هواپیما چگونه کار می کند؟

آیا تا به حال سوار هواپیما شده اید؟ اولین احساس تان چه بوده است؟ حتماً شما هم مثل میلیون ها نفر به این موضوع فکر کرده اید که هواپیمای چند صد تُنی با آن همه مسافر و بار چگونه از روی زمین بلند می شود و هزاران متر بالا می رود؟

زیر پای هواپیمای در حال پرواز نه آسفالتی هست، نه ریل آهنی و نه آب دریا! مثلاً هواپیمای بوئینگ 747 می تواند هر بار 500 تا 600 مسافر را حمل کند و وزن آن در هنگام برخاستن از زمین به 400 تُن می رسد. سوال اینجا است که چگونه این وسیله آهنی غول پیکر در هوا معلق می ماند و سقوط نمی کند؟

اگر این سوالات ذهن شما را نیز مشغول کرده است، شما می توانید در این مقاله نگاهی به دنیای پرندگان دست ساز بشر بیندازید.

البته پیش از آنکه راز این نکته را دریابیم که هواپیما چگونه به هوا بلند می شود؛ لازم است که ابتدا چیزهایی درباره خود هوا بدانیم. هوا مانند آب دریا است. شما اگر به این راز پی برده باشید که چگونه گاهی آب برخی از اجسام را بر سطح خود نگاه می دارد، در آن صورت به راز پرواز هواپیما هم پی می برید.

آیا تاکنون یک اسکی باز را روی آب دیده اید؟ آیا توجه کرده اید مادام که قایق به سرعت او را به دنبال خود می کشد، او هم بر سطح آب می ماند، اما همین که قایق از حرکت می ایستد، اسکی باز در آب فرو می رود. علت این پدیده آن است که جریان سریع آب، نیرویی در زیر پاهای اسکی باز ایجاد می کند که با آن اسکی باز می تواند بر سطح آن بایستد. از این رو، همین که جریان آب متوقف شود، آن نیرو هم قطع می شود، در نتیجه اسکی باز در آب فرو می رود. درباره پرواز هواپیما نیز می توان عیناً همین مطلب را گفت. یعنی اگر می بینیم هواپیما در هوا بلند می شود، این بر اثر فشار هوایی است که از زیر بال های هواپیما می گذرد و در نتیجه آن را به آسمان بلند می کند.

هر یک از بال های هواپیما دو سطح دارند. یکی سطح زیرین و دیگری سطح بالایی. سطح زیرین بال تقریباً مسطح است، ولی سطح بالایی آن در جهت عرض کمی خمیده می باشد. از این رو، هوایی که هنگام حرکت هواپیما از روی آن می گذرد، اندکی قوس دارد و همین موضوع باعث ایجاد نوعی خلاء بر فراز بال ها می شود. از سوی دیگر، چون زیر بال ها مسطح است، خلایی ایجاد نمی شود و در نتیجه هوایی که از زیر بال ها عبور می کند، فشار بیشتری در آنجا وارد می آورد. بر اثر همین فشار هوا است که هواپیما از زمین به هوا بر می خیزد. ولی یادتان باشد که تا هواپیما به جلو حرکت نکند، چنین فشاری در زیر بال هایش تولید نمی شود و در نتیجه هرگز نیروی بالابر پیدا نمی کند تا به آسمان بلند شود.

نیروی آیرودینامیک (Aerodynamic Forces)

شکل بالا، یک هواپیمای در حال تعادل پروازی را نمایش می دهد. هواپیمای در حال پرواز با چهار نیرو مواجه است:

1) نیروی پیشرانه یا جلو برنده (Thrust)

این نیرو را چرخش ملخ پروانه، موتور جت و یا راکت تولید می کند و عامل حرکت هواپیما به سمت جلو است. این نیرو بر مقاومت هوا غلبه می کند و هواپیما را به جلو می کشد. هواپیماها نیروی جلو برنده خود را از ملخ ها، موتورهای جت و یا موشک می گیرند. یک ملخ شبیه یک پنکه خانگی (ولی خیلی قوی تر) عمل می کند، یعنی کشیدن هوا به سمت عقب. البته گلایدرها جزو هواپیماهایی هستند که هیچ راهی برای تولید نیروی جلو برنده ندارند، ولی در عوض از انرژی پتانسیل ارتفاع شان برای تبدیل به حرکت جلو برنده استفاده می کنند.

