قبل از آن درباره نیروی آیرودینامیکی صحبت کنیم باید ببنیم سیال چیست ؟ تفاوت بین جامدات ،مایعات و گازها را به صورت ساده می توان چنین بیان کرد.یک شئ جامد را داخل یک ظرف بزرگ تر بسته قرار دهید. شئ جامد تغییر نخواهد کرد، شکل و مرزهای آن به حالت قبلی خواهند ماند. اکنون مایع را داخل این ظرف بریزید. مایع شکل خود را تغییر داده و به شکل ظرف در می آید و همان مرزهای ظرف را تا حداکثر عمق مایع به خود می گیرد .
اکنون گاز را داخل این ظرف بریزید.گاز به طور کامل این ظرف را پر میکند و همان مرزهای ظرف را به خود اختصاص می دهد. واژه سیال هم برای مایع و هم برای گاز به کاربرده می شود. بنیادی ترین تفاوت بین جامدات، مایعات و گازها در سطح اتمی مولکولی آنهاست. در جامدات، مولکول ها به قدری به هم نزدیک هستند که هسته و الکترون های آنها سازه هندسی صلبی را تشکیل می دهند، الکترون ها به وسیله نیروهای قوی بین مولکولی به هم وصل شده اند.
در مایعات، فاصله بین مولکول ها بزرگ تر است و گرچه نیروی بین مولکولی هنوز قوی است اما آنها بین مولکول ها خیلی بزرگ تر است (برای هوا در شرایط استاندارد، فاصله بین مولکول ها حدود 10 برابر قطر مولکولی است.) از این رو تاثیر نیروهای بین مولکولی بسیار ضعیف تر است و حرکت مولکول ها تا اندازه ای آزادانه در سراسر گاز رخ می دهد. مولکول ها هم در گازها وهم در مایعات منجر به مشخصه فیزیکی مشابهی می شود. مشخصه سیالات،کاملا متفاوت از مشخصه جامدات است.
آیرودینامیک یعنی چه؟
گاهی در تعاریف، واژه آیرودینامیک معمولابرای مسائل مربوط به پرواز و موضوعات دیگر در رابطه با جریان هوا مورد استفاده قرار می گیرد. اما در تعریفی دیگر از آیرودینامیک به عنوان دینامیک گازها، به ویژه تداخل اتمسفر با اشیای در حال حرکت یاد شده است. با این حال واژه آیرودینامیک استفاده عمومی داردکه برخی اوقات دو مجموعه دیگر دینامیک سیالات را هم پوشش می دهد.
کارشناسان واژه آیرودینامیک را خیلی کلی تفسیر می کنند و استفاده از آن همیشه به بحث هوا محدود نمی شود منظور از حل یک مساله آیرودینامیکی، محاسبه میدان سرعت، فشار و دمای هوا در اطراف یک جسم است. برای این منظور باید معادله های حاکم بر جریان سیال را حل کرد. پس به کمک حل به دست آمده می توان نیرو ها و گشتاورهای وارد بر جسم را حساب کرد.
آیرودینامیک چه می کند؟
مهندسان عمر خود را صرف تلاش برای طراحی بال و بدنه می کنند تا بتوانند به بیشترین نیروی برآ با کمترین نیروی پسادست یابند وشاید مهم ترین کار یک متخصص آیرودینامیک این است که از این نیروی عظیم برای بالا نگه داشتن هواپیما استفاده کند؛ برای مثال اگر یک هواپیما 75 تن وزن داشته باشد، بال های آن باید طوری طراحی شوند که جریان هوا بتواند در آنها فشاری معادل 75 تن ایجاد کند.
اما این تنها کاربرد آیرودینامیک نیست. اصلا مهم نیست یک نظریه آیرودینامیک چقدر ممکن است زیبا باشد یا از لحاظ ریاضی ممکن است پیچیدگی یک حل عددی داشته باشد یا یک آزمایش آیرودینامیکی چقدر ممکن است پیچیده باشد، تمامی چنین تلاش هایی معمولا برای به دست آوردن یک یا تعدادی از اهداف است. تخمین نیروها،گشتاورها و گرمای وارد به جسم در حال حرکت در یک سیال (معمولا هوا) و تعیین حرکت جریان در داخل مجراها از مهم ترین اهداف مورد نظر این دانش هستند.
