درگ و توربولانس؛ ترمزهای نامرئی هوا

هر حرکتی در هوا هزینه دارد. هوا مثل یک ترمز نامرئی، جلوی حرکت بال را می‌گیرد. خلبانی که این ترمز را بشناسد، از ارتفاعش بهتر استفاده می‌کند.

هوا همیشه هم آرام و یکنواخت نیست. گاهی پیچ‌وتاب می‌خورد و بال را تکان می‌دهد. در این درس اول با درگ آشنا می‌شوی. بعد چهار نوع توربولانس را می‌شناسی و یاد می‌گیری هرکدام کجا پیدا می‌شود.

درگ چیست؟

به نیرویی که خلاف جهت حرکت وارد می‌شود، درگ (Drag) یا پسا می‌گوییم. درگ دو نوع اصلی دارد:

1. درگ انگلی (Parasitic drag)
2. درگ القایی (Induced drag)

هرکدام دلیل متفاوتی دارد و در سرعت‌های متفاوتی مهم می‌شود.

درگ انگلی؛ هزینه جابه‌جا کردن هوا

درگ انگلی را «انگلی» می‌گویند چون هیچ کمکی به پرواز نمی‌کند. فقط انرژی را هدر می‌دهد. این درگ خودش دو نوع دارد:

• درگ شکلی (Form drag): به شکل جسم مربوط است. هرچه جسم پهن‌تر و بدقواره‌تر باشد، هوا را بیشتر کنار می‌زند و درگ بیشتری دارد.
• درگ پوسته‌ای (Skin drag): به جنس و سطح جسم بستگی دارد. سطح زبر، هوا را بیشتر از سطح صاف می‌کشد.

مهم‌ترین قاعده: هرچه سرعت را زیاد کنی، درگ انگلی هم زیاد می‌شود. این افزایش هم تند است؛ با دو برابر شدن سرعت، تقریباً چهار برابر می‌شود.

درگ القایی؛ هزینه ساختن لیفت

درگ القایی را بخش‌هایی از بال می‌سازند که لیفت تولید می‌کنند (Lift makers). یعنی این درگ، بهای ساختن لیفت است. روندش این‌طور است:

1. در پرواز، فشار هوا زیر بال بیشتر از روی بال است.
2. هوا همیشه از جای پرفشار به سمت جای کم‌فشار می‌رود.
3. پس هوای زیر بال سعی می‌کند از لبه‌ها به روی بال برود.
4. این هوا در گوشه‌های بال و در امتداد لبه فرار، به شکل دایره‌وار می‌چرخد.
5. این چرخش‌ها را گردابه یا ورتکس (Vortex) می‌گویند. گردابه، آشفتگی و درگ می‌سازد.

گردابه‌ها دو دسته‌اند:

• گردابه‌ای که در امتداد لبه فرار ساخته می‌شود.
• گردابه نوک بال (Tip vortex) که در گوشه‌های بال ساخته می‌شود.

گردابه نوک بال می‌تواند خیلی بزرگ شود. بیشترین اندازه آن ممکن است به نصف طول بال برسد.

مهم‌ترین قاعده: هرچه با برک سرعت را بیشتر کم کنی، درگ القایی بیشتر می‌شود و گردابه بزرگ‌تری ساخته می‌شود. یعنی درگ القایی برعکس درگ انگلی رفتار می‌کند.

دلیلش ساده است. در سرعت کم، بال برای نگه داشتن همان وزن، باید با زاویه حمله بیشتری کار کند. اختلاف فشار زیر و روی بال بیشتر می‌شود و گردابه‌ها قوی‌تر می‌شوند.

منحنی درگ کل

حالا این دو را کنار هم بگذار:

جمع درگ انگلی و درگ القایی را درگ کل (Total drag) می‌گویند. چون یکی با سرعت بالا می‌رود و دیگری پایین می‌آید، درگ کل شکل یک کاسه یا حرف U را دارد.

در این نمودار، کمترین نقطه منحنی درگ کل را پیدا کن. درست در همین سرعت، بال بهترین نسبت سرش (Best glide ratio) را دارد.

