داستان جذاب تولد دانش آیرودینامیک

آیرودینامیک دانشی است که به بررسی رفتار جریان سیال و اثر آن بر اجسام متحرک می پردازد. این دانش از بیش از 500 سال پیش کاربردهای مختلفی داشته وبسیاری از مسائل را حل کرده است.مهم ترین کاربد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا و در طراحی وساخت وسایل پرنده است.البته در مهندسی خودرو از آیرودینامیک برای طراحی بدنه خودرواستفاده می شود.

مهندسان سازه نیز از دانش آیرودینامیک برای تحلیل اثر جریان باد بر سازه های  مثل آسمانخراش ها، پل ها یا برج ها استفاده می کنند. یک سازه یا یک بدنه بر پایه اصول و قوانین آیرودینامیکی طراحی وساخته میشود تا با کمترین نیروی ممکن را از سوی هوا یا سیال اطراف خود تحمل کند. دانش آیرودینامیک همچنین کمک می کند یک وسیله پرنده نیروی بالابرنده بیشتری را درمقابل نیروی جاذبه وارده از طرف زمین داشته باشد .دستیابی به دانش آیرودینامیک داستان جذابی دارد..

برنده جنگ فیل و مورچه در دریا که بود؟

بیش از پنج قرن پیش، در هشتم آگوست سال 1588، آبهای دریای مانش از حضور صدها کشتی جنگی برآشفت. نیروی دریایی اسپانیا کبیر که برای هجوم به خاک سرزمین ملکه الیزابت آماده می شد، با ناوگان انگلستان به فرماندهی سر فرانسیس دریک روبه رو شد. کشتی های اسپانیایی، بزرگ و سنگین بودند. کشتی هایی پر از سرباز و حامل توپ های قدرتمند که هر گلوله 50پوندی آنها می توانست هر نوع وسیله دریایی آن زمان را نابود کند. در طرف مقابل کشتی های انگلیسی کوچک تر و سبک تر بودند.

سرنشینان کمتر و توپ های سبک تر و با برد کمتری داشتند. در پایان  کشتی های جنگی سنگین و کند اسپانیایی نتوانستند حریف کشتی های سبک و چابک انگلیسی شوند و تا غروب آفتاب، ناوگان اسپانیایی به هم ریخت و دیگر هیچ خطری برای انگلستان باقی نماند. این نبرد دریایی اهمیت ویژهای داشت.

چون نخست بار بود که کشتی های طرفین درگیر جنگ، برخلاف  ترکیب های پارویی- بادبانی گذشته، تماما بادبانی بودند. همه اعتراف کردند که قدرت سیاسی در آینده در گرو قدرت نیروی دریایی خواهد بود. قدرت دریای نیز به نوبه خود بستگی زیادی به سرعت عمل کشتی ها داشت. فرماندهان ارشد دریافته بودندکه برای بالا بردن سرعت یک کشتی باید مقاومتی را که زاییده جریان آب اطراف بدنه کشتی است، کاهش داد. این نیرو به عنوان نیروی «پسا» نامگذاری شد!

باز هم نیوتن؟

پس از گذشت تقریبا یک قرن در سال 1687، ایزاک نیوتن با همان مشکلی که دیگران پیش از او با آن روبه رو بودند روبه رو شد! او پی برد که تحلیل مفهومی دینامیک اجسام صلب دشوارتر است است. نیوتن جریان سیال را به صورت جریانی یکنواخت از ذرات، درست مثل ابری از ساچمه های شلیک شده از یک لوله تفنگ ساچمه ای در نظر گرفت.

نیوتن فرض کرد که در اثر برخورد با سطحی شیب دار و دارای زاویه با جریان، ذرات، نیروی حرکت عمودی (اندازه حرکت یا مومنتوم) خود را به سطح انتقال داده اما نیروی حرکت مماسی خود را حفظ خواهند کرد. از این رو بعد از برخورد با سطح، ذرات در امتداد سطح به حرکت خود ادامه خواهند داد.

دقت مدل نیوتن که به نام مدل مربع سینوسی نیز مشهور شد، جای بحث داشت اما سادگی آن به استفاده گسترده در کشتی سازی شد.

آیا سیب محکم به سر نیوتن خورده بود؟

یک قرن پس از مدل نیوتن در سال 1777، دولت فرانسه از دالمبرت برای اینکه مقاومت کشتی ها را با انجام آزمایشات در کانال اندازه گیری کند، حمایت کرد. نتایج آزمایشات در کانال اندازه گیری کند، حمایت کرد. نتایج آزمایش های این دانشمند نشان داد، مدل نیوتن فقط برای زاویه بین 50 و 90 درج صادق است و برای زوایای کوچک تر صحت ندارد.

در سال 1781، لئونارد اویلر نشان داد مدل نیوتن ناسازگاری فیزیکی دارد. برعکس این مدل، اویلر متوجه شد که سیال در حال حرکت به سمت یک جسم، قبل از رسیدن به جسم، جهت و سرعت خود را به شکلی تغییر می دهد که وقتی به جسم می رسد از روی جسم و در امتداد سطح عبور می کند و هیچ نیروی دیگری به جز فشار متناظر با نقاط در تماس را تجربه نمی کند.