برای مثال در آیرودینامیک تولید برآ،پسا وگشتاورهای اطراف بال ها، بدنه های هواپیما ها وسایر سازه ها، پوشش موتورها و مهم تر از همه پیکربندی کل هواپیما مورد بحث خواهد بود.گاهی کارشناسان می خواهند نیروی باد را روی ساختمان ها، کشتی ها و وسایل نقلیه دیگر تخمین بزنند یا نیروهای هیدرولیکی روی کشتی ها، زیر دریایی ها و اژدرها مورد نظر است.کارشناسان، طراحان و مهندسان باید قادر باشند گرمایش آیرودینامیکی وسایل پرنده از محدوده مافوق صوت تا ماورای صوت را محاسبه کنند.
گاهی خواص جریان داخل موتور موشک و موتورهای جت هوایی باید اندازه گیری شده و نیروی جلو برنده موتور محاسبه شود.یا باید شرایط جریان در اتاقک آزمایش تونل باد مشخص شود.گاهی هم باید دانست چه مقدار سیال می تواند درون لوله ها، تحت شرایط مختلف جاری شود. تمامی اینها را دانش آیرودینامیک حل کرده است.یک کاربرد خیلی جالب آیرودینامیک نیز مربوط به لیزرهای شیمیایی انرژی بالا و لیزرهای دینامیک گازی است.
به طور کلی کاربردهایی از آیرودینامیک که با جریان های خارجی حول یک جسم سرو کاردارند تحت عنوان آیرودینامیک که با جریان های خارجی حول یک یک جسم سرو کاردارند تحت عنوان آیرودینامیک بیرونی بوده و چون کاربردهایی که با جریان داخل مجراها سرو کار دارند، آیرودینامیک درونی هستند.
نیروی آیرودینامیکی:
نیروی آیرودینامیکی در اثر حرکت سیال بر یک جسم تولید می شود.این حرکت سیال می تواند همان وزش باد بوده و جسم می تواند یک تیر چراغ برق، یک آسمانخراش، پل، هواپیما، خودرو یا کابل برق فشار قوی باشد.چهار نوع نیروی آیرودینامیکی وجود دارند؛ برآ، وزن، رانش و پسا.
نیروی برآ: برآ نیروی است رو به بالا که باعث بالا رفتن اجسام در جریان سیال می شود برای اینکه این نیرو ایجاد شود باید جسم مورد نظر شکل خاصی داشته باشد، وقتی مولکول های هوا با لبه جلوی بال یک هواپیما برخورد می کنند، تعدادی به سمت بالا و تعدادی به سمت پایین بال متمایل می شوند. بر اساس قوانین فیزیکی هر دو گروه مولکول ها باید در انتهای بال همزمان به یکدیگر برسند.
چون بالای بال هواپیما انحنای بیشتری دارد و مسافت آن نسبت به زیر بال بیشتر است، در نتیجه مولکول هایی که از سطح بالایی عبور می کنند باید با سرعت بیشتری حرکت کنند تا با مولکول های سطح پایین همزمان به انتهای بال هواپیما برسند. این عمل باعث کاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پایین بال خواهد شد. حال که فشار هوا در قسمت بالای بال کاهش می یابد، یک خلأ نسبی ایجاد می شود که جسم را به طرف خود می کشد. این خلأ نسبی همان نیروی برآ است که باعث بالا رفتن هواپیما می شود.
نیروی وزن:زمانی که یک جسم روی زمین قرار می گیرد، نیروی وزن آن به صورت عمود بر مرکز زمین وارد می شود. نیروی وزن باعث قرار گرفتن روی زمین شده و مقدار جاذبه وارد شده بر جسم برابر با وزن جسم است. برای اینکه یک هواپیما در هوا پرواز کند باید بر نیروی جاذبه غلبه کند. نیروی وزن همیشه در جهت مخالف نیروی برآ است.
