هواپیما چگونه پرواز می‌کند؟

به گزارش گروه وب گردی خبرگزاری صدا و سيما، اگر در حد قوانین فیزیک دوران دبیرستان و مدرسه اطلاعات داشته باشید، احتمالا در مورد پرواز هواپیما هم ایده‌هایی دارید. اما آیا به راستی در مورد پرواز هواپیما و نحوه کنترل آن اطلاعات لازم را دارید؟ بیاید ابتدا چد قانون و اصل مهم در مورد کنترل هواپیما را باهم مرور کنیم.

اصطلاحات رایج پروازی
پیش از صحبت در مورد نحوه پرواز و کنترل هواپیما، ابتدا باید اطلاعاتی در مورد اصطلاحات رایج پروازی داشته باشیم:
نیروی پسار: نیرویی است که در حین آغاز به حرکت و رانش، نیروی مقاومت هوا را خنثی می‌کند.
رانش: همان نیرویی است که هواپیما را به سمت جلو هدایت می‌کند و بر خلاف نیروی گرانش است. نیروی رانش همانطور که انتظار دارید توسط موتور‌ها تامین می‌شود.
ایرفول: ایرفول برشی برروی بال‌های هواپیماست که جریان هوا را به گونه‌ای هدایت می‌کند تا فشار هوا در قسمت‌های بالایی و پایینی بال در نسیت متناسبی تقسیم شود و فشار در سطح پایینی بال بیشتر از سطح بالایی گردد تا هواپیما به سمت بالا حرکت کند.
نیروی جاذبه: همان نیرویی است که همه چیز در این کره خاکی را برروی سطح نگهداشته است.

موتور‌های هواپیما نیروی لازم برای حرکت به سمت جلو فراهم می‌کنند، اما باعث بلند شدن هواپیما از روی زمین نمی‌شوند. این بال‌ها هستند که اختلاف فشار لازم برای بلند شدن هواپیما از روی زمین را به وجود می‌آورند. با افزایش نیروی تولید شده توسط موتورها، جریان هوا به سرعت با بال ها برخورد می‌کند و با استفاده از ویژگی‌های ایرودینامیکی، اختلاف فشار لازم توسط بال‌های برای بلند شدن هواپیما به وجود می‌آید. اما چگونه این اتفاق می‌افتد؟

بال‌ها و اختلاف فشار چگونه باعث پرواز هواپیما می‌شوند؟
بال‌ها عامل اصلی حرکت هواپیما به سمت بالا هستند. اما این اتفاق چگونه می‌افتد؟ هواپیما‌ها معمولا یک سطح منحنی فوقانی و یک سطح زیرین هموارتر دارند که وجود چنین طراحی‌هایی باعث به وجود آمدن ویژگی‌های ایرودینامیکی می‌شود تا مقطع ایرودینامیکی هواپیما به وجود بیاید.

چنین سطح مقطعی باعث می‌شود تا هواپیما به سمت بالا حرکت کند و اختلاف فشار مورد نیاز را به وجود بیاورد. برای توضیح ساده‌تر فرض کنید که دو مولکول هوا به بال هواپیما برخورد کنند، یکی به سمت بالا و دیگری به سمت پایین حرکت می‌کند و اختلاف فشار لازم به وجود می‌آید.

جریان حلقوی هوا در بال‌ها چگونه است؟
تا به حال پیش آمده است تا در یک ایستگاه راه آهن ایستاده باشید و قطار با سرعت از کنار شما رد شود؟ در این هنگام وقتی قطار از کنار شما می‌گذرد حسی همانند مکش هوا مانند جارو برقی وجود دارد که شما را به سمت خود می‌کشد. در هواپیما‌ها نیز همین اتفاق می‌افتد.
هربال هواپیما از طریق ایجاد جریان حلقوی و چرخشی هوا، جریانی شبیه به یک گردباد ایجاد می‌کند تا هوا با سمت عقب هدایت کند.

 هواپیما چگونه کنترل می‌شود؟
یک هواپیمای درحال حرکت مکانیسمی مشابه با خودرو درحال حرکت دارد، اما مسلما تفاوت‌های چشمگیری هم دارد. حرکت هواپیما حول ۳ محور مختلف است که فقط خلبان به آن‌ها دسترسی دارد و به واسطه اهرم‌ها انجام می‌شود.

