هنا على الأرض ، نميل إلى اعتبار مقاومة الهواء (المعروفة أيضًا باسم "السحب") أمرًا مسلمًا به. نحن نفترض فقط أنه عندما نرمي كرة ، أو نطلق طائرة ، أو نأكل مركبة فضائية ، أو نطلق رصاصة من مسدس ، فإن فعلها أثناء السفر عبر غلافنا الجوي سيبطئها بشكل طبيعي. لكن ما سبب ذلك؟ ما مدى قدرة الهواء على إبطاء جسم ما ، سواء كان في السقوط الحر أو في حالة طيران؟
بسبب اعتمادنا على السفر الجوي ، وحماسنا لاستكشاف الفضاء ، وحبنا للرياضة وجعل الأشياء محمولة في الهواء (بما في ذلك أنفسنا) ، فإن فهم مقاومة الهواء هو مفتاح لفهم الفيزياء ، وهو جزء لا يتجزأ من العديد من التخصصات العلمية. كجزء من الانضباط الفرعي المعروف باسم ديناميكيات السوائل ، فإنه ينطبق على مجالات الديناميكا الهوائية والديناميكا المائية والفيزياء الفلكية والفيزياء النووية (على سبيل المثال لا الحصر).
تعريف:
بحكم التعريف ، تصف المقاومة الجوية القوى التي تعارض الحركة النسبية لجسم ما أثناء مروره عبر الهواء. تعمل قوى السحب هذه عكس سرعة التدفق القادمة ، وبالتالي تبطئ الكائن لأسفل. على عكس قوى المقاومة الأخرى ، يعتمد السحب بشكل مباشر على السرعة ، حيث إنه مكون من القوة الديناميكية الهوائية الصافية التي تعمل عكس اتجاه الحركة.
طريقة أخرى لوضعها هي أن نقول أن مقاومة الهواء هي نتيجة اصطدام سطح الجسم الرئيسي بجزيئات الهواء. لذلك يمكن القول أن أكثر العوامل شيوعًا التي لها تأثير مباشر على كمية مقاومة الهواء هي سرعة الجسم ومنطقة المقطع العرضي للجسم. Ergo ، سيؤدي كل من زيادة السرعة ومناطق المقطع العرضي إلى زيادة كمية مقاومة الهواء.
من حيث الديناميكا الهوائية والطيران ، يشير السحب إلى كل من القوى التي تعمل عكس الاتجاه ، وكذلك القوى العاملة بشكل عمودي (أي الرفع). في الديناميكا الفلكية ، يكون السحب الجوي قوة موجبة وسالبة اعتمادًا على الموقف. إنه استنزاف للوقود والكفاءة أثناء الإقلاع وتوفير للوقود عندما تعود مركبة فضائية إلى الأرض من المدار.
حساب مقاومة الهواء:
عادةً ما يتم حساب مقاومة الهواء باستخدام "معادلة السحب" ، التي تحدد القوة التي يمر بها جسم يتحرك عبر مائع أو غاز بسرعة كبيرة نسبيًا. يمكن التعبير عن ذلك رياضيًا على النحو التالي:
في هذه المعادلة ، FD يمثل قوة السحب ، ص هي كثافة السائل ، الخامس هي سرعة الجسم بالنسبة إلى الصوت ، أ هي منطقة المقطع العرضي ، وقرص مضغوط هو معامل السحب. والنتيجة هي ما يسمى "السحب التربيعي". بمجرد تحديد ذلك ، يتضمن حساب مقدار الطاقة اللازمة للتغلب على السحب عملية مماثلة ، والتي يمكن التعبير عنها حسابيًا على النحو التالي:
هنا، صهي القوة اللازمة للتغلب على قوة السحب ، فد هي قوة السحب ، v هي السرعة ، ص هي كثافة السائل ، الخامس هي سرعة الجسم بالنسبة إلى الصوت ، أ هي منطقة المقطع العرضي ، ومؤتمر نزع السلاح هو معامل السحب. كما هو موضح ، فإن احتياجات الطاقة هي مكعب السرعة ، لذلك إذا استغرق الأمر 10 حصانا لتصل إلى 80 كيلومتر في الساعة ، فسوف يستغرق 80 حصانًا لتصل إلى 160 كيلومتر في الساعة. باختصار ، مضاعفة السرعة تتطلب تطبيق ثمانية أضعاف كمية الطاقة.
أنواع المقاومة الجوية:
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من السحب في الديناميكا الهوائية - الرفع المستحث والطفيلي والموجة. يؤثر كل منها على قدرة الأجسام على البقاء عالياً وكذلك على الطاقة والوقود اللازم لإبقائها هناك. يحدث السحب الناجم عن الرفع (أو المستحث فقط) نتيجة لإنشاء الرفع على جسم رفع ثلاثي الأبعاد (الجناح أو جسم الطائرة). يحتوي على مكونين أساسيين: سحب الدوامة والسحب اللزج الناجم عن الرفع.
تستمد الدوامات من الخلط المضطرب للهواء بضغط متغير على الأسطح العلوية والسفلية للجسم. هذه مطلوبة لإنشاء المصعد. كلما زاد الرفع ، زاد السحب الناتج عن الرفع. بالنسبة للطائرة ، هذا يعني أنه كلما زادت زاوية الهجوم ومعامل الرفع إلى نقطة المماطلة ، فإن السحب الناتج عن الرفع يتزايد.
على النقيض من ذلك ، يحدث السحب الطفيلي عن طريق تحريك جسم صلب عبر سائل. يتكون هذا النوع من السحب من مكونات متعددة ، والتي تشمل "سحب النموذج" و "سحب احتكاك الجلد". في الطيران ، يميل السحب المستحث إلى أن يكون أكبر بسرعات أقل لأن زاوية الهجوم العالية مطلوبة للحفاظ على الرفع ، بحيث تزيد السرعة هذا السحب يصبح أقل بكثير ، لكن السحب الطفيلي يزداد لأن السائل يتدفق بشكل أسرع حول الأجسام البارزة مما يزيد من الاحتكاك. يكون منحنى السحب الكلي المدمج في الحد الأدنى عند بعض السرعات الهوائية وسيكون عند أو بالقرب من كفاءته المثلى.
يتم إنشاء سحب الموجة (سحب الانضغاط) من خلال وجود جسم يتحرك بسرعة عالية من خلال سائل قابل للانضغاط. في الديناميكا الهوائية ، يتكون سحب الموجة من مكونات متعددة اعتمادًا على نظام السرعة للرحلة. في الطيران عبر الموجات الصوتية - بسرعات 0.5 ماخ أو أعلى ، ولكن لا يزال أقل من 1.0 ماخ (سرعة الصوت أيضًا) - سحب الموجة هو نتيجة التدفق الأسرع من الصوت المحلي.
يحدث التدفق فوق الصوتي على الأجسام التي تسير أقل بكثير من سرعة الصوت ، حيث تزداد السرعة المحلية للهواء على الجسم عندما تتسارع فوق الجسم. باختصار ، غالبًا ما تتسبب الطائرات التي تحلق بسرعات Transonic في سحب الموجة نتيجة لذلك. يزداد هذا مع اقتراب سرعة الطائرة من حاجز الصوت لـ Mach 1.0 ، قبل أن تصبح كائنًا أسرع من الصوت.
في الطيران الأسرع من الصوت ، يكون سحب الموجة نتيجة لموجات الصدمة المائلة التي تكونت عند الحواف الأمامية والزائدة للجسم. في التدفقات الأسرع من الصوت تتشكل موجات القوس بدلاً من ذلك. بسرعات تفوق سرعة الصوت ، عادة ما يتم فصل سحب الموجة إلى مكونين ، سحب الموجة الذي يعتمد على رفع الصوت الأسرع من الصوت وسحب الموجة الأسرع من الصوت.
إن فهم الدور الذي تلعبه الاحتكاكات الجوية مع الطيران ، ومعرفة ميكانيكاها ، ومعرفة أنواع القوة اللازمة للتغلب عليها ، كلها أمور مهمة عندما يتعلق الأمر باستكشاف الفضاء والفضاء. ستكون معرفة كل هذا أمرًا بالغ الأهمية أيضًا عندما يحين الوقت لاستكشاف الكواكب الأخرى في نظامنا الشمسي ، وفي أنظمة النجوم الأخرى تمامًا!
لقد كتبنا العديد من المقالات حول مقاومة الهواء والطيران هنا في مجلة الفضاء. إليك مقالة عن ما هي السرعة النهائية؟ ، كيف تطير الطائرات ؟، ما هو معامل الاحتكاك ؟، وما هي قوة الجاذبية؟
إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول برامج الطائرات التابعة لوكالة ناسا ، فراجع دليل المبتدئين للديناميكا الهوائية ، وهنا رابط لمعادلة السحب.
لقد سجلنا أيضًا العديد من الحلقات ذات الصلة بفلك الفلك. استمع هنا ، الحلقة 102: الجاذبية.