پس بهترین سرش، نه در کمترین سرعت است و نه در بیشترین سرعت. جایی در میانه است که مجموع دو درگ کمترین مقدار را دارد. در بسیاری از بال‌ها، این سرعت نزدیک سرعت تریم است. عدد دقیق را دفترچه سازنده بال نشان می‌دهد.

توربولانس چیست؟

وقتی جریان هوا از حالت یکنواخت خارج شود، جریان خطی و منظم، به جریانی غیرخطی و آشفته تبدیل می‌شود. به این حالت توربولانس (Turbulence) یا آشفتگی می‌گوییم.

یک رودخانه را تصور کن. جایی که کف رود صاف است، آب آرام و یکدست جریان دارد. جایی که سنگ و پیچ هست، آب پیچ‌وتاب می‌خورد و کف می‌کند. هوا هم همین‌طور است؛ فقط آن را نمی‌بینیم.

توربولانس چهار نوع اصلی دارد.

در این شکل، چهار نوع آشفتگی را کنار هم ببین. به جای هرکدام دقت کن: پشت مانع، مرز هوای گرم و سرد، مرز دو لایه هوا، و پشت یک وسیله در حال حرکت.

۱. آشفتگی مکانیکی (روتور)

وقتی جریان هوا از روی یک جسم جامد و ثابت عبور می‌کند، پشت آن جسم آشفتگی ساخته می‌شود. به این آشفتگی آشفتگی مکانیکی (Mechanical turbulence) یا روتور (Rotor) می‌گویند.

• وسعت روتور به ابعاد جسم بستگی دارد. کوه بزرگ، روتور بزرگ می‌سازد.
• شدت روتور به سرعت باد بستگی دارد. باد تندتر، روتور شدیدتر.

این جسم می‌تواند یک کوه، تپه، ردیف درخت یا ساختمان باشد.

۲. آشفتگی حرارتی

هوا در تماس با جسم گرم، گرم می‌شود. وقتی آفتاب به زمین می‌تابد، بعضی قسمت‌ها بیشتر گرم می‌شوند. مثلاً سنگ و خاک خشک، بیشتر از چمن سبز گرم می‌شوند.

این قسمت‌ها هوای اطرافشان را گرم می‌کنند و آن هوا کم‌فشار می‌شود. هوای سرد و پرفشار اطراف حرکت می‌کند و جای هوای گرم را می‌گیرد. هوای گرم به سمت بالا رانده می‌شود.

در مرز بین هوای گرم و سرد، به خاطر اصطکاک، آشفتگی ساخته می‌شود. به آن آشفتگی حرارتی (Thermal turbulence) می‌گویند.

این همان هوای بالارونده‌ای است که خلبان‌ها با آن ارتفاع می‌گیرند. پس آشفتگی حرارتی، روی دیگر سکه ترمال است. برای همین هوای ظهرهای تابستان معمولاً پرتکان‌تر است. درباره گرم شدن زمین در درس ۷ بیشتر می‌خوانی.

۳. آشفتگی برشی

وقتی دو سیال با سرعت یا جهت متفاوت از کنار هم عبور کنند، در مرز بینشان آشفتگی ساخته می‌شود. به آن آشفتگی برشی (Shear turbulence) می‌گویند.

گستردگی آشفتگی برشی تقریباً افقی است. یعنی بیشتر شبیه یک لایه آشفته است که بین دو لایه هوا قرار دارد.

مثال: فرض کن نزدیک زمین نسیم ملایمی از یک سمت می‌آید. چند صد متر بالاتر، باد تندتری از سمت دیگر می‌وزد. وقتی از مرز این دو لایه عبور می‌کنی، بال تکان می‌خورد.

۴. آشفتگی دنباله‌ای

وقتی یک جسم جامد از میان سیال عبور می‌کند، به قول معروف، از خودش ردپا به جا می‌گذارد. به آشفتگی ناشی از این ردپا، آشفتگی دنباله‌ای (Wake turbulence) می‌گویند.

مثل موج‌هایی که پشت یک قایق در حال حرکت روی آب می‌ماند.

دو قاعده درباره آن هست:

• هرچه وسیله پروازی کندتر باشد، گردابه بیشتری می‌سازد.
• هرچه وسیله پروازی بزرگ‌تر باشد، گردابه بیشتری دارد.

پس وسیله بزرگ و کند، آشفتگی دنباله‌ای وسیع‌تری به جا می‌گذارد.

