ფიზიკის ძირითადი პრინციპები ავიაციის მეცნიერებაში
ავიაციის მეცნიერება მხოლოდ მძლავრ ძრავებს ან თანამედროვე თვითმფრინავების დიზაინს არ ეხება; ის ასევე ეფუძნება ფიზიკის პრინციპებს, რომლებიც განმარტავს, თუ როგორ შეუძლია თვითმფრინავს სტაბილურად, უსაფრთხოდ და ეფექტურად ფრენა. აფრენიდან დაშვებამდე, ფრენის ყველა ფაზა მოიცავს ძალებს, წნევას, ენერგიასა და სითხის დინამიკას შორის რთულ ურთიერთქმედებას. ავიაციის ფიზიკის საფუძვლების გაგება გვეხმარება გავიგოთ, თუ როგორ წარმოქმნიან თვითმფრინავები ამწევ ძალას, ამარცხებენ ჰაერის წინააღმდეგობას, ინარჩუნებენ სტაბილურობას და ზოგავენ საწვავს.
1. თვითმფრინავზე მოქმედი ოთხი ძირითადი ძალა
ფრენის დროს თვითმფრინავზე ყოველთვის მოქმედებს ოთხი ძირითადი ძალა: ამწევი ძალა, წონა, ბიძგი და წინაღობა. ეს ოთხი ურთიერთქმედება განსაზღვრავს, აიწევს თუ დაეცემა თვითმფრინავი, დააჩქარებს თუ შეანელებს.
1. ამწევი ძალა არის ფრთების მიერ წარმოქმნილი ზემოთ ასაწევი ძალა თვითმფრინავის წონის გასანეიტრალებლად. ამწევი ძალა საკმარისად დიდი უნდა იყოს იმისათვის, რომ თვითმფრინავი ასაფრენი ბილიკიდან ასწიოს და ჰაერში შეინარჩუნოს.
2. წონა არის გრავიტაციული ძალა, რომელიც თვითმფრინავს ქვევით ექაჩება. რაც უფრო დიდია თვითმფრინავის მასა (მგზავრების, ტვირთისა და საწვავის ჩათვლით), მით უფრო დიდია ეს ძალა.
3. ბიძგი არის ძრავის, იქნება ეს პროპელერი თუ რეაქტიული ძრავა, მიერ წარმოქმნილი წინ მიმართული ძალა. ბიძგი აუცილებელია სიჩქარის მისაღწევად და შესანარჩუნებლად.
4. წინაღობა არის ჰაერის წინააღმდეგობის ძალა, რომელიც ეწინააღმდეგება თვითმფრინავის წინსვლას. წინაღობა იზრდება თვითმფრინავის უფრო სწრაფად ფრენისას ან როდესაც თვითმფრინავის ფორმა ნაკლებად აეროდინამიკური ხდება.
სტაბილური ფრენა ხდება მაშინ, როდესაც ამწევი ძალა წონასთან დაბალანსებულია, ხოლო ბიძგი - წინააღმდეგობის ძალასთან. თუ ერთი ძალა დომინანტურია, თვითმფრინავი მოძრაობაში ცვლილებას განიცდის.
2. აეროდინამიკა და ამწევი ძალის ფორმირების მექანიზმი
ამწევი ძალა ხშირად აიხსნება ორი ურთიერთშემავსებელი კონცეფციით: წნევის სხვაობით და ჰაერის ნაკადის გადახრით (ქვევით მიმართული მოძრაობა). თვითმფრინავის ფრთებს აქვთ განსაკუთრებული ფორმა, რომელსაც აეროდინამიკური ფრთა ეწოდება, რომელიც, როგორც წესი, ზედა ნაწილში მოხრილია, ხოლო ქვედა ნაწილში უფრო ბრტყელია. როდესაც ჰაერი აეროდინამიკურ ფრთას გარშემო მოძრაობს, სიჩქარისა და წნევის ცვლილებები ხდება.
სითხის დინამიკის პრინციპების თანახმად, როდესაც ჰაერის ნაკადი აჩქარებულია, მისი წნევა მცირდება. ფრთაზე ჰაერის ნაკადის ზედა ნაწილს შეიძლება ჰქონდეს უფრო დაბალი წნევა, ხოლო ქვედა ნაწილს - უფრო მაღალი. წნევის ეს სხვაობა იწვევს ამწევ ძალას.
გარდა ამისა, ფრთა ჰაერს ქვევით „უბიძგებს“. ნიუტონის მესამე კანონის (მოქმედება-რეაქციის) თანახმად, თუ ფრთა ჰაერზე ქვევით მიმართულ ძალას ახდენს, ჰაერი ფრთაზე ზევით მიმართულ რეაქციის ძალას ახდენს. ეს ორი პერსპექტივა ურთიერთგამომრიცხავი კი არა, არამედ ერთი და იგივე ფენომენის ახსნის ორი პერსპექტივაა.
ამწევ ძალაზე ასევე მოქმედებს შეტევის კუთხე, ფრთის ქორდაკებას შორის კუთხე და ჰაერის ნაკადის მიმართულება. შეტევის უფრო დიდი კუთხე, როგორც წესი, გარკვეულწილად ზრდის ამწევ ძალას. თუ შეტევის კუთხე ძალიან დიდია, ჰაერის ნაკადი შეიძლება მოწყდეს ფრთის ზედაპირს და გამოიწვიოს გაჩერება (ამწევი ძალის მკვეთრი დაკარგვა).
3. წნევა, სიჩქარე და სიმაღლე: ატმოსფეროს როლი
ატმოსფერული პირობები მნიშვნელოვნად მოქმედებს ფრენის შესრულებაზე. სიმაღლის მატებასთან ერთად, ჰაერის სიმკვრივე, როგორც წესი, მცირდება. ჰაერის სიმკვრივე გავლენას ახდენს ამწევ ძალასა და ბიძგზე (მოცემული ძრავისთვის). უფრო იშვიათ ჰაერში იგივე ამწევი ძალის გენერირებისთვის, თვითმფრინავმა უნდა იფრინოს უფრო სწრაფად ან გამოიყენოს ფრთების სპეციფიკური კონფიგურაციები, როგორიცაა ფლაპები.
ტემპერატურაც მნიშვნელოვან როლს ასრულებს. ცხელი ჰაერი, როგორც წესი, ნაკლებად მკვრივია, ვიდრე ცივი. სწორედ ამიტომ, ცხელ აეროპორტებში ან მაღალ სიმაღლეზე თვითმფრინავებს ხშირად უფრო გრძელი ასაფრენი ბილიკები სჭირდებათ აფრენისთვის. პილოტები და ფრენის დამგეგმავები ამ ფაქტორს ითვალისწინებენ ისეთი კონცეფციებით, როგორიცაა სიმკვრივის სიმაღლე, „ეკვივალენტური“ სიმაღლე, რომელიც ასახავს ჰაერის რეალურ სიმკვრივეს.
4. წინააღმდეგობა და როგორ ამცირებს თვითმფრინავი მას
წინაღობა საწვავის ეფექტურობის განმსაზღვრელი მთავარი ფაქტორია. ზოგადად, წინაღობა ორ კატეგორიად იყოფა:
1. პარაზიტული წინააღმდეგობა, რომელიც წარმოიქმნება თვითმფრინავის ზედაპირზე ჰაერის ხახუნისა და ფიუზელაჟის ფორმის გამო, რაც „ხელს უშლის“ ნაკადს. პარაზიტული წინააღმდეგობა მკვეთრად იზრდება სიჩქარის მატებასთან ერთად.
2. ინდუცირებული წინააღმდეგობის ძალა, რომელიც წარმოიქმნება ამწევი ძალის გენერირების შედეგად. როდესაც ფრთა ამწევ ძალას წარმოქმნის, ფრთის წვერებზე წარმოიქმნება მორევები, რაც ზრდის წინააღმდეგობის ძალას. ინდუცირებული წინააღმდეგობის ძალა, როგორც წესი, უფრო გამოხატულია დაბალი სიჩქარით (მაგალითად, აფრენისა და დაშვების დროს).
წინაღობის შესამცირებლად, თვითმფრინავების დიზაინში გამოყენებულია აეროდინამიკური ფორმები, გლუვი ზედაპირები და მოწყობილობები, როგორიცაა ფრთების წვერებზე არსებული ფრთები, მორევის შესამცირებლად. საკრუიზო ფრენის დროს თვითმფრინავები მოძრაობენ სიჩქარისა და სიმაღლის კომბინაციით, რაც მინიმუმამდე ამცირებს წინაღობას და საწვავის მოხმარებას.
5. ბიძგი: მანქანები და მოქმედება-რეაქციის პრინციპები
თვითმფრინავის ძრავები ბიძგს იმპულსის შენახვისა და მოქმედება-რეაქციის პრინციპების საფუძველზე წარმოქმნიან. რეაქტიული ძრავის შემთხვევაში, ჰაერი შესასვლელიდან შედის, იკუმშება, საწვავს ურევს და იწვის, შემდეგ კი ცხელი, მაღალი სიჩქარით მოძრავი აირები უკან გამოიდევნება. წინ მიმართული ბიძგი ჰაერის მასის უკანა აჩქარებაზე რეაქციის სახით წარმოიქმნება.
პროპელერიან თვითმფრინავში პროპელერი „მბრუნავი ფრთის“ როლს ასრულებს, რომელიც ჰაერის ნაკადს უკან აჩქარებს და წინ მიმართულ ბიძგს წარმოქმნის. როგორც რეაქტიული, ასევე პროპელერიანი თვითმფრინავები იმპულსის კონცეფციას იყენებენ : რაც უფრო დიდია აჩქარებული ჰაერის მასა ან რაც უფრო დიდია სიჩქარის ცვლილება, მით უფრო დიდია წარმოქმნილი ბიძგი.
ძრავის ეფექტურობა დამოკიდებულია ექსპლუატაციის პირობებზე. რეაქტიული ძრავები, როგორც წესი, უფრო ეფექტურია მაღალი სიჩქარითა და საკრუიზო სიმაღლეზე ფრენისას, ხოლო პროპელერიანი ძრავები, როგორც წესი, უფრო შესაფერისია დაბალი სიჩქარითა და მოკლე ფრენებისთვის.
6. სტაბილურობა და კონტროლი: თვითმფრინავის მოძრაობის რეგულირება
თვითმფრინავის სტაბილურობა სამ მთავარ ღერძს მოიცავს:
1. დარტყმის სიმაღლე (ცხვირის ზევით და ქვევით აწევა), რომელიც კონტროლდება ჰორიზონტალურ კუდზე არსებული ამწევი მექანიზმებით.
2. ფრთებზე არსებული აილერონებით კონტროლირებადი გადახვევა (მარცხნივ-მარჯვნივ დახრა).
3. იავი (ცხვირის მარცხნივ-მარჯვნივ მობრუნება), რომელიც კონტროლდება ვერტიკალურ კუდზე არსებული საჭით.
ეს მართვის ზედაპირები ცვლის აეროდინამიკური ძალების განაწილებას, რათა თვითმფრინავს მანევრირების საშუალება მისცეს. მაგალითად, აილერონები იწვევს ერთი ფრთის მიერ მეორეზე მეტი ამწევი ძალის გენერირებას, რაც იწვევს თვითმფრინავის ბრუნვას თავისი ბრუნვის ღერძის გარშემო.
სტაბილურობაზე ასევე გავლენას ახდენს სიმძიმის ცენტრისა და წნევის ცენტრის მდებარეობა. თვითმფრინავები ისეა შექმნილი, რომ მცირე დარღვევების, მაგალითად, ტურბულენტობის შემდეგ, სტაბილურობას დაუბრუნდნენ. თუმცა, ზოგიერთ თანამედროვე თვითმფრინავში, „ბუნებრივი“ სტაბილურობა შეიძლება შემცირდეს სისწრაფის გასაზრდელად, რასაც ხელს უწყობს ელექტრონული მართვის სისტემები, როგორიცაა ფრენის ელექტრომოწყობილობა.
7. ენერგია, სიჩქარე და ფრენის მართვა
ფრენის ფიზიკის გაგება ასევე შესაძლებელია ენერგიის კონცეფციის მეშვეობით. თვითმფრინავს აქვს კინეტიკური ენერგია (სიჩქარის გამო) და პოტენციური ენერგია (სიმაღლის გამო). პილოტები პრაქტიკულად „ცვლიან“ ამ ორ ენერგიას: როდესაც თვითმფრინავი ადის, კინეტიკური ენერგია შეიძლება შემცირდეს, თუ ბიძგი არ გაიზრდება; პირიქით, დაშვებისას, თვითმფრინავს შეუძლია აჩქარდეს, თუ წინააღმდეგობის ძალა არ გაიზრდება.
ენერგიის მართვა განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია მიახლოებისა და დაშვების ფაზებში. თვითმფრინავმა უნდა შეინარჩუნოს საკმარისი სიჩქარე შეფერხების თავიდან ასაცილებლად, მაგრამ არც ისე სწრაფად, რომ უსაფრთხო დაშვება იყოს შესაძლებელი. ფლაპები ხელს უწყობს ამწევი ძალის გაზრდას დაბალი სიჩქარით, ხოლო სპოილერები და პნევმატური მუხრუჭები ზრდის წინაღობას, რაც საშუალებას აძლევს თვითმფრინავს კონტროლირებადი გზით შეამციროს სიჩქარე და სიმაღლე.
დახურვა
ავიაცია ფიზიკის ფართომასშტაბიანი და დიდი სიზუსტით მუშაობის საუკეთესო მაგალითია. ოთხი ძირითადი ძალა - ამწევი ძალა, წონა, ბიძგი და წევის ძალა - ქმნის საფუძველს იმის გასაგებად, თუ როგორ აფრენას, ფრენას, მანევრირებას და დაშვებას ახორციელებს თვითმფრინავი. ამ ძალების უკან დგას ფრთების აეროდინამიკა, ატმოსფერული პირობები, იმპულსით განპირობებული ძრავის მუშაობა და სტაბილურობისა და კონტროლის პრინციპები, რომლებიც უზრუნველყოფს თვითმფრინავის უსაფრთხოებას. ავიაციაში ფიზიკის ფუნდამენტური პრინციპების გაგებით, ჩვენ თვითმფრინავებს ვხედავთ არა მხოლოდ როგორც დახვეწილ ტექნოლოგიას, არამედ როგორც სისტემებს, რომლებიც ბუნების კანონებს იყენებენ ფრთხილად გაანგარიშებისა და ფრთხილად დიზაინის გზით.