2) نیروی مقاوم پَسا (Drag)

این نیرو در خلاف جهت حرکت اجسام در سیالات ظاهر می شود (هوا و آب نوعی سیال هستند). اگر هر جسمی از میان یک سیال مانند آب یا هوا عبور کند، سعی می کند با کنار زدن مولکول سیال، راهی برای پیشروی خود باز کند. این نیروی مقاوم سیال، نیروی پسا نامیده می شود. اگر شما دست خود را از پنجره ماشین در حال حرکت بیرون بگیرید، می توانید نیروی پسایی که دست شما به وجود آورده است را احساس کنید. شما حتماً بازی های المپیک اسکی بازان را دیده اید که در سراشیبی، بدن خود را خم می کنند تا نیروی پسای کمتری بسازند و در نتیجه آنها می توانند سریع تر حرکت کنند. یک هواپیمای جت مسافربری همیشه بعد از برخاستن از زمین، چرخ های خود را جمع می کند تا بدنه هواپیما، نیروی پسا را کاهش دهد، درست همانند اسکی بازان. خلبان با این کار می خواهد تا آنجا که ممکن است، سطح تماس هواپیما با مولکول های هوا را کاهش دهد و راحت تر از میان سیال هوا عبور کند؛ زیرا میزان نیروی پسای تولید شده از چرخ های هواپیما هم چشمگیر است.

3) نیروی وزن (Weight)

این نیرو یکی از ساده ترین نیروهای آیرودینامیکی است، زیرا ما همیشه وقتی چیزی را از زمین بلند می کنیم، وزنش را حس می کنیم. هر چیزی روی زمین وزن دارد حتی هوا.

4) نیروی بالا برنده (Lift)

یک نیروی آیرودینامیکی است که بر وزن غلبه می کند و هواپیما را در هوا نگه می دارد. در هواپیما، بال ها بیشترین نیروی بالا برنده را ایجاد می کنند تا هواپیما در هوا پرواز کند. برای اینکه هواپیماها یک پرواز مستقیم و متعادلی داشته باشند، باید رابطه زیر وجود داشته باشد:

نیروی پسا = نیروی جلو برنده

و

نیروی وزن = نیروی بالا برنده

اگر به هر دلیلی مقدار نیروی مقاوم پسا از نیروی جلو برنده بیشتر شود، هواپیما سرعتش کم می شود و اگر نیروی جلو برنده از نیروی پسا بیشتر شود، هواپیما هم سرعتش زیاد می شود. همچنین اگر مقدار نیروی بالابرنده از وزن کمتر باشد، هواپیما نزول می کند. با افزایش نیروی بالابرنده، خلبان می تواند هواپیما را به اوج ببرد.

همانطور که گفتیم نیروی بالابر را بال های هواپیما تامین می کند. نیرویی که صدها تُن فلز را در هوا نگه می دارد! اما به راستی این نیرو چگونه به وجود می آید؟!

بال ها و نیروی بالابرنده

بال ها از مهم ترین اجزای یک هواپیما هستند. مخترعین و مهندسان صدها سال وقت صرف کردند تا بفهمند چگونه سطحی را طراحی کنند که نیروی بالابرنده زیادی تولید کنند. بال ها طوری طراحی می شوند که هوا را به سمت پایین منحرف کنند. در انحراف هوا به سمت پایین، مناطق کم فشار و پُر فشار در اطراف بال شکل می گیرد. هم سطح فوقانی و هم سطح زیرین بال وظیفه شان کشیدن هوا به سمت پایین است، که این خود ایجاد فضای کم فشار در روی بال و ایجاد ناحیه پُر فشار در سطح زیرین بال می کند و نتیجه نهایی، تولید نیروی بالابر است.

در عمل، محاسبه تقسیم فشار در اطراف بال و تعیین مقدار دقیق آن در تولید نیروی بالابر کار دشواری است. اگرچه در مدل های کامپیوتری، محاسبه نیروی بالابر تا حدودی آسان شده است، اما هنوز هم بیشتر محاسبات بر طبق اطلاعات تجربی مهندسینی استوار است که روی سطوح بالی شکل در تونل های قوی باد انجام می دهند.

نیروی بالابرنده چگونه به وجود می آید؟

همانطور که گفتیم، هوا و آب نوعی سیال هستند. نیروی بالابرنده در سیال وقتی به وجود می آید که یا سیال در حال حرکت باشد و یا جسم داخل سیال حرکت کند. حال چگونه این نیروی بالابر در بال های هواپیماها تولید می شود؟ اگر شما کتاب های آیرودینامیک دانشگاهی را مطالعه کنید، تئوری های مختلفی خواهید یافت که هر کدام با دلایل موجه و یا فرمول های ریاضی سعی می کنند نحوه تولید این نیرو را اثبات کنند. با آنکه ارائه این تئوری ها به زبان عامیانه کمی مشکل است، ولی ما سعی می کنیم دو نمونه از این تئوری های مشهور را برایتان توضیح دهیم.

