است مولکول های گاز خودبه خود گسسته ، و به اتم های یونیزه۱۹ تبدیل شوند. در این سرعت ها، قوانین گاز کامل۲۰ دیگر کاربرد ندارد. چنین جریان هایی را جریان های اَبَرصوتی می نامند.
سرعت های اَبَرصوتی. هواپیماهایی که با سرعت های مافوق صوت حرکت می کنند بدنۀ باریک، بال های نازک، و لبه ها و دماغۀ تیز دارند، اما بهترین شکل برای اجسامی که با سرعت اَبَرصوتی حرکت می کنند، لبه های قوس دار با دماغۀ گِرد است . گاهی این اجسام اصلاً بال ندارند. به سبب گرمای جنبشی۲۱ شدید، لازم است وسایل اَبَرصوتی در ارتفاعات نسبتاً زیاد پرواز کنند. در حقیقت، برای چنین وسایلی «دالان هوایی۲۲» امنی وجود دارد که مرز پایینی آن را دمای قابل تحمل سازۀ جسم ، و مرز بالایی آن را نیروی بالابر۲۳ (نیروی برآی آیرودینامیک) آن جسم تعیین می کند.