الفبای آیرودینامیک؛ نیروها، سرعت‌ها و زاویه‌ها

هر زبانی یک الفبا دارد. زبان پرواز هم الفبای خودش را دارد: چند نیرو، چند سرعت و چند زاویه. اگر این‌ها را بشناسی، بقیه درس‌ها را راحت می‌فهمی.

در این درس می‌بینی در لحظه دویدن و در طول پرواز چه نیروهایی به تو وارد می‌شود. یاد می‌گیری سرعت هوایی با سرعت زمینی چه فرقی دارد. در آخر هم می‌فهمی چرا خلبان‌ها همیشه رو به باد بلند می‌شوند و رو به باد فرود می‌آیند.

دو تعریف پایه

آیرودینامیک (Aerodynamics) علمی است که حرکت اجسام در هوا را مطالعه می‌کند.

خط وتر (Chord line) یک خط فرضی و مستقیم است. این خط لبه حمله را به لبه فرار وصل می‌کند. در واقع بلندترین خط مستقیمی است که می‌شود بین این دو لبه کشید. خط وتر را به خاطر بسپار؛ همه زاویه‌های این درس با آن اندازه‌گیری می‌شوند.

چهار نیروی پرواز

چهار نیرو به یک وسیله پروازی وارد می‌شود:

نیروها در لحظه دویدن

در تیک‌آف، نیروها به ترتیب ظاهر می‌شوند:

1. وزن اولین نیرویی است که همیشه وجود دارد.
2. تراست دومین نیروست. خلبان با دویدن آن را می‌سازد تا باد روبه‌رو ایجاد کند.
3. به محض شروع حرکت، درگ در خلاف جهت حرکت وارد می‌شود.
4. لیفت آخرین نیروست. پاراگلایدر فقط وقتی وسیله پروازی می‌شود که باد روبه‌رو داشته باشد و بال پر از هوا باشد. به پر شدن بال از هوا اینفلیت (Inflate) می‌گویند.

در این شکل ببین تراست و درگ روبه‌روی هم هستند و لیفت و وزن هم روبه‌روی هم.

نیروها در پرواز پایدار

به محض اینکه پای خلبان از زمین جدا شود، تراست حذف می‌شود. دیگر کسی نمی‌دود. از این لحظه، وزن وظیفه جلو بردن وسیله را بر عهده می‌گیرد.

بعد از جدا شدن از زمین، مسیر پرواز نسبت به افق کمی رو به پایین است. پاراگلایدر این‌طور طراحی شده است. بال همیشه با شیبی ملایم در هوا پایین می‌رود. به این پرواز گلاید (Glide) می‌گویند.

در پرواز عادی، مجموع سه نیروی وزن، لیفت و درگ صفر می‌شود. یعنی این نیروها همدیگر را خنثی می‌کنند. برای همین بال با سرعت ثابت پرواز می‌کند.

تجزیه نیروی وزن

نیرو یک کمیت برداری است. یعنی هم اندازه دارد و هم جهت. پس می‌توانیم نیروی وزن را به دو بخش تقسیم کنیم:

• W1: بخشی از وزن که عمود بر مسیر پرواز است. این بخش را لیفت خنثی می‌کند.
• W2: بخشی از وزن که در امتداد مسیر پرواز و رو به جلوست. این بخش را درگ خنثی می‌کند.

همین W2 است که پاراگلایدر را بدون موتور جلو می‌برد.

در این شکل ببین وزن چطور به دو بخش W1 و W2 تقسیم شده است. به جهت W2 دقت کن؛ درست در مسیر حرکت است.

وزن بیشتر، سرعت بیشتر

هر بال یک رنج وزنی دارد که سازنده اعلام می‌کند. اگر وزن کل در این رنج بیشتر شود، سرعت بال بیشتر می‌شود. اما نسبت سرش (Glide ratio) تغییر نمی‌کند.

نسبت سرش یعنی بال به ازای هر متر ارتفاعی که از دست می‌دهد، چند متر جلو می‌رود. پس خلبان سنگین‌تر، در همان رنج وزنی، به همان نقطه می‌رسد؛ فقط زودتر.

اما اگر وزن کل از رنج وزنی بال بیشتر شود، W1 بیشتر می‌شود. نتیجه این است که سینک (Sink)، یعنی سرعت پایین رفتن بال، هم زیاد می‌شود.

وقتی زاویه حمله را کم می‌کنی

در ادامه همین درس با زاویه حمله آشنا می‌شوی. فعلاً بدان که با اسپید سیستم می‌شود آن را کم کرد. وقتی این کار را می‌کنی، این اتفاق‌ها به ترتیب می‌افتد:

1. مسیر پرواز کمی شیب‌دارتر می‌شود و W2 بزرگ‌تر می‌شود.
2. طبق قانون دوم نیوتن، بال در جهت این نیرو، برای مدت کوتاهی شتاب می‌گیرد.
3. سرعت هوایی زیاد می‌شود.
4. هم‌زمان، درگ هم زیاد می‌شود تا W2 جدید را خنثی کند.
5. از این لحظه، بال با سرعت بیشتر و یک نسبت سرش جدید، به پروازش ادامه می‌دهد.

سرعت‌های پروازی

سه سرعت را باید از هم جدا کنی:

• سرعت باد (Wind speed): سرعت جریان هوا نسبت به یک نشانه ثابت روی زمین.
• سرعت هوایی (Airspeed): سرعت وسیله پروازی نسبت به هوای اطرافش.
• سرعت زمینی (Ground speed): سرعت وسیله پروازی نسبت به یک نشانه ثابت روی زمین. این سرعت از ترکیب سرعت هوایی و سرعت باد به دست می‌آید.

یک مثال با عدد: فرض کن سرعت هوایی بالت ۳۶ کیلومتر بر ساعت است.

سرعت هوایی در هر سه حالت یکی است. بال فرقی حس نمی‌کند. فقط سرعت تو نسبت به زمین عوض می‌شود.

اسلایدر باد را جابه‌جا کن. ببین با باد روبه‌رو، سرعت زمینی کم می‌شود؛ حتی اگر سرعت هوایی ثابت بماند.

باد نسبی

وقتی پای خلبان از زمین جدا می‌شود، دیگر باد منطقه را حس نمی‌کند. چون باد خلبان را هم‌جهت با خودش می‌برد. مثل بالنی که با باد می‌رود و سرنشینش هیچ نسیمی حس نمی‌کند.

پس بادی که در پرواز به صورتت می‌خورد، بادی است که خود بال با حرکتش در هوا ساخته است. این باد با سرعت هوایی کم و زیاد می‌شود. به آن باد نسبی (Relative wind) می‌گویند.

باد نسبی سه ویژگی دارد:

• همیشه خلاف جهت مسیر پرواز (Fly path) است.
• سرعتش برابر سرعت هوایی بال است.
• با کم و زیاد شدن سرعت هوایی، کم و زیاد می‌شود.

روی زمین اوضاع فرق دارد. آن‌جا بادی که حس می‌کنی، باد منطقه است. فقط وقتی هوا کاملاً آرام است (No wind)، بادی که هنگام دویدن حس می‌کنی، باد نسبی است.

گاست و جریان هوا

گاست (Gust) یا تندباد، یعنی تغییر ناگهانی جهت یا سرعت باد، یا هر دو، در یک مدت کوتاه.

باد نسبی همیشه با مسیر حرکت هم‌راستاست. فقط یک استثنا دارد: در لحظه برخورد گاست. در آن لحظه، جهت باد نسبی برای مدت کوتاهی عوض می‌شود. رفتار بال در گاست را در درس ۱۲ می‌بینی.

به هوایی که از روی سطح‌های بال می‌گذرد، جریان هوا (Air flow) می‌گویند.

• روی زمین، باد منطقه این جریان را می‌سازد. مثلاً وقتی بال را روی زمین کنترل می‌کنی.
• در پرواز، سرعت هوایی بال این جریان را می‌سازد.

زاویه‌های پروازی

هر زاویه از برخورد دو خط ساخته می‌شود. در پرواز، سه خط مهم داریم: خط وتر (Chord line)، خط افق (Horizon) و مسیر پرواز (Fly path). از برخورد این‌ها سه زاویه ساخته می‌شود:

در این شکل، هر سه زاویه را پیدا کن. دقت کن زاویه حمله با مسیر پرواز اندازه‌گیری می‌شود، نه با افق.

مهم‌ترین این سه، زاویه حمله است. خلبان می‌تواند آن را با دو ابزار تغییر دهد:

• برک: زاویه حمله را زیاد می‌کند.
• اسپید سیستم (Speed system): زاویه حمله را کم می‌کند.

عامل دیگری هم زاویه حمله را تغییر می‌دهد: گاست. این تغییر دست خلبان نیست و باید به آن واکنش درست نشان دهد.

دامنه پروازی

دامنه پروازی (Fly domain) یعنی همه سرعت‌های هوایی بین دو مرز:

• حداقل سرعت هوایی (Min airspeed): کمترین سرعتی که بال برای پرواز لازم دارد. این عدد ثابت نیست و در شرایط مختلف تغییر می‌کند. هرچه وزن بیشتر باشد، این سرعت بیشتر می‌شود. یعنی بال سنگین‌تر، در سرعت بالاتری واماندگی می‌کند.
• حداکثر سرعت هوایی (Max airspeed): بیشترین سرعت بال. با کشیدن کامل اسپید سیستم به دست می‌آید. در بال دونفره (Tandem)، با باز بودن تریمرها به دست می‌آید.