تئوری برنولی (Bernoulli’s principle)

این تئوری را دانشمند معروف دانیل برنولی ارائه کرده است. اگر ما دو مولکول هوا را در نظر بگیریم که در لبه جلویی بال باشند و یکی از مولکول ها از پایین و دیگری از بالا عبور کنند، این دو مولکول در لبه عقبی بال همزمان به هوا خواهند رسید. از آنجا که بخش فوقانی بال خمیدگی بیشتری نسبت به بخش تحتانی دارد، بنابراین مولکول بالایی مسیر بیشتری را در زمان مساوی نسبت به مولکول پایینی طی کرده است، پس در نتیجه سرعتش بیشتر بوده است. طبق تئوری برنولی با افزایش سرعت سیال، فشار در آن نقطه کم خواهد شد. با استناد به این موضوع، چون سرعت سیال در قسمت فوقانی بال بیشتر است، پس فشار در آنجا کمتر از فشار هوای بخش تحتانی بال است و این اختلاف فشار باعث کشیده شدن بال به طرف بالا می شود.

البته این تئوری اشکالاتی هم دارد:

• اولاً با پیشرفته ترین فناوری های امروزی هم نمی توان ثابت کرد که مولکول های هوای جلوی بال، همزمان در عقب بال به هم می رسند.
• ثانیاً هواپیماهایی ساخته شده اند که بخش فوقانی و تحتانی متقارنی دارند و پرواز هم می کنند و اگر اختلاف فشار را بر اساس تئوری برنولی بپذیریم، این هواپیماها اساساً نباید بتوانند پرواز کنند.

از طرفی این تئوری را هم نمی توان 100 درصد نفی کرد، چون ثابت شده است که در این نوع بال ها سرعت حرکت مولکول ها در بخش فوقانی بال بیشتر از بخش تحتانی است و همین اختلاف فشار می تواند باعث تولید نیروی بالابرنده باشد. شما می توانید با فوت کردن به لبه بالایی یک برگ کاغذ خم شده، تئوری برنولی را آزمایش کنید و به درستی آن پی ببرید!

تئوری نیوتن

این تئوری را دانشمند معروف ایزاک نیوتن ارائه کرده است. این تئوری از قانون عمل و عکس العمل بهره می گیرد. شما تاثیرات این قانون را می توانید در برخورد دو اسکی باز هاکی روی یخ ببینید. طبق این تئوری، مولکول های هوا در برخورد به سطح زیرین بال هواپیما، آن را به طرف بالا هُل می دهند و همین باعث تولید نیروی بالابر هواپیما می شود.

البته این تئوری هم اشکالاتی دارد که عبارتند از:

• مولکول های هوا به قسمت بالایی بال هم برخورد می کنند و باید نیرویی هم به طرف پایین تولید کنند.
• در آزمایشگاه ها به این نتیجه رسیده اند که اغلب مولکول های سیال قبل از برخورد به مانع، از مسیر خود منحرف می شوند و آن را دور می زنند. پس بیشتر مولکول های هوا نمی توانند مستقیماً به سطح بال اصابت کنند.

البته این تئوری را هم نمی توان کاملاً نفی کرد، چون در هوایی با غلظت کم و سرعت بسیار زیاد، مولکول های هوا مثل ساچمه های تفنگ هستند و می توانند در آن شرایط به سطح بال اصابت کنند.

دلایل علمی جدید

به شکل زیر توجه کنید.

هوایی که به قسمت فوقانی بال می رسد (A)، مولکول های هوای آنجا را با فشار به طرف بالا هل می دهد و چون بال انحناء دارد، غلظت و فشار هوا در عقب بال کمتر از بخش فوقانی می شود و این اختلاف باعث می شود تا هوا از بالا به طرف عقب بچرخد، حتی آن را دور بزند و به زیر بال برسد و از پایین به طرف بالا فشار بیاورد.

از طرفی هوایی که به قسمت زیرین بال می رسد (B)، فشرده شده و به طرف پایین می چرخد و با نیروی هوای بالابر (A) ترکیب می شود. این هوا هم با دور زدن بال، از سطح زیرین بال به طرف بالا نیرو وارد می سازد. به این ترتیب، نیروی مجموع از تاثیر دو نیروی A و B بر بال ها به وجود می آید. این نیرو را می توان به شکل مجازی به دو نیرو تجزیه کرد. یکی از این نیروها در خلاف جهت حرکت بال ظاهر می شود که همان نیروی مقاوم پسا است. نیروی دیگر که به سمت بالا ظاهر می شود، همان نیروی بالابرنده است.