حرکت‌های حول اهرم هواپیما حالتی شبیه به فرمان خودرو دارند و با استفاده از این اهرم است که هواپیما می‌تواند به سمت راست یا چپ حرکت کند. حرکت‌های حول اهرم حرکت چرخشی نام دارند که خلبان با به سمت چپ یا راست بردن این اهرم، بال‌های عقبی را تکان داده و باعث می‌شود هواپیما به راست یا چپ بگردد.

البته این حرکت چرخشی همانی نیست که برای گردش روی زمین استفاده می‌شود. اهرم هواپیما یک حرکت عمودی نیز دارد. سکان‌های هدایت هواپیما به سمت‌های راست و چپ و عقب و جلو حرکت می‌کنند. حرکت‌هایی که به سمت چپ و راست می‌روند برای حرکت به همین سمت هاست و حرکت‌هایی که توسط سکان به سمت جلو یا عقب هستند، برای پرواز و یا فرود مورد استفاده اند.

وقتی خلبان سکان هواپیما را به سمت عقب می‌کشد، هواپیما به شرط داشتن سرعت لازم، از زمین بلند می‌شود و وقتی سکان را به سمت جلو حرکت دهد هواپیما ارتفاع کم می‌کند. حرکت‌های سکان هواپیما که به سمت عقب یا جلو هستند منجر به ایجاد کنترل برروی دم عمودی عقب هواپیما می‌شود.

هواپیما چگونه در هوا معلق می‌ماند؟
هواپیما‌ها فقط تا حد مشخصی قادر به بالا رفتن و ارتفاع گرفتن هستند. در یک زاویه مشخص در هنگام اوج گرفتن، پس از رسیدن به ارتفاعی مشخص هواپیما دیگر ارتفاع نمی‌گیرد و در ارتفاعی مشخص ثابت می‌ماند. در این هنگام جریان هوا در حول بال‌ها باعث می‌شود نیروی کششی به سمت زمین کاهش پیدا کرده و هواپیما در ارتفاعی ثابت باقی بماند.

به زبان ساده‌تر باید این چنین گفت که پس از رسیدن به زاویه‌ای مشخص، مثلا ۱۵ درجه، هوا دیگر به نرمی حول بال‌های جریان ندارد و بیشتر شاهد افزایش نیروی کشش و کاهش بیشتر در بالا رفتن هستیم، تا حدی که به حالت رسیدن به ثبات شباهت دارد. برای حرکت به سمت چپ و راست هم پیش‌تر توضیح دادیم که از پره‌های عقبی و پره‌هایی که برروی بال قرار دارند استفاده می‌شود.

کابین فشار هواپیما چیست؟
با بالاتر رفتن از سطح زمین فشار هوا افت می‌کند. به همین دلیل است که کوهنوردان در ارتفاعات بسیار زیاد نیاز به استفاده از کپسول‌های اکسیژن دارند. برای نمونه قله کوه اورست ۹ کیلومتر بالاتر از سطح دریا قرار دارد. هواپیما‌های جت به طور معمول در ارتفاعات بیشتری از قله کوه قرار داشته و حتی هواپیما‌های نظامی در ارتفاعات سه برابر نیز پرواز کرده اند.
به همین دلیل است که هواپیما‌های مسافری کابین‌های فشار دارند. کابین‌هایی که در آن‌ها هوای گرم با قدرت زیاد وارد می‌شود. از همین رو افراد می‌توانند به راحتی نفس بکشند. اگرچه خلبانان هواپیما‌های نظامی از طریق پوشیدن ماسک‌های اکسیژن و لباس‌های مخصوص فشار این مشکل را حل می‌کنند.

هواپیما برای بلند شدن از زمین و پرواز چه سرعتی نیاز دارد؟
موتور‌های هواپیما انواع مختلفی دارند که خود بحث جداگانه‌ای است، اما وقتی موتور‌های روشن می‌شوند و هواپیما آماده حرکت می‌شود، خلبان با افزایش میزان سوخت ورودی به محفظه احتراق سرعت هواپیما را بالا می‌برد تا در نهایت به سرعت ۲۵۰ کیلومتر بر ساعت برسد.
در این هنگام با استفاده از اهرم‌ها فرایند هدایت هواپیما و پرواز انجام می‌شود. البته نکته مهمی که وجود دارد این است که زاویه اوج گیری نباید بیشتر از ۳۰ درجه باشد وگرنه هواپیما قادر به پرواز نخواهد بود. حرکت زاویه دار تا زمانی ادامه می‌یابد که هواپیما به ارتفاع مورد نظر برسد و به اصطلاح علمی به حالت کروز یا پرواز افقی برسد.