همه این‌ها گاست می‌سازند

هر کدام از این چهار نوع توربولانس می‌تواند عامل گاست (Gust) باشد. چون همه آن‌ها جریان خطی هوا را به جریان غیرخطی تبدیل می‌کنند. یعنی سرعت یا جهت باد را ناگهان تغییر می‌دهند.

در هوای آشفته چه کنیم؟

شناختن توربولانس، نیمی از کار است. نیم دیگر، واکنش درست است. چند اصل ساده:

• واکنش اضافه نشان نده. تا وقتی جهت بال حفظ می‌شود، برک زیادی نکش. برک اضافه، اثر آشفتگی را بیشتر می‌کند.
• فشار بال را حس کن. برک‌ها را فقط تا جایی بگیر که خلاصی‌شان گرفته شود و فشار بال را در دستت حس کنی.
• سرعت کافی داشته باش. طبق کتاب، هرچه سرعت بیشتر باشد، امنیت بیشتر است. سرعت کم یعنی گردابه بزرگ‌تر و حاشیه کمتر تا واماندگی. اما یادت باشد اسپید سیستم زاویه حمله را کم می‌کند و در آشفتگی شدید، خطر تاک را بالا می‌برد. پس از سرعت‌های خیلی کم دوری کن و برای استفاده از اسپید سیستم در هوای آشفته، از مربی‌ات بپرس.

جزئیات این مهارت را در درس ۶ و درس ۱۲ می‌بینی. پرواز در هوای آشفته را فقط به‌تدریج و زیر نظر مربی تجربه کن.

نکته‌های کلیدی

• درگ نیرویی است که خلاف جهت حرکت وارد می‌شود. دو نوع دارد: انگلی و القایی.
• درگ انگلی شامل درگ شکلی و پوسته‌ای است و با افزایش سرعت زیاد می‌شود.
• درگ القایی را بخش‌های سازنده لیفت می‌سازند. با کاهش سرعت و کشیدن برک زیاد می‌شود.
• هوا از زیر پرفشار بال به روی کم‌فشار آن می‌چرخد و گردابه می‌سازد. گردابه نوک بال تا نصف طول بال بزرگ می‌شود.
• در کمترین نقطه منحنی درگ کل، بال بهترین نسبت سرش را دارد.
• توربولانس یعنی تبدیل جریان منظم هوا به جریان آشفته. چهار نوع دارد: مکانیکی، حرارتی، برشی و دنباله‌ای.
• وسعت روتور به ابعاد مانع و شدتش به سرعت باد بستگی دارد. از سمت پشت به باد موانع دوری کن.
• هر نوع توربولانس می‌تواند گاست بسازد.

خودت را بسنج

واژه‌های این درس

• درگ (Drag): نیروی مقاوم هوا، خلاف جهت حرکت؛ به فارسی «پسا».
• درگ انگلی (Parasitic drag): درگی که هیچ کمکی به پرواز نمی‌کند و با سرعت زیاد می‌شود.
• درگ شکلی (Form drag): بخشی از درگ انگلی که به شکل جسم مربوط است.
• درگ پوسته‌ای (Skin drag): بخشی از درگ انگلی که به جنس و سطح جسم مربوط است.
• درگ القایی (Induced drag): درگی که هنگام ساختن لیفت ایجاد می‌شود و در سرعت کم بیشتر است.
• گردابه (Vortex): چرخش هوا از زیر بال به روی آن، در لبه فرار و گوشه‌ها.
• گردابه نوک بال (Tip vortex): گردابه‌ای که در گوشه‌های بال ساخته می‌شود.
• درگ کل (Total drag): جمع درگ انگلی و درگ القایی.
• توربولانس (Turbulence): آشفته شدن جریان منظم هوا.
• روتور (Rotor): آشفتگی مکانیکی پشت یک مانع ثابت.
• آشفتگی حرارتی (Thermal turbulence): آشفتگی مرز هوای گرم و سرد.
• آشفتگی برشی (Shear turbulence): آشفتگی مرز دو جریان با سرعت یا جهت متفاوت.
• آشفتگی دنباله‌ای (Wake turbulence): ردپای آشفته پشت یک وسیله در حال حرکت.

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