یروهای وارد بر هواپیما ، انواع نیروی پسا ، عوامل موثر بر نیروهای برا و پسا ، تغییر ضرابب برا و نسبت این ضرایب بر حسب زاویه حمله

چهار نیرو به هواپیما در حالت پرواز وارد می شود
1 – نیروی وزن هواپیما
2 – نیروی برآ
3 – نیروی پسا
4 – نیروی پیشرانش (رانش موتور)

نیروی وزن: این نیرو همان وزن هواپیما است که بر مرکز ثقل هواپیما Centre of Grauity (C.G اثر می کند و عمود بر زمین است و می خواهد هواپیما را به طرف پایین حرکت دهد که نیروی برآ آن را خنثی می کند

نیروی برآ: این نیرو در اثر حرکت هواپیما و عمدتا توسط بال تولید می شود. نقطه اثر این نیرو را Centre of Pressure یا به اختصار C.P می نامند

در واقع نیروی برآ نیرویی است که به دلیل اختلاف فشار هوا بین سطح بالایی و پایینی بال به وجود می آید. این اختلاف فشار به علت شکل دوکی مانند بال هاست. بال های هواپیما طور طراحی و ساخت می شوند که سطح روی بال انحنای بیشتری نسبت به سطح زیرین آن داشته باشد و چون سرعت هوا در پشت بال به دلیل انحنای بیشتر نسبت به زیر بال بیشتر است لذا طبق اصل برنولی فشار هوا در روی بال نسبت به زیر بال کمتر است و این اختلاف فشار نیرویی تولید می کند که می خواهد بال را به بالا و عقب حرکت دهد که به آن نیروی Resultant می گویند. این نیرو به دو مولفه تقسیم می شود که یکی از آن ها همان نیروی برا است که بال را به طرف بالا و مولفه دیگر پسا است که می خواهد بال را به عقب حرکت دهد .نیروی برا باعث می شود هواپیماها در هوا باقی بماند درواقع نیروی برآ نیرویی ناشی از وزن هواپیما را خنثی می کند (شکل زیر)



نیروی پسا : اگر بخواهیم از نیروی پسا تعریفی داشته باشیم می توان این جمله را بیان کرد که :به نیروی مقاومت باد یا هوا نیروی پسا می گویند.

همان طور که گفتیم جریان هوا در اثر حرکت بال به طرف پایین شتاب می گیرد. (به اصطلاح wash down می شود) بنابراین بر اساس قانون سوم نیوتون نیروی عکس العملی تولید می کند که می خواهد بال را به طرف عقب و بالا حرکت دهد®.و همان طور که گفتیم نیروی R=Resultant را می توان به دو مولفه تقسیم کرد که یکی در جهت باد نسبی که به آن نیروی پسا (Drag=D) می گویند و دیگر عمود بر جهت باد نسبی که همان نیروی برا است که درمورد آن توضیح دادیم

انواع نیروهای پسا

Drag کل یک هواپیما در حال پرواز مجموع Drag های زیر می باشد

1- Induced Drag یا پسای القایی: همانطوری که قبلا دیدیم نیروی تولید شده توسط یک بال ® به دو مولفه افقی و عمودی تجزیه می شود که مولفه عمودی آن نیروی Lift و مولفه افقی آن همان Induced Drag (D) می باشد پسای حاصل از جریانات حلقوی نوک بال (wing tip vortices) نیز جز این پسا به حساب می آید.

2- Skin friction Drag یا پسای حاصل از اصطکاک پوسته ای: دو عامل موجب این نوع Drag می گردد یکی خاصیت چسبندگی هوا (Air Viscosity) و دیگری زبری و کثیفی سطح بال و بدنه هواپیما. (Skin Roughness) باید توجه داشت که وقتی هواپیما در حال پرواز است به دلیل خاصیت چسبندگی هوا و زبری و ناصافی سطح بال و بدنه هواپیما نیروی اصطکاک تولید شده موجب می گردد تا لایه نازکی از هوا که مجاور سطح بال و بدنه است سرعتش صفر شده و به سطح بال و بدنه چسبیده باشد ولی لایه هایی رویی آن به تدریج سرعت بیشتری پیدا کرده تا جایی که برابر سرعت هوای جاری روی بال و بدنه گردند. این لایه نازک را Boundary layer نامیده و در حقیقت ایجاد این لایه است که موجب این نوع Drag می گردد و هرچه سطح بال نا صاف تر و کثیف تر باشد ضخامت این لایه (B.L) بیشتر و درنتیجه این نوع Drag بیشتر است بنابراین برای کاهش ضخامت این لایه و درنهایت کاهش این نوع Drag سعی می شود تا حد امکان سطح بال و بدنه صیقلی و صاف ساخته شود و همواره تمیز نگه داشته شود.







همانگونه که قبلا گفته شد جدا شدن این لایه هوا (Boundart layer) از روی بال موجب ب هم خوردن جریان منظم و ایجاد جریانات نا منظم و حلقوی روی بال گشته (Turbulent flow=Eddy Current=Burble) و بال Stall می کند.





