كيف تطير الطائرات في الجو؟

تعد الطائرة من أعظم الاختراعات التي عرفتها البشرية وأكثرها فائدةً للإنسان، فبعد هذا الاختراع العظيم أصبح بمقدور الإنسان التنقل والسفر إلى أماكن لا يمكن أن يحلم بها لولا هذا الاختراع، لكن السؤال الذي يدور في الأذهان: كيف تطير الطائرة؟

نبذة تاريخية

يعود اختراع الطائرة إلى الأخوين رايت وهما أورفيل، ويلبر من خلال اختراعهما لأول طائرة في العالم في السابع عشر من شهر كانون الأول عام 1903، وكانت الطائرة صغيرة ذات سطحين، وذلك لاختبار التحكم على الطائرة من خلال اعوجاج الأجنحة، وهي طريقة لجعل الأجنحة مقوسة قليلاً، بهدف السيطرة على حركة وتوازن الطائرة.

استمر المخترعون في تطوير الطائرات، مما أدى إلى اختراع المحركات النفاثة بواسطة المهندسين فرانك ويتل، وهانس فون أوهاين في أواخر عام 1930، ومنذ ذلك الوقت قامت بعض الشركات بتطوير طائرات كهربائية تعمل بمحركات كهربائية بدلاً من استخدام محركات الاحتراق الداخلي، حيث تعد الكهرباء من المصادر البديلة للوقود، مثل: خلايا الوقود، والبطاريات، والخلايا الشمسية، بالإضافة إلى ذلك يوجد طائرات تعمل بالطاقة الصاروخية التي تحلق بسرعات عالية، حيث تستعمل المحركات التي تعمل بالوقود الصاروخي للدفع.

مبدأ برنولي والطيران

تعتمد فكرة تحليق الطائرات في الجو على مبدأ برنولي والذي ينص على أن ضغط المائع يقل عندما تزيد السرعة، وبالعكس ينخفض الضغط كلما ازدادت السرعة. وقد طوّر عالم الرياضيات السويسري دانيال بيرنولي هذا القانون في القرن الثامن عشر الميلادي.

تستخدم قاعدة بيرنولي عند تصميم أجنحة الطائرات، حيث يصمم الجناح ليكون منحني عند سطحه العلوي وسطحه السفلي مستقيماً مما يجعل الهواء ينساب على السطح العلوي بسرعة أكبر من انسيابه على السطح السفلي للجناح، وبالتالي يكون ضغط الهواء أقل عند السطح العلوي بينما يزيد ضغط الهواء أسفل الجناح، ويؤدي ذلك إلى رفع الطائرة لأعلى.

تصميم جناح الطائرة مثل جناح طائر مما يجعل سرعة الهواء اعلى الجناح اكبر من اسفله ويكون ضغط الهواء اسفله اعلى من ضغط الهواء فوق الجناح فترتفع الطائرة.

لاحظ في الشكل اعلاه أن السطح الأعلى للجناح منحني مما يجعل مسافته أطول من مسافة أسفل الجناح. فبسبب المسافة الأطول، يحتاج الهواء الى سرعة أعلى فوق الجناح لكي يقطع المسافة الطول بنفس الزمن الذي يقطع فيه الهواء المسافة الأقصر تحت الجناح. فينتج عن اختلاف في السرعة تفاوت في الضغط الذي يسبب قوة الرفع.

القوى المؤثرة على الطائرة

الطائرة مركبة ميكانيكية تخضع للقوانين الميكانيكية وقوانين الديناميكا الهوائية. القدرة على الطيران، هو في حقيقته القدرة على التحكم بقوى الجاذبية والحركة. فالطائرة، كجسم معلّق في الطبقة الجوية، تتحكم فيها قوى أربعة:

القوى الاربعة المسؤولة عن تحليق الطائرة في الجو

1. قوة الدفع Thrust وهي القوة التي يولّدها المحرّك وفراشاته بدفعها للهواء الى الخلف، فهي القوة المعاكسة لدفع الهواء للخلف واتجاهها هو الى الأمام
2. قوة السجب Drag وهي القوة التي تقاوم الحركة الى الأمام واتجاهها هو نحو الخلف.
3. قوة وزن الطائرة Weight وهو قوة الجاذبية الناتجة عن كتلة الطائرة واتجاهها هو الى مركز الأرض.
4. قوة الرفع Lift وهي القوة التي يولدها جناح الطائرة و اتجاهها عامودي لسطح جناح الطائرة.

الدفع هو تحريك الجسم إلى الأمام بفعل قوة ما، وتستخدم الطائرات محركاتها النفاثة لتحقيق الدفع؛ حيث يقوم المحرك بشفط الهواء وضغطه ومزجه مع الوقود، ومن ثم إشعال المزيج للحصول على دفعة من الطاقة التي تخرج من المحرك الموجود في نهاية جسم الطائرة، مما يؤدي إلى دفعها للأمام. وتنتج المحركات النفاثة دفعاً قوياً للغاية، يسمح للطائرات بالتحليق بسرعات هائلة تصل 1000  كيلومتراً في الساعة.

أما الرفع فهو ما يوجه الطائرة نحو الأعلى ويحافظ على وجودها في الهواء. ولإنتاج الرفع فإن الطائرات تعتمد على أجنحتها التي تتمتع بشكل خاص يسمى بالمقطع الحامل، الذي يتميز بمقدمة مستديرة ملساء وقسم خلفي مستدق. وعندما يقوم الجناح باختراق الهواء، تندفع جزيئات الهواء فوقه أو تحته، وبفضل الانتفاخ الأمامي فإن الهواء فوق الجناح يتحرك بشكل أسرع من الهواء تحته.

وتؤدي هذه السرعات لجزيئات الهواء إلى تخفيض الضغط الجوي فوق الجناح وزيادته تحته، وذلك وفق ما يسمى بمبدأ بيرنولي “Bernoulli’s principle”. وهذا الفرق في الضغوط هو الذي يؤدي إلى دفع الجناح نحو الأعلى، أي الرفع.

وهناك مبدآن آخران في ديناميكا الهواء في مواجهة دائمة مع الدفع والرفع، وهما: مقاومة الهواء والجاذبية.

تحدث مقاومة الهواء نتيجة إعاقة تدفقه من قِبل الأجسام المتحركة، مما يبطئ من حركتها. ويمكنك أن تشعر بمقاومة الهواء بمجرد مد يدك خارج نافذة سيارة متحركة، حيث تشعر بقوة تدفعها إلى الخلف مع مرور الهواء. وتحتاج الطائرات إلى ما يكفي من الدفع للتغلب على مقاومة الهواء التي تنتجها، ولهذا فهي مصممة للسماح بتدفق الهواء حول الجسم بأقصى انسيابية ممكنة، ومن هنا أتت تسمية ديناميكا الهواء.

أما الجاذبية فهي القوة التي تسحب كل الأجسام نحو الأسفل باتجاه الأرض، ويمكن للرفع أن يتغلب على الجاذبية إذا بلغ مقداراً كافياً، ويعتمد المهندسون الذين يصممون الطائرات على مجموعة من المعادلات لحساب الحجم المثالي للجناح وسرعة الطيران لتوليد المقدار المناسب من الرفع بناءً على وزن الطائرة.

الخاتمة

يعتبر اختراع الطائرة من أهم الاختراعات البشرية الضخمة، وقد أثرت على حياة البشر بطرق مختلفة، حيث استخدمت في مجال الحروب للمراقبة والقصف، كما ساهمت في الوصول إلى القمر، وأيضاً ساهمت في تحسين الاقتصاد، وجعلت العالم مكاناً أسهل للعيش، حيث يمكن للفرد السفر عبر العالم في غضون ساعات.