המטוס עשוי או לא יכול להיות ההמצאה המשתנה ביותר במאה ה -20; ניתן לטעון בבירור טיעונים לכל מיני חידושים אחרים, כולל תרופות אנטיביוטיות, מעבד המחשבים והופעתה של טכנולוגיית תקשורת אלחוטית אלחוטית. אולם מעט מההמצאות הללו, אם בכלל, נושאות הן את הפאר החזותי והן את רוח האדם המולדת של תעוזה וחקירה כמו גם המטוס.
בחלקו הגדול של מטוס טיפוסי לא ניתן להבחין בין כלי רכב נוסעים גדולים אחרים; הוא מורכב מתא דמוי צינורות בו יושבים נוסעים, האחראים ופריטים מועברים אחרים. כמו כן, ברוב המטוסים גלגלים; רוב המשקיפים לא ימצאו אותם כמאפיין עיקרי, אך מרבית המטוסים לא יכלו להמריא או לנחות בלעדיהם.
אולם ברור שהמאפיין הפיזי העיקרי שגורם למטוס לזהות באופן מיידי את כנפיו. במידה מסוימת, המבנים התומכים עליהם תקראו גם מוסיפים למראה האופייני של מטוס, אך הכנף היא איכשהו הכי משכנעת; למרות מראהו הבסיסי המטעה, כנף המטוס היא פלא הנדסי אמיתי, כמו גם חיוני לחיים בתרבות המודרנית.
חלקים מטוסים פעילים אווירודינמית
שליטה במטוס דורשת לא רקמעלית(הרבה יותר על כך בהמשך) אבל גם ציוד היגוי וייצוב אנכי וגם אופקי. הדברים הבאים חלים על מטוס סטנדרטי בנוסח נוסעים; ברור שאין תכנון של מטוס, או לצורך העניין מטוס סילון נוסעים. חשוב על הפיזיקה, ולא על המרכיבים הספציפיים.
הצינור או הגוף של מטוס נקראגוּף הַמָטוֹס. הכנפיים מחוברות לגוף המטוס בנקודה בערך באמצע אורכו. בכנפיים עצמן יש שתי קבוצות של רכיבים ניתנים לגב; הסט החיצוני נקראאיילוניםואילו הפנימיים הארוכים יותר נקראים בפשטותדשים. אלה משנים את הגלגול ואת גרירת המטוס בהתאמה, ומסייעים בהיגוי ובהאטת המטוס. בקצות הכנפיים לרוב יש מטלטלין קטניםכנפיים, שמקטינים את הגרר.
חלקי הזנב של המטוס כולליםאופקיומייצבים אנכיים,לשעבר מחקה כנפיים זעירות בכיוון והתפארותדשי מעליתוהאחרון כולל אהֶגֶה,האמצעי העיקרי של המטוס לשינוי המסלול האופקי. מטוס שהיה לו רק מנוע וכנפיים אך ללא הגה יהיה כמו מכונית חזקה ללא הגה, ולא נדרש לפיזיקאי או נהג מכונית מירוץ מקצועית לאתר את הבעיות פה.
ההיסטוריה של אגף המטוס
אורוויל ווילבור רייטהם זכו לטיסה המוצלחת הראשונה, בשנת 1903 בצפון קרוליינה, ארה"ב. כפי ששיערתם, הם לא היו נועזים בלבד שזרקו יחד מתקן סטירה ממנוע וכמה קרשים קלים ועשו ממנו את זה, אחד שבמקרה עבד אצלם טוֹבָה. נהפוך הוא, הם היו חוקרים מדוקדקים, והם הבינו שהכנף תשמש ההיבט הקריטי של כל מנגנון מטוס מטוסים מוצלח. ("מטוס" הוא מונח מוזר אך חביב בעולם התעופה).
לרייטס הייתה גישה לנתוני מנהרות הרוח מגרמניה, והם השתמשו בכך בניסוח כנפיים לרחפנים שקדמו לגרסתם הממונעת המפורסמת מייד ב -1903. הם התנסו בצורות כנף שונות וגילו שאלה עם יחס מוטת כנפיים עד רוחב כנף בטווח קרוב, וקרוב ל 6.4 עד 1, נראים אידיאליים; שזה כמעט מושלםיחס גובה-רוחבהוכח על ידי שיטות הנדסה מודרניות.
כנף היא סוג של רפידת אוויר, המהווה חתך רוחב של כל מה שמעניין מהנדסים בתחום דינמיקת הנוזלים, כגון מפרשים, מדחפים וטורבינות. ייצוג זה מועיל בפתרון בעיות מכיוון שהוא מציע את הייצוג החזותי הטוב ביותר לאופן בו מטוס עולה וכיצד ניתן לווסת זאת באמצעות צורות כנף שונות ותכונות אחרות.
עובדות אווירודינמיות בסיסיות
אולי בבית הספר, או רק על ידי צפייה בחדשות, ראית או שמעת את המונח "להרים" בהתייחס לטיסה. מה זה להרים בפיזיקה? האם הרמה היא אפילו כמות מדידה, או שהיא ממפה על אחת?
מעלית היא, למעשה, כוח, אשר מעצם הגדרתו מתנגד לזה של אובייקטמִשׁקָל. משקל בתורו הוא הכוח המיוצר כתוצאה מהשפעות הכבידה על עצמים עםמסה. כדי להשיג הרמה זה בעצם לנטרל את כוח הכבידה - וכוח הכבידה "בוגד" במשיכת מלחמה אנכית זו, מכיוון שהוא לעולם אינו נח!
מעלית היא אכמות וקטורית, כמו כל הכוחות, וכך יש גם מרכיב סקלרי (מספרו, או גודלו) וגם כיוון מוגדר (לרוב כולל שני ממדים, שכותרתואיקסוy, בבעיות פיסיקה ברמת ההיכרות). הווקטור נמשך פועל דרך מרכז הלחץ של האובייקט, והוא מכוון בניצב לכיוון זרימת הנוזל.
הרמה דורשתנוֹזֵל(גז או תערובת של גזים, כגון אוויר, או נוזל, כגון נפט) כמדיום. לפיכך לא חפץ מוצק ואקום אינו משמש סביבה מעופפת מסבירת פנים; הראשון מובן מאליו באופן אינטואיטיבי, אך אם תהיתם פעם האם תוכלו לנווט מטוס בחלל החיצון על ידי מניפולציה בכנפיו או בזנבו, התשובה היא לא; אין "דברים" פיזיים שאליהם דוחפים חלקי המטוס.
משוואת ברנולי
כולם צפו במערבולות וזרמים של נהר או נחל, והרהרו באופי זרימת הנוזלים. מה קורה כשנהר או נחל הופכים לפתע לצרים הרבה יותר, ללא שינוי בעומק? מי הנהר זורמים במהירות רבה יותר כתוצאה מכך. מהירויות גבוהות יותר אומרות יותר אנרגיה קינטית, ועליות באנרגיה קינטית מסתמכות על קלט כלשהו של אנרגיה למערכת בצורה של עבודה.
לגבי דינמיקת נוזלים, נקודת המפתח היא שהלחץ P יירד בנוזלי צפיפות הנעים במהירותρ, כולל אוויר. (הצפיפות היא המסה מחולקת בנפח, או m / V.) היחסים השונים בין האנרגיה הקינטית של נוזל (1/2) ρv2, האנרגיה הפוטנציאלית שלה ρgh (איפהחהאם כל שינוי בגובה קיים הפרש לחץ נוזלים) ולחץ כוללפנלכד על ידי המשוואה שהתפרסמה על ידי המדען השוויצרי מהמאה ה -18דייוויד ברנולי. הטופס הכללי כתוב:
P + \ frac {1} {2} \ rho v ^ 2 + \ rho gh = קבוע
פהזזו תאוצה בגלל כוח המשיכה על פני כדור הארץ, שערכו 9.8 מ / ש2. משוואה זו חלה על אינספור מצבים הכרוכים בזרימת מים וגזים ותנועת חפצים בנוזלים, כגון מטוסים שרוכזים באוויר השמים.
הפיזיקה של טיסת המטוס
בהתחשב בכנף המטוס, ניתן להוריד את המונח האחרון במשוואה של ברנולי מכיוון שמתייחסים לכנף בגובה אחיד:
P + \ frac {1} {2} \ rho v ^ 2 = קבוע
אתה צריך להיות מודע גם למשוואת המשכיות, המתייחסת ללחץ לאזור הכנף רוחב:
\ rho Av = קבוע
שילוב משוואות אלה מראה כיצד מיוצר כוח הרמה. באופן קריטי, הפרש הלחץ בין החלק העליון של הכנף לחלק התחתון הוא תוצאה של הצורות השונות של צלעות הנייר המתאימות. האוויר מעל הכנף מאפשר לנוע מהר יותר מהאוויר שמתחתיו, מה שמביא למעין "לחץ יניקה" מלמעלה המתנגד למשקל המטוס.
התנועה קדימה של המטוס עצמו, כמובן, היא שיוצרת את תנועת האוויר; המהירות האופקית של המטוס נוצרת על ידי דחיפת מנועי הסילון שלו לאוויר, והכוח הנגדי שנוצר המופעל נגד כלי השיט בכיוון זה נקראלִגרוֹר.
- כך סיכום הכוחות כלפי מעלה, מטה, קדימה ואחורה במטוס וכנפיו הנראות מצד אחד הםמעלית, מִשׁקָל, דַחַףולִגרוֹר.