بنابراین نیروی بالابر به صورت ترکیبی از تئوری های برنولی و نیوتن – البته با مختصر تفاوت هایی – تولید می شود. این نیرو آنقدر زیاد است که می تواند یک هواپیمای چند تنی را در آسمان نگه دارد. با خم کردن بال ها یا کم و زیاد کردن سرعت هواپیما (به کمک نیروی پیشرانه) می توان نیروی بالابر را کم و زیاد کرد. همچنین نحوه طراحی سطح فوقانی، زاویه و انحناء بال ها و همچنین دنباله ها نیز تاثیر زیادی در میزان کسب نیروی بالابر و غلبه بر نیروی مقاوم سیال دارند.

نیروی پیشرانه

نیروی محرکه هواپیما با سوخت مخصوص در موتور تامین می شود. در هواپیماهای کوچک ملخ دار، موتورها با انتقال نیروی مکانیکی به پروانه، باعث چرخش آن می شوند. ملخ پره این هواپیماها به دلیل زاویه خاصی که دارند، هوا را به طرف داخل می کِشند و از پشت سر رد می کنند. اختلاف فشار هوای جلو و عقب ملخ در حال چرخش، باعث کشش هواپیما به جلو و غلبه بر نیروی مقاوم پسا می شود. در هواپیماهای قدیمی هم، ملخ وظیفه تامین نیروی جلوبر هواپیما را داشت. ملخ هواپیما درست مانند پیچی است که در چوب فرو می کنیم و با هر بار چرخش، مقداری در چوب فرو می رود. ملخ نیز همین گونه می چرخد، در شکم هوا فرو می رود و راه خود را به جلو باز می کند. به همین دلیل است که انگلیسی ها به ملخ هواپیما، پیچ هوا می گویند!

وقتی که هوا به سرعت جریان یابد یا چیزی در میان آن سریع حرکت کند، مانند یک جسم جامد می شود. آیا تاکنون توجه کرده اید که وقتی باد تندی می وزد، وزش آن را مانند یک جسم جامد بر گونه ها و اندام خود حس می کنیم؟ در آغاز کار که خلبان، هواپیما را تازه روشن می کند، گردش ملخ ها آنقدر سریع نیست که بتواند مانند پیچ در هوا فرو رود، ولی با افزایش سرعت پره ها دارای چنین خاصیتی می شود و هواپیما را به پیش می راند. این حرکت را پیشرانه می گویند. نیروی پیشرانه بر اصطکاک هواپیما با مولکول های هوا غلبه می کند. نیروی بالابرنده نیز روی نیروی جاذبه زمین غلبه می کند. در نتیجه نیروهای پیشرانه و بالابرنده هر دو سبب می شوند که هواپیما در آسمان حرکت کند.

موتورهای جت

در هواپیماهایی با موتور جت، هوا وارد موتور شده و توسط بخش کمپرسور فشرده می شود. هوای پر فشار در بخش میانی (اتاقک احتراق) با سوخت مخلوط و منفجر می شود. گاز حاصله با فشار از بخش انتهایی خارج می شود و توربین عقبی را می چرخاند. میله شفت که داخل موتور تعبیه شده است، کمپرسور را هم به حرکت در می آورد تا هوا با فشار بیشتری وارد موتور شود. به خاطر گرمای فوق العاده زیادی که در اتاقک احتراق به وجود می آید، اطراف این موتورها را یک فضای باز قرار می دهند تا با عبور هوا از بین آنها، موتور خنک شود. آیا تاکنون ابرهایی را که پشت سر هواپیماهای جت تشکیل می شود، دیده اید؟ این ابرها همان بخار گازهای خروجی هستند که در دمای زیر صفر درجه در ارتفاع بالا، ناگهان تبدیل به یخ می شوند و ما آنها را به شکل ابر می بینیم.

کنترل جهت حرکت

روی هر بال هواپیما، بالچه هایی وجود دارند که به کمک موتورهای الکتریکی کوچکی حرکت می کنند که داخل بال ها تعبیه شده اند، و بالا و پایین می روند. یکی از این بالچه ها شَهپَر (Aileron) نام دارد و وظیفه آن چرخاندن هواپیما حول محور طولی است. شهپرها معمولاً به گونه ای با هم مرتبط هستند که وقتی یکی به پایین می رود، دیگری رو به بالا می رود. شهپر پایین رو نیروی بالابر هواپیما را افزایش می دهد و شهپر بالارو از آن می کاهد. به این ترتیب، هواپیما در راستای طولی خود به سمت چپ یا راست می چرخد.