اویلر به کار خود ادامه داد و فرمولی برای مقاومت ارائه کردکه توزیع فشار را به حساب می آورد. اویلر متوجه شد که چنین تغییراتی توافق خوبی با آزمایش های انجام گرفته توسط دالمبرت روی بدنه ی کشتی ها دارد.

دانشمندی برای سرعت های بالا:

خیلی ها به نیوتن خرده گرفتند که مدل مناسبی برای محاسبه مقاومت سیال ارئه نکرده است اما با پیشرفت علم و فناوری، قانون مربع سینوس نیوتنی کاربرد جدید خود را در حرکت های سرعت بالا در سیالات پیدا کرده است. در اینجا نکته اصلی این است که رشد سریع اهمیت کشتی سازی بعد از قرن 16، دینامیک سیالات را به صورت یک علم مهم در آورد وفکر بزرگانی مثل نیوتن، دالمبرت و واویلر را در میان خیلی دیگر از افراد به خود مشغول کرد. نتایج تلاش های این دانشمندان هنوز هم برای کاهش دادن مقدار پسای روی بدنه کشتی ها استفاده می شوند.

آیرو دینامیک و پرواز با دانش کشتی های جنگی

در تابستان سال1901 در تپه های کیل دویل در جهار مایلی جنوب کیتی هاوک در کارولینای شمالی برادران رایت در تلاش برای طراحی دومین هواپیمای خود بودند. طراحی بال آنها بر اساس داده های آیرودینامیکی چاپ شده در دهه 1890 توسط پیش کسوت کبیر هوانوردی اوتولیلینتال آلمانی وساموئل لانگلی پایه گذاری شده بود.

از آنجایی که نخستین هواپیمای آنها در سال1900 هیچ نیروی بالابرنده (برا) قابل توجهی را ایجاد نکرد، برادران رایت مساحت بال را از 50 به 88 متر مربع افزایش دادند.آنها انحنای  بال را هم بیشتر کردند اما هنوز یک جای کار اشکال داشت.در جمله خود برادران رایت، قدرت بالا برنده هواپیما به نظر می آید که یک سوم آنچه محاسبه شده است، بود. یـأس وناامیدی شروع شده بود. هواپیما حتی نزدیک به آنچه انتظار می رفت هم عمل نمی کرد. هواپیمای برادران رایت پشتکار آنها بود و حدود چند هفته ای از زمان برگشت به دیتون، آنها تصمیم گرفتند روش قبلی خود را تغییر دهند.

و انسان را نیروی تلاش به آسمان برد!

برادران رایت با داشتن اطمینان کامل از داده های علمی موجود، مجبور شدند به یک یک آنها شک کنند، تا بالاخره بعد از دو سال آزمایش، تصمیم گرفتند آنها را به کناری گذاشته وفقط به آنچه خود تحقیق کرده اند، اطمینان کنند. از آنجایی که هواپیمای سال 1901 آنها طراحی آیرو دینامیکی خوبی نداشت، برادران رایت شروع به تحقیق درباره بهترین طراحی آیرودینامیکی کردند.

در پاییز سال1901 آنها یک تونل باد به طول 2 متر مربع با قدرت یک پروانه دو پره که به یک موتور گازوئیلی متصل بود ساختند. در این تونل باد آنها بیش از 200 بال متفاوت و برش هایی از بال با شکل های مختلف را مورد آزمایش قرار دادند، این شکل ها شامل صفحات شامل صفحات تخت، صفحات انحنا دار، لبه های گرد شده، سطح های مستطیل شکل و انحنا دار می شد. داده های آیرودینامیکی به دقت  محاسبه شدند که تفاوت زیادی را با داده های موجود آن زمان نشان می دادند.

بعد از به دست آوردن اطلاعات جدید آیرودینامیکی، برادران رایت در بهار سال 1902 هواپیمای جدیدی را طراحی کردند. شکل بال کارایی بهتری داشت؛ انحنای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یافته و موقعیت ضخامت حداکثر به جلوی بال نزدیک تر شده بود. موفقیت این هواپیمای بدون موتور در خلال تابستان و پاییز سال 1902 متحیر کننده بود. برادران رایت بیش از هزار پرواز در خلال این دوره انجام دادند. آیرودینامیک مناسب در موفقیت نهایی برادران رایت نقش مهمی بر عهده داشت و البته برای تمامی موفقیت های طراحی هواپیما های بعدی تا به امروز!

جنگ آیرو دینامیکی بالا می گیرد

پرواز ما فوق صوت سرعت بالا یک مشخصه غالب آیرودینامیک در انتهای جنگ جهانی دوم بوده است. تا پیش از آن، متخصصان آیرودینامیک از شکل های لاغر نوک تیز برای کاهش نیروی مقاومت (سیال) در وسایل نقلیه ما فوق صوت استفاده می کردند. دانشمندان پی برده بودند هر چقدر جسم لاغر تر و نوک تیز تر باشد، مقاومت هوای موجی کوچک تری را تجربه خواهد کرد.در نتیجه، موشک وی-2 آلمانی در مراحل آخر جنگ جهانی دوم دماغه نوک تیز داشت، و تمامی موشک های برد کوتاه که در دهه بعدی به پرواز در آمدند نیز چنین بودند.