نیروی رانش: وقتی جسمی می خواهد روبه جلو حرکت کند باید به او نیروی رو به جلو وارد شود. این نیرو در علوم مهندسی تحت عنوان نیروی رانش یا «تراست»شناخته می شود. در یک هواپیما یا یک خودرو، نیروی رانش توسط موتور تولید شده و باعث می شود تا وسیله به طرف جلو حرکت کرده و جریان لازم را ایجاد کند.
نیروی پسا: طبق قانون نیوتن هر عملی یک عکس العمل در جهت مخالف خواهد داشت. بنابراین اصل وبه دلیل اینکه نیروی رانش باعث جلو رفتن وسیله می شود،یک نیرو از طرف سیال رو به عقب به جسم وارد شده که در علوم مهندسی از آن به عنوان نیروی پسا یاد می کنند. وجود نیروی پسا یا نیروی مقاومت سیال یک امر اجتناب ناپذیر است ولی کارشناسان، طراحان و سازندگان سعی می کنند در طراحی های خود وسیله مقدار نیروی پسای کمتری را تحمل کند.
آیرودینامیک و طراحی خودرو:
در حقیقت هوا نمی تواند چیزی را به عقب بکشد؛ چون هوا مثل آب است نه مثل طناب! حتی اگر تکه ای از هوا را به جسمی گره بزنیم و آن جسم را بکشیم،ذرات هوا از هم باز می شوند و گره نیز از بین می رود.به عبارت ساده نیروی ساده نیروی پسایی که هوا در هواپیما یا وسایل(حتی خودرو)تولید می کند از طریق فشار دادن است نه کشیدن!یعنی باید هوایی جلوی هواپیما باشد که پسا به وجود بیاید نه در عقب آن؛ ولی کل قضیه بر خلاف سادگی ظاهری مفهم عمیق تری دارد.
مثلا وقتی یک خودرو ساکن ایستاده است، فشار هوا در همه اطراف آن برابر و مقدارش نیزهمان اندازه فشار جوی متعارفی است که همواره ما را احاطه کرده است. اما به محض اینکه خودرو راه می افتد، فشار هوا در جلو آن اندکی از فشار متعرف بیشتر می شود. اکنون دیگر تعادل بین فشار هوای جلو و فشار هوای پشت خودرو از بین رفته و فشاری اضافی در جلوی خودرو پیدا شده که آن را به سمت عقب پس می زند و باعث ایجاد پسا می شود. دانش آیرودینامیک روش هایی را پیشنهاد می کند که با کمک آنها هنگام حرکت خودرو نیز تا حد امکان شرایطی نزدیک به حالت تعادل فشار عقب و جلو ایجاد می شود.
برای این کار لازم است فشار هوای عقب را تا جایی که مقدور است بالا نگه داریم تا تعادل از دست رفته را دوباره به دست آوریم. برای این منظور چاره ای نیست جز اینکه عقب خودرو را مخروطی طراحی کنیم تا جریانات تقسیم شده هوا به نرمی به هم ملحق شوند و زیاد دچار آشفتگی نشوند. این روش ها در ساختن خودرو های تند رو و هواپیماهای پر سرعت و همچنین در طراحی بدنه کشتی ها و قایق ها نیز به کار می روند. همیشه شکل خوب و مناسب برای پسای کمتر در سیال، کم و بیش باید نظیر شکل بدن ماهی باشد که در آب پسای چندانی تولید نمی کند.
مثلا دماغه هواپیما باید کاملاً گرد باشد و دم آن مخروطی و کشیده! البته ممکن است فکر کنید این نوک دماغه است که باید مخروطی و تیز باشد ولی باید بدانید که این نوع شکل بدنه برای هواپیما هایی که کندتر از سرعت صوت پرواز می کنند مناسب نیست.