در کنار شهپرها و نزدیک به بدنه هواپیما، بالچه دیگری به نام برآافزا (Flap) قرار دارد. این بالچه ها، با هم پایین رفته و با هم بالا می آیند و برعکس شهپرها، موافق همدیگر عمل می کنند. این بالچه ها، با افزایش زاویه بال ها، باعث گسترش سطح بال و در نتیجه نیروی بالابر بیشتر می شوند که در نتیجه، برخاستن و فرود هواپیما را با سرعت های کمتر امکان پذیر می سازند.

همچنین روی دُم هواپیماها دو نوع بالچه وجود دارد:

1. بالچه سکان افقی
2. بالچه سکان عمودی

بالچه سکان افقی یا بالابر به صورت بال های کوچک افقی در انتهای هواپیما می باشند. کنترل این سکان بوسیله اهرم موجود در کابین می باشد. به این ترتیب که با کشیدن اهرم به سمت عقب، بالچه بالا می رود و در نتیجه هواپیما به سمت بالا حرکت می کند. با هل دادن اهرم به سمت جلو بالچه پایین می آید و هواپیما به سمت پایین منحرف می شود. برای گردش هواپیما حول محور عرضی (چپ یا راست) نیز بالچه ای روی بال عمودی در انتهای هواپیما قرار دارد. کنترل این سکان نیز بوسیله فشار دادن دو پدال موجود در کابین انجام می شود. پدال سمت چپ جهت گردش هواپیما به سمت چپ و پدال سمت راست جهت گردش به راست استفاده می شود.

برج مراقبت

یک مسافر هواپیما بعضی وقت ها از خودش می پرسد که خلبان چگونه می تواند باند فرود را پیدا کند در حالی که هواپیما از میان ابرها عبور می کند و اینکه زمین تنها درست قبل از نشستن هواپیما دیده می شود؟

شما می دانید که یک هواپیما راه های هوایی را می پیماید تا به مقصد برسد و به محض نزدیک شدن به فرودگاه، خلبان در تماس با برج مراقبت از جهت حرکت خود و نیز سرعت و جهت باد آگاه می شود. مکالمات معمولاً به زبان انگلیسی هستند؛ یعنی چیزی که این امکان را فراهم می کند تا یک خلبان بتواند با هر فرودگاهی در دنیا ارتباط برقرار کند.

اگر دید خلبان خوب نباشد، از برج مراقبت می خواهد تا به طرف باند هدایتش کند. کنترل کنندگان برج مراقبت به کمک دستگاه های رادار می توانند تشخیص دهند که یک هواپیما در کجا و در چه ارتفاعی در حال پرواز است. به این ترتیب می توانند به خلبان بگویند که باید به چه سرعتی و در چه جهتی پایین بیاید.

از طرف دیگر هواپیماها مجهز به یک سیستم فرود هستند که خلبانان را در راه فرود و یافتن باند، راهنمایی می کند.

هنر یک خلبان در این است که هواپیما را آرام در محلی مشخص و با سرعتی خاص روی باند فرودگاه بنشاند. اگر باد جانبی خیلی قوی باشد، سکان هدایت باید به سرعت وارد عمل شود. وقتی هواپیما با زمین تماس می گیرد، سرعتش بیش از 200 کیلومتر در ساعت است که این سرعت باید به شدت کاهش یابد، در غیر این صورت هواپیما از باند خارج می شود. به این منظور باله ها بلند می شوند و زمینه ترمز در هواپیما را فراهم می کنند. خلبان همچنین نیروی رانش موتور را معکوس می کند، طوریکه صدای موتور به گوش می رسد. برای اینکار، خلبان با پدال مخصوص، مسیر گازهای خروجی موتورها را عوض می کند بطوریکه آنها را از عقب به جلو پرتاب می کند که به این کار نیروی رانش معکوس می گویند. به این ترتیب نیروی موتورها در جهت مخالف و به صورت یک ترمز عمل می کند. از طرف دیگر، چرخ های هواپیما مانند یک خودرو دارای ترمز هستند، اما این ترمزها وارد عمل نمی شوند، مگر زمانی که سرعت هواپیما بسیار کم شود. خلبان زمانی از آنها استفاده می کند که بخواهد بطور کامل هواپیما را جلوی ترمینال متوقف کند.

بیشتر بدانید…

 منابع

مقاله علمی و آموزشی «هواپیما چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.