هنا على الأرض ، نميل إلى اعتبار مقاومة الهواء (المعروفة أيضًا باسم 'السحب') أمرًا مفروغًا منه. نحن نفترض فقط أنه عندما نرمي كرة ، أو نطلق طائرة ، أو نخرج مركبة فضائية من مدارها ، أو نطلق رصاصة من بندقية ، فإن تحركها عبر غلافنا الجوي سيبطئها بشكل طبيعي. لكن ما هو سبب ذلك؟ كيف يمكن للهواء أن يبطئ الجسم ، سواء كان في حالة سقوط حر أو أثناء الطيران؟
نظرًا لاعتمادنا على السفر الجوي ، وحماسنا لاستكشاف الفضاء ، وحبنا للرياضة وصنع الأشياء المحمولة جواً (بما في ذلك أنفسنا) ، فإن فهم مقاومة الهواء هو مفتاح الفهم الفيزياء ، وجزء لا يتجزأ من العديد من التخصصات العلمية. كجزء من الانضباط الفرعي المعروف باسم ديناميكيات السوائل ، فإنه ينطبق على مجالات الديناميكا الهوائية والديناميكا المائية والفيزياء الفلكية والفيزياء النووية (على سبيل المثال لا الحصر).
تعريف:
حسب التعريف ، تصف مقاومة الهواء القوى التي تتعارض مع الحركة النسبية لجسم ما أثناء مروره عبر الهواء. تعمل قوى السحب هذه عكس سرعة التدفق القادمة ، وبالتالي تبطئ الجسم. على عكس قوى المقاومة الأخرى ، يعتمد السحب بشكل مباشر على السرعة ، لأنه مكون من صافي القوة الديناميكية الهوائية التي تعمل عكس اتجاه الحركة.
هناك طريقة أخرى للتعبير عن ذلك وهي أن نقول إن مقاومة الهواء ناتجة عن اصطدام السطح الأمامي للجسم بجزيئات الهواء. لذلك يمكن القول أن العاملين الأكثر شيوعًا واللذين لهما تأثير مباشر على مقدار مقاومة الهواء هما سرعة الجسم ومنطقة المقطع العرضي للكائن. Ergo ، كل من السرعات المتزايدة ومناطق المقطع العرضي ستؤدي إلى زيادة مقاومة الهواء.
صورة تظهر رصاصة والهواء يتدفق حولها ، مما يعطي تمثيلاً مرئيًا لمقاومة الهواء. ائتمانات: أندرو دافيدهازي / معهد روتشستر للتكنولوجيا
من حيث الديناميكا الهوائية والرحلة ، يشير السحب إلى كل من القوى التي تعمل عكس الاتجاه ، وكذلك القوى التي تعمل بشكل عمودي عليها (أي الرفع). في الديناميكا الفلكية ، يعتبر السحب الجوي قوة موجبة وسلبية على حد سواء حسب الحالة. إنه استنزاف للوقود وكفاءة أثناء الإقلاع وموفر للوقود عندما تعود مركبة فضائية إلى الأرض من المدار.
حساب مقاومة الهواء:
تُحسب مقاومة الهواء عادةً باستخدام 'معادلة السحب' ، التي تحدد القوة التي يمر بها جسم يتحرك خلال مائع أو غاز بسرعة كبيرة نسبيًا. يمكن التعبير عن ذلك رياضيًا على النحو التالي:
في هذه المعادلة ،فديمثل قوة السحب ،صهي كثافة السائل ،الخامسهي سرعة الجسم بالنسبة للصوت ،إلىهي منطقة المقطع العرضي ، وقرص مضغوطهو معامل السحب. والنتيجة هي ما يسمى 'السحب التربيعي'. بمجرد تحديد ذلك ، فإن حساب مقدار الطاقة اللازمة للتغلب على السحب ينطوي على عملية مماثلة ، والتي يمكن التعبير عنها رياضيًا على النحو التالي:
هنا،PDهي القوة اللازمة للتغلب على قوة السحب ،فدهي قوة السحب ، v هي السرعة ،صهي كثافة السائل ،الخامسهي سرعة الجسم بالنسبة للصوت ،إلىهي منطقة المقطع العرضي ، وقرص مضغوطهو معامل السحب. كما يظهر ، فإن احتياجات الطاقة هي مكعب السرعة ، لذلك إذا تطلب الأمر 10 أحصنة لتصل إلى 80 كم / ساعة ، فسوف تحتاج إلى 80 حصانًا لتصل إلى 160 كم / ساعة. باختصار ، تتطلب مضاعفة السرعة استخدام ثمانية أضعاف مقدار الطاقة.
وصول طائرة F-22 Raptor إلى سرعة عالية بما يكفي لتحقيق طفرة صوتية. الائتمان: strangesounds.org
أنواع مقاومة الهواء:
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من السحب في الديناميكا الهوائية - المستحثة بالرفع والطفيلي والموجة. يؤثر كل منها على قدرة الأجسام على البقاء عالياً بالإضافة إلى الطاقة والوقود اللازمين لإبقائها هناك. يحدث السحب الناجم عن الرفع (أو الناجم فقط) نتيجة إنشاء الرفع على جسم الرفع ثلاثي الأبعاد (الجناح أو جسم الطائرة). يتكون من مكونين رئيسيين: السحب الدوامي والسحب اللزج الناجم عن الرفع.
تنشأ الدوامات من الخلط المضطرب للهواء بضغط متفاوت على الأسطح العلوية والسفلية من الجسم. هذه مطلوبة لإنشاء المصعد. مع زيادة الرفع ، يزداد السحب الناجم عن الرفع. بالنسبة للطائرة ، هذا يعني أنه مع زيادة زاوية الهجوم ومعامل الرفع إلى نقطة التوقف ، يزداد السحب الناجم عن الرفع.
على النقيض من ذلك ، يحدث السحب الطفيلي عن طريق تحريك جسم صلب عبر سائل. يتكون هذا النوع من السحب من عدة مكونات ، والتي تشمل 'سحب الشكل' و 'سحب احتكاك الجلد'. في الطيران ، يميل السحب المستحث إلى أن يكون أكبر عند السرعات المنخفضة لأن زاوية الهجوم العالية مطلوبة للحفاظ على الرفع ، لذلك كلما زادت السرعة ، يصبح هذا السحب أقل بكثير ، لكن السحب الطفيلي يزداد لأن السائل يتدفق بشكل أسرع حول الأجسام البارزة مما يؤدي إلى زيادة الاحتكاك. يكون منحنى السحب الإجمالي المجمع عند حده الأدنى في بعض السرعات الجوية وسيكون عند أو قريبًا من كفاءته المثلى.
إطلاق مكوك الفضاء كولومبيا في رحلته الأولى في 12 أبريل 1981. Credit: NASA
يتم إنشاء سحب الموجة (السحب الانضغاطي) عن طريق وجود جسم يتحرك بسرعة عالية عبر سائل قابل للانضغاط. في الديناميكا الهوائية ، يتكون السحب الموجي من مكونات متعددة اعتمادًا على نظام سرعة الرحلة. في الطيران العابر للأصوات - بسرعات تبلغ 0.5 ماخ أو أكبر ، ولكن لا يزال أقل من 1.0 ماك (المعروف أيضًا باسم سرعة الصوت) - يكون سحب الموجة نتيجة التدفق الأسرع من الصوت المحلي.
يحدث التدفق الأسرع من الصوت في الأجسام التي تتحرك بسرعة أقل بكثير من سرعة الصوت ، حيث تزداد السرعة المحلية للهواء على الجسم عندما تتسارع فوق الجسم. باختصار ، غالبًا ما تتعرض الطائرات التي تطير بسرعات ترانزيت لسحب موجي نتيجة لذلك. يزداد هذا مع اقتراب سرعة الطائرة من حاجز الصوت البالغ Mach 1.0 ، قبل أن تصبح جسماً أسرع من الصوت.
في الطيران الأسرع من الصوت ، يكون السحب الموجي نتيجة لموجات الصدمة المائلة التي تشكلت عند الحواف الأمامية والخلفية للجسم. في التدفقات الأسرع من الصوت ستتشكل موجات القوس بدلاً من ذلك. عند السرعات فوق الصوتية ، يتم فصل السحب الموجي عادة إلى مكونين ، سحب الموجة فوق الصوتية المعتمدة على الرفع والسحب الموجي فوق الصوتي المعتمد على الحجم.
إن فهم الدور الذي تلعبه الاحتكاكات الجوية مع الطيران ، ومعرفة ميكانيكاها ، ومعرفة أنواع القوة اللازمة للتغلب عليها ، كلها أمور حاسمة عندما يتعلق الأمر بالفضاء واستكشاف الفضاء. ستكون معرفة كل هذا أمرًا مهمًا أيضًا عندما يحين الوقت لاستكشاف كواكب أخرى في نظامنا الشمسي ، وفي أنظمة النجوم الأخرى تمامًا!
لقد كتبنا العديد من المقالات حول مقاومة الهواء والطيران هنا في Universe Today. هَذَا مُقَالُ عَلَى ما هي السرعة النهائية؟ و كيف تطير الطائرات؟ و ما هو معامل الاحتكاك؟ ، و ما هي قوة الجاذبية؟
إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول برامج الطائرات التابعة لوكالة ناسا ، فاطلع على دليل المبتدئين في الديناميكا الهوائية ، وهنا رابط إلى معادلة السحب .
لقد سجلنا أيضًا العديد من الحلقات ذات الصلة بـ Astronomy Cast. استمع هنا، الحلقة 102 .