آیرودینامیک
آیرودینامیک (aerodynamics)
شاخه‌ای از فیزیک سیالات[۱]، برای بررسی نیروهای اعمال‌شده از طریق هوا یا سایر گازهای در حال حرکت. جریان هوا در اطراف اجسامی که با سرعت در جوّ حرکت می‌کنند، ازجمله وسایل نقلیۀ زمینی، گلوله، موشک، و هواپیما، همچنین رفتار گاز در موتورها و کوره‌ها، تهویۀ مطبوع ساختمان‌ها، نشستن برف، عملکرد وسایل نقلیه با بالشتک‌های بادی[۲] (هاورکرافت‌ها[۳])، بارِ باد[۴] بر ساختمان‌ها و پل‌ها، پرواز پرندگان و حشرات، سازهای بادی[۵]، و هواشناسی[۶] ازجملۀ موضوعاتی‌اند که در آیرودینامیک بررسی می‌شوند. برای ایجاد بیشترین بازده، معمولاً اجسام را به شکلی طراحی می‌کنند که جریانی آرام و با کمترین تلاطم در هوای درحال حرکت ایجاد کنند. رفتار افشانه‌ها و آلوده شدن جوّ به ذرات خارجی از دیگر موضوعات مطرح در آیرودینامیک به شمار می‌روند.
هوا. چگالی هوا[۷] در سطح دریا ۱.۲۸۳ کیلوگرم بر متر مکعب است. با افزایش ارتفاع نسبت به سطح دریا، چگالی هوا نیز کم می‌شود و در ارتفاع ۶۴هزار متری به یک‌دهم، در ارتفاع ۱۴۶هزار متری به یک‌صدم، و در ارتفاع ۲۹۳هزار متری به یک‌میلیونیوم کاهش می‌یابد. همچنین، هوا ویسکوز (لزج)[۸] است و بنابراین، جسم صُلبی که در هوا حرکت می‌کند، فقط با مقاومت ناشی از جابه‌جایی مستقیم مولکول‌های هوا روبه‌رو نمی‌شود، بلکه مقاومت برشی[۹] ناشی از لغزش مولکول‌ها بر روی هم نیز در مقاومت هوا نقش دارد.
سرعتهای زیرصوت. در سرعتهای نسبتاً پایین، نیروی پس‌کشی (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 پس‌کشی نیز دو برابر و با دوبرابر شدن سرعت جسم، پس‌کشی چهار برابر می‌شود. طبق اصل برنولی[۱۱]، انرژی کل هر جریان سیّال مفروض، در همۀ نقاط ثابت است، پس با افزایش سرعت سیال، فشار آن نیز متناسب با سرعت کاهش می‌یابد. به همین دلیل، وقتی جریان هوا با سرعتی کمتر از سرعت صوت از لوله‌ای با قطر متغیر عبور می‌کند، در باریک‌ترین 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 می‌کند، سبب کاهش محسوس فشار می‌شود. در سطح زیرین نیز فشار افزایش مختصری پیدا می‌کند. ترکیب این دو عامل هواپیما را از زمین بلند می‌کند.
سرعتهای فوق‌صوت (فراصوت). در سرعتهای بالاتر از سرعت صوت، هوایی که از لوله‌ای با سطح مقطع متغیر می‌گذرد، عکس‌ِ حالت زیرصوت رفتار می‌کند و کاهش قطر لوله سبب کاهش سرعت هوا و افزایش فشار آن می‌شود. به این سبب، محفظۀ رانش[۱۲] موتور موشک به شیپورۀ واگرا[۱۳] ختم می‌شود تا سرعت گاز خروجی‌ِ آن افزایش، و فشارش کاهش یابد. جسمی که با سرعت فوق صوت حرکت می‌کند، نمی‌تواند از طریق جوّ علایمی به‌جلو بفرستد، اختلالاتی که این جسم ایجاد می‌کند فقط می‌توانند به طرفین یا عقب انتقال یابند. حد پیشروی این اختلالات لایه‌ای است که با دقت بسیار مشخص شده است و حدود ۸-۱۰×۲ متر ضخامت دارد و آن را موج ضربه‌ای[۱۴] (موج شوکی) می‌نامند. در بالای موج شوکی، سرعت جریان هوا همواره فوق صوت است. وقتی که هوا از موج ضربه عبور می‌کند، فشار، چگالی، و دمای آن فوراً افزایش می‌یابد. موج ضربه سبب انتقال انرژی به هوا می‌شود و براثر این عمل، پس‌کشی در برابر حرکت جسمی که سرعت آن در مرحلۀ گذر از سرعت صوت است، افزایش بسیار پیدا می‌کند. شکل موج شوکی، به خلاف موج صوتی معمولی، سینوسی[۱۵] نیست، بلکه جبهۀ آن تخت است و دامنه[۱۶]اش بلافاصله به بیشترین مقدار خود می‌رسد. عبور موج شوکی با صدایی کم‌دامنه، 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 می‌رسد. در سرعتهای مافوق صوت، چگالی هوا را نیز باید درنظر گرفت. در این شرایط، میزان تراکم‌پذیری[۱۷] و دمای هوا نیز دستخوش تغییرات شدید می‌شود. در سرعتهای بالاتر از پنج ماخ[۱۸] (پنج برابر سرعت صوت)، این آثار به اندازه‌ای شدید می‌شوند که ممکن است مولکول‌های گاز خودبه‌خود گسسته، و به اتم‌های یونیزه[۱۹] تبدیل شوند. در این سرعت‌ها، قوانین گاز کامل[۲۰] دیگر کاربرد ندارد. چنین جریان‌هایی را جریان‌های اَبَرصوتی می‌نامند.
سرعتهای اَبَرصوتی. هواپیماهایی که با سرعتهای مافوق‌صوت حرکت می‌کنند بدنۀ باریک، بال‌های نازک، و لبه‌ها و دماغۀ تیز دارند، اما بهترین شکل برای اجسامی که با سرعت اَبَرصوتی حرکت می‌کنند، لبه‌های قوس‌دار با دماغۀ گِرد است. گاهی این اجسام اصلاً بال ندارند. به سبب گرمای جنبشی[۲۱] شدید، لازم است وسایل اَبَرصوتی در ارتفاعات نسبتاً زیاد پرواز کنند. در حقیقت، برای چنین وسایلی «دالان هوایی[۲۲]» امنی وجود دارد که مرز پایینی آن را دمای قابل تحمل سازۀ جسم، و مرز بالایی آن را نیروی بالابر[۲۳] (نیروی برآی آیرودینامیک) آن جسم تعیین می‌کند.
- ↑ fluid physics
- ↑ air-cushion vehicles
- ↑ hovercraft
- ↑ wind load
- ↑ wind instruments
- ↑ meteorology
- ↑ density
- ↑ viscous
- ↑ Shear resistance
- ↑ drag force
- ↑ Bernoulli\'s Principle
- ↑ thrust Chamber
- ↑ diverging bell mouth
- ↑ shock wave
- ↑ Sinusoidal
- ↑ amplitude
- ↑ compressibility
- ↑ Mach
- ↑ ionized atoms
- ↑ Perfect gas laws
- ↑ Kinetic heating
- ↑ corridor
- ↑ lift