١٠ حقائق فيزيائية تفسر قوة الرفع وكثافة الهواء وطول المدرج في الطقس الحار
الطائرة الورقية خدمت رواد الطيران كنموذج اختبار
استخدم رواد مثل ليوناردو دافنشي وجورج كايلي وكليمان آدر نماذج ورقية لاختبار أفكارهم قبل بناء طائرات أكبر. الورقة المطوية تتصرف مثل جناح مصغر، وتُظهر كيف يؤثر شكل السطح على الانزلاق والسحب.
- أول نموذج:
- ورق مطوي
- أمثلة:
- دافنشي وكايلي
المصدر: طائرة ورقية
نيوتن لاحظ أن حركة الجسم في الهواء تعادل حركة الهواء حوله
في أواخر القرن السابع عشر، شرح نيوتن أن القوى المؤثرة بين الجسم والوسط المائع لا تختلف سواء تحرك الجسم داخل الهواء أو تحرك الهواء حول الجسم. هذه الفكرة نفسها تسمح باختبار الأجنحة في نفق هوائي بدلًا من تحريك الطائرة.
- العالم:
- إسحق نيوتن
- القرن:
- السابع عشر
المصدر: ديناميكا هوائية
الضغط الجوي يتناقص مع الارتفاع
كلما صعدت نحو الأعلى قل الضغط الجوي، لأن وزن عمود الهواء فوقك يقل. وبما أن الكثافة مرتبطة بالضغط، يصبح الهواء أرق على الارتفاعات العالية، فيحتاج الجناح إلى سرعة أو زاوية أكبر لتوليد الرفع نفسه.
- العلاقة:
- ينخفض الضغط مع الارتفاع
المصدر: ضغط جوي
الأخوان رايت قاسا الرفع والسحب قبل أول رحلة
عندما قرر الأخوان رايت صناعة أول طائرة أثقل من الهواء، استخدما معدات مثل الأنفاق الهوائية وموازين مختلفة لتقدير قوتي الرفع والسحب. هذا العمل الهندسي قادهما إلى أول رحلة آلية مستدامة ومسيطر عليها عام ١٩٠٣.
- السنة:
- ١٩٠٣
- الأداة:
- نفق هوائي
المصدر: ديناميكا هوائية
قوة الرفع وقوة السحب هما جوهر الطيران
معظم قواعد الديناميكا الهوائية تدور حول قوتين أساسيتين: الرفع الذي يقاوم الوزن ويحمل الطائرة، والسحب الذي يقاوم الحركة الأمامية. شكل الجسم يؤثر بقدر كبير على مقدار السحب، لذلك تُصمم الأجنحة والأجسام انسيابية.
- القوتان:
- الرفع والسحب
المصدر: ديناميكا هوائية
كثافة الهواء عند سطح البحر ١٫٢ كجم/م³ تقريبًا
عند درجة حرارة ٢٠ مئوية وضغط ١٠١٫٣٢٥ كيلوباسكال، تبلغ كثافة الهواء الجاف ١٫٢٠٤١ كجم/م³. كلما صعدت أو ارتفعت الحرارة قلت هذه الكثافة، فيقل عدد جزيئات الهواء التي يمكن أن تدفع الجناح إلى الأعلى.
- القيمة:
- ١٫٢٠٤١ كجم/م³
- الظروف:
- ٢٠ مئوية و١٠١٫٣٢٥ كيلوباسكال
المصدر: كثافة الهواء
كونكورد: جناح قصير يرفع قليلًا ببطء فاحتاجت سرعات إقلاع مرتفعة
الجناح الدلتا القصير في كونكورد كان يولّد قوة رفع قليلة عند السرعات المنخفضة، لذلك تطلبت فترات إقلاع طويلة وسرعات هبوط عالية. في المقابل كانت تحلّق على ارتفاع ٦٠٬٠٠٠ قدم بسرعة ٢٫٠٤ ماخ، حيث الهواء أقل كثافة فيقل السحب.
- السرعة:
- ٢٫٠٤ ماخ
- الارتفاع:
- ٦٠٬٠٠٠ قدم
المصدر: كونكورد
فوق كل متر مربع من جسدك عمود هواء يزن أكثر من ١٠ أطنان
الضغط الجوي عند سطح البحر يعادل وزن عمود هواء مساحة مقطعه متر مربع وارتفاعه كامل الغلاف الجوي، ويبلغ نحو ١٠٬٢٨٢ كيلوجرامًا. لا تسحقنا هذه الكتلة لأن أجسامنا تدفع من الداخل بضغط متساوٍ، لكنها كافية لجعل البارومتر يقرأ ٧٦٠ ملم زئبق.
- الوزن:
- ١٠٬٢٨٢ كجم/م²
- الضغط:
- ٧٦٠ ملم زئبق
المصدر: ضغط جوي
الهواء الرطب أخف من الهواء الجاف
عكس ما يبدو منطقيًا، إضافة بخار الماء إلى الهواء تقلل كثافته لا تزيدها. جزيء الماء كتلته الجزيئية ١٨ بينما متوسط كتلة جزيئات الهواء نحو ٢٩، فعندما يحل البخار محل جزيئات الهواء يصبح المزيج أخف. هذا يعني أن الرطوبة العالية تفاقم مشكلة الإقلاع في الأجواء الحارة.
- كتلة جزيء الماء:
- ١٨
- كتلة جزيء الهواء:
- نحو ٢٩
المصدر: كثافة الهواء
لماذا يطول المدرج في الحر؟
الهواء الساخن يتمدد فتنخفض كثافته، فيقل الأكسجين الذي يحرق الوقود وتضعف قوة الرفع على الأجنحة. في اليوم الشديد الحرارة يُسجَّل «ارتفاع كثافي» مرتفع، ما يجعل الإقلاع أصعب على المروحيات وطائرات الشحن الثقيلة، وقد يحتاج الطيار إلى سرعة أعلى ومدرج أطول للتعويض. مثلًا: كأنك تجري على أرض رطبة بدلًا من صلبة.
- السبب:
- الهواء الحار أقل كثافة
- المصطلح:
- الارتفاع الكثافي
المصدر: ارتفاع (طيران)
هل فاتنا مبدأ فيزيائي تحب أن نشرحه؟ هذه القائمة تُراجَع دوريًا، واقتراحاتكم تدخل في المراجعة القادمة.