در سال 1953، نخستین بمب هیدروژنی  توسط  ایالات متحده منفجر شد، این امر موجب تولید موشک های  بالستیک قاره پیمای برد بلند شد تا بتوانند مواد منفجره را به مقصد  برسانند. این موشک ها طراحی شده بودند تا خارج از جو زمین در فاصله هایی حدود 8000 کیلومتر یا بیشتر به پرواز در آیند و در سرعت های زیر مداری حدود 6000 تا 7000 متر بر ثانیه  وارد جو زمین شوند. در چنین سرعت های زیادی، گرمایش آیرودینامیکی وارد شونده به جو زمین بسیار شدید می شد، و این مساله گرمایش، ذهن متخصصان آیرودینامیک را به خود مشغول کرده بود. فکر اولیه آنها مطابق عرف بود، ساخت یک جسم لاغر نوک تیز! اما جسم نوک تیز وارد شونده به جو زمین  محکوم به شکست بود چون در اتمسفر زمین، قبل از اینکه به سطح زمین برسد می سوخت.

دماغ های نوک پخ یا نوک تیز؟

در سال 1954،دستاورد بزرگی توسط اچ.جولیان آلن در ناکا (عنوان پیشین سازمان هوا و فضای آمریکا؛ ناسا به وجود آمد. او مفهوم جسم پخ وارد شونده به جو زمین را معرفی کرد. از نظر این دانشمند در مرحله شروع وارد شدن به جو زمین، نزدیک به لایه خارجی جو، موشک مقدار زیادی انرژی جنبشی به خاطر سرعت بالای آن مقدار زیادی انرژی پتانسیل به خاطر ارتفاع خود داشت. با این وجود، در زمانی که موشک به سطح زمین می رسد، سرعت آن نسبتا کم و ارتفاع آن برابر صفر می شود.

از این رو در سطح زمین، موشک نه انرژی جنبشی دارد و نه انرژی پتانسیل! پس تمامی  این انرژی به کجا رفته است ؟! پاسخ آلن این بود که بخشی از انرژی جسم را گرم کرده و بخشی دیگر باعث باعث گرم شدن جریان هوای پیرامون جسم شده است. موج ضربه ای در دماغه موشک باعث باعث گرم شدن جریان هوای پیرامون موشک می شود ودر همان زمان، موشک به وسیله اتلاف اصطکاکی شدید در محدوده لایه  مرزی روی  سطح، گرم می شود. آلن استدلال کرد که اگر بیشتر انرژی کل می توانست صرف گرم شدن جریان هوا شود، پس انرژی کمتری برای گرم کردن وسیله نقلیه باقی می ماند. به دنبال آن، تنها راه افزایش گرما به جریان هوا این است که موج ضربه ای قوی تر را روی دماغه به وجود آوریم؛ یعنی از جسم دماغه پخ استفاده کنیم.

نتیجه چه شد ؟

این نتیجه گیری بسیار مهم بود. دانشمندان دریافتند که برای حداقل رساندن گرمایش آیرودینامیکی بهتر است از یک جسم پخ به جای جسم لاغر نوک تیز استفاده کرد. این نتیجه گیری آن قدر مهم بود که جزء اسناد محرمانه دولت آمریکا به حساب می آمد. علاوه بر این، چون به نظر هم  دوره ای های آلن عجیب می آمد. مفهوم جسم پخ وارد شونده به جو زمین به تدریج مورد قبول انجمن فنی واقع شد.

طی چند سال بعد، آزمایش ها و تحلیل های آیرودینامیکی بیشتری اعتبار اجسام  پخ وارد شونده به جو زمین را مورد تایید قرار دادند. در سال  1955، آلن آشکارا به خاطر کارش شناخته شد و جوایز  بسیار مهمی دریافت کرد. در نهایت در سال 1958 کار او توسط گزارش ناکای 1381 تحت عنوان بررسی حرکت و گرمایش آیرودینامیکی موشک های بالستیک وارد شونده به جو زمین در سرعت های مافوق صوت بالا در اختیار عموم قرار گرفت.

از زمان کار اولیه آلن، تمامی اجسام موفق وارد شونده به جو زمین، از موشک  بالستیک قاره پیمای اطلس تا آپولوی مخصوص سفر به ماه، دماغه پخ داشته اند. اتفاقا آلن در خیلی از زمینه های دیگر شناخته شد، در سال 1965 مدیر مرکز تحقیقاتی در ناسا شد و در سال 1970 بازنشسته شد. کار او روی جسم پخ وارد شونده به جو زمین مثال بسیار خوبی از اهمیت آیرودینامیک در طراحی اجسام فضایی است.

هوش مصنوعی چیست؟