3- Profile Drag یا پسای حاصل از شکل عمومی بال: Drag حاصل از شکل عمومی ، ضخامت و به طور کلی سطح مقطع بال و بدنه را Profile Drag می نامند واضح است که اجسام آیرودینامیکی در مقایسه با سایر اشکال کمترین Drag را دارند به طوریکه اگر چهار جسم با سطح مقطع یکسان و با اشکال مختلف را تحت آزمایش قرار دهیم متوجه کاهش شدید Drag در اجسام آیرودینامیکی خواهیم شد.

4- Interference Drag یا پسای محل اتصال: Drag تولید شده در محل اتصال بال و سکان های افقی ثابت به بدنه می باشد. 5- Parasite Drag یا پسای حاصل از وسایل خارجی: Drag حاصل از چرخ ها ، موتور ، تانک های خارجی حمل سوخت ، آنتی ها و بطور کلی None lifting surfaces را Parasite می نامند. مجموع همه این پسا ها پسا ی کل هواپیما را تشکیل داده

نیروی رانش موتور: این نیرو به وسیله موتورهای هواپیما تولید شده و سبب خنثی کردن پسا و حرکت هواپیما به جلو می شود. نیروی رانش موتور باعث شتاب گرفتن هواپیما می شود اما در نهایت نیروی پسا سرعت هواپیما را تعیین می کند زیرا با افزایش سرعت هواپیما نیروی پسا نیز افزایش می یابد تا این که در نهایت نیروی پسا با نیروی رانش موتور برابر می شود و هواپیما به سرعت ثابت می رسد به طور کلی در یک پرواز افقی یکنواخت چهار نیروی فوق دو به دو با هم برابر هستند. دقیقا مثل این که شما جسمی را با سرعت ثابت از روی زمین بردارید در این صورت نیروی دست شما با نیروی وزن جسم برابری می کند.






عوامل موثر بر نیروهای برا و پسا Factors Affecting lift and Drag

1-سرعت هوا True Air Speed:

نیروهای Lift و Drag با مجذور سرعت هوا (باد نسبی) نسبت مستقیم دارد.

مثلا اگر سرعت باد نسبی دو برابر شود Lift و Drag تولید شده چهار برابر خواهد شد البته این افزایش Lift و Drag به شکل عمومی بال نیز بستگی دارد برای مثال یک بال که برای سرعتی حدود 400 مایل در ساعت طراحی و ساخت شده در سرعت های بالا Lift کمتر و Drag بیشتری تولید خواهد کرد.

2-سطح بال (S): هرچه سطح بال بیشتر باشد نیروی Lift و Drag تولید شده بیشتر خواهد بود

3-جرم مخصوص هوا (فرمول): این دو نیرو با افزایش جرم مخصوص هوا (Air Density) نسبت مستقیم دارند. بنابراین در ارتفاع پایین که چگالی (جرم مخصوص) هوا بیشتر است نیروی Lift و Drag بیشتر خواهد بود و در فرودگاه ها کم ارتفاع از سطح دریا هواپیما در سرعت کمتری Take off کرده و نیاز به طول باند کوتاه تری دارد.

4-زاویه حمله Angle of Attack : افزایش زاویه حمله موجب افزایش نیروهای Lift و Drag می شود. البته باید توجه داشت که نیروی Lift فقط تا زاویه حدود 24 درجه افزایش می یابد و چنانچه از این مقدار بیشتر شود نیروی Lift نه تنها افزایش نخواهد یافت بلکه به سرعت رو به کاهش می گذارد زیرا از این زاویه به بعد جریان منظم هوا از روی بال جدا شده (Separation) و نا منظم و حلقوی (Turbulence and Eddy Current) می گردد و دیگر قانون برنولی صدق نخواهد کرد و هواپیما Stall خواهد کرد. این زاویه را زاویه واماندگی (Stall angle) می گویند و چون سرعت هواپیما به دلیل افزایش Drag کاهش می یابد ، لذا به این زاویه Angle of maximum lift and minimum speed نیز می گویند



5-شکل عمومی بال Wing: شکل ظاهری و مقطع بال از قبیل ضخامت لبه حمله میزان انحنا فوقانی و زیرین بال همچنین میزان صیغلی بودن سطوح خارجی بال تاثیر بسیار زیادی در نیروهای برا و پسا دارند. مثلا هرچه ضخامت بال کمتر باشد Drag آن کمتر و در سرعت های کم Lift آن نیز کمتر است

با توجه با آن چه خوانده ایم فرمول های نیروهای برا وپسا به صورت زیر است



V- سرعت هواپیما یا سرعت باد نسبی

S- سطح بال(Wings Surface Area) بر حسب

-جرم مخصوص هوا بر حسب

-ضریب برا(Coefficient of lift) که مقدار آن بستگی به زاویه حمله و شکل عمومی بال دارد.

-ضریب پسا(Coefficient of Drag) که مقدار آن نیز بستگی به زاویه حمله و شکل عمومی بال دارد.