سرعت تریم

سرعت تریم (Trim speed) سرعتی است که سازنده برای بال طراحی کرده است. وقتی برک‌ها آزاد است و خلبان هیچ دخالتی نمی‌کند، بال با همین سرعت پرواز می‌کند. در بیشتر بال‌های آموزشی، این عدد حدود ۳۵ تا ۳۹ کیلومتر بر ساعت است.

چرا رو به باد تیک‌آف و فرود می‌کنیم؟

حالا همه این‌ها را کنار هم بگذار.

تیک‌آف رو به باد: بال برای پرواز باید به حداقل سرعت هوایی برسد. باد روبه‌رو بخشی از این سرعت را مجانی به تو می‌دهد. پس با کمترین انرژی و سریع‌تر به حداقل سرعت هوایی می‌رسی.

فرض کن حداقل سرعت هوایی بالت ۲۴ کیلومتر بر ساعت است. اگر باد روبه‌رو ۱۴ کیلومتر بر ساعت باشد، کافی است با سرعت ۱۰ کیلومتر بر ساعت بدوی. در هوای بدون باد، باید خودت همه ۲۴ کیلومتر را بسازی. این یعنی دویدنی خیلی سریع‌تر و طولانی‌تر.

فرود رو به باد: در فرود می‌خواهی با کمترین سرعت زمینی به زمین برسی. باد روبه‌رو سرعت زمینی را کم می‌کند.

با همان سرعت هوایی ۳۶ کیلومتر بر ساعت و باد ۱۵ کیلومتر بر ساعت:

• رو به باد: با سرعت زمینی ۲۱ کیلومتر بر ساعت به زمین می‌رسی.
• پشت به باد: با سرعت زمینی ۵۱ کیلومتر بر ساعت به زمین می‌رسی؛ یعنی بیش از دو برابر!

نکته‌های کلیدی

• چهار نیروی پرواز: وزن، تراست، درگ و لیفت.
• در تیک‌آف، به ترتیب وزن، تراست، درگ و در آخر لیفت ظاهر می‌شوند.
• بعد از جدا شدن از زمین، تراست حذف می‌شود و وزن بال را جلو می‌برد.
• وزن به W1 و W2 تقسیم می‌شود. لیفت W1 را خنثی می‌کند و درگ W2 را.
• در رنج وزنی بال، وزن بیشتر یعنی سرعت بیشتر، با همان نسبت سرش.
• سرعت زمینی = ترکیب سرعت هوایی و سرعت باد. باد روبه‌رو آن را کم می‌کند و باد پشت زیاد.
• باد نسبی همیشه خلاف مسیر پرواز است و سرعتش برابر سرعت هوایی است.
• زاویه حمله بین خط وتر و مسیر پرواز است. برک آن را زیاد می‌کند و اسپید سیستم کم.
• رو به باد بلند می‌شویم تا زودتر به حداقل سرعت هوایی برسیم. رو به باد فرود می‌آییم تا سرعت زمینی کم باشد.

خودت را بسنج

واژه‌های این درس

• آیرودینامیک (Aerodynamics): علم مطالعه حرکت اجسام در هوا.
• خط وتر (Chord line): خط مستقیم فرضی از لبه حمله تا لبه فرار.
• تراست (Thrust): نیروی پیش‌برنده؛ در تیک‌آف از دویدن خلبان.
• درگ (Drag): نیروی مقاوم هوا، خلاف جهت حرکت.
• سرعت هوایی (Airspeed): سرعت بال نسبت به هوای اطرافش.
• سرعت زمینی (Ground speed): سرعت بال نسبت به زمین.
• باد نسبی (Relative wind): بادی که حرکت خود بال می‌سازد؛ خلاف مسیر پرواز.
• گاست (Gust): تغییر ناگهانی سرعت یا جهت باد.
• زاویه حمله (Angle of attack): زاویه بین خط وتر و مسیر پرواز.
• زاویه حالت (Attitude angle): زاویه بین خط وتر و افق.
• زاویه سرش (Glide angle): زاویه بین افق و مسیر پرواز.
• دامنه پروازی (Fly domain): همه سرعت‌های هوایی بین حداقل و حداکثر سرعت.
• سرعت تریم (Trim speed): سرعت بال وقتی برک‌ها آزاد است.

این درس بر پایه کتاب «مقدمه‌ای بر تئوری پرواز با پاراگلایدر» نوشته مجید سرمستی بازنویسی و تکمیل شده است.