مواضيع علمية متنوعة في الديناميكا الهوائية

بسم الله الرحمن الرحيم
السلام عليكم و رحمة الله و بركاته,
التعامل مع الصواريخ و الطائرات في الديناميكا الهواء متشابه لأن كليهما عبارة عن جسم يسير في الهواء, قد تختلف أشياء مثل طرق توليد قوة الرفع أو قوة الدفع.

مصادر القوى الديناميكية الهوائية:
عندما يسير جسم في الهواء فإن هنالك شيئان يؤثر بهما الهواء عليه:
1-توزيع ضغط الهواء على الجسم Pressure Distribution
2-احتكاك السطح Skin Friction
يكون الضغط عموديا على كل نقطة في الجسم و الاحتكاك يكون موازيا و في عكس اتجاه الحركة 
و تنتج قوة الاحتكاك من القوة اللزجة بين جزيئات الهواء Viscous forces...
و بتكامل قيم تلك القوى المؤثرة على السطح نحصل على القوة الديناميكية الهوائية الكلية
و كل القوة الديناميكية الهوائية تنتج من هذين المصدرين فقط, و عند تصميم أي مركبة يكون الشكل بحيث يتحكم في قيمة القوة الديناميكية الهوائية لإعطائنا أفضل أداء و أقل خسارة..






القوى المؤثرة على الصاروخ:
الكل يعرف أن القوى الأربع الرئيسية المؤثرة على الصاروخ و أي جسم طائر هي:
1- الرفع Lift:
و يكون اتجاههها عمودي على اتجاه مسار الصاروخ
2-الكبح Drag:
و يكون اتجاهها في الاتجاه المعاكس لمسار الصاروخ و متعامدة مع متجه قوة الرفع
3-الوزن Weight:
قوة جذب الأرض للصاروخ و تتجه إلى مركز الكرة الأرضية (تقريبا كدة)
4- الدفع Thrust:
قوة الدفع الناتجة من المحرك و اتجاهها يعتمد على مكان وضع المحرك لكن في العادة تكون في اتجاه مسار الحركة للصاروخة و ليس دائما..

لكن هنالك تقسيم ءاخر يضم قوى أخرى تؤثر على الصاروخ, و أكثر عمومية و يعتمد على مصدر القوة:
1-القوى الديناميكية الهوائية Aerodynamic:
القوة التي يؤثر بها الهواء على الصاروخ و تنقسم إلى رفع و كبح اعتمادا على مسار طيران الصاروخ, أو 
قوة عمودية Normal
قوة محورية Axial
اعتمادا على محاور الصاروخ نفسه.. أي أن القوة العمودية تكون متعامدة مع المحور الطولي للصاروخ و لا علاقة لها بالمسار.. و نفس الشيء للقوة المحورية تكون مماسة للمحور الطولي.
لكن مجموع القوى المحورية مع العمودية يكون مساويا لمجموع قوى الرفع و الكبح و كلاهما يمثل القوة الإيروديناميكية الكلية.

2-القوى الناتجة من القصور الذاتي Inertial:
و هي أساسا تمثل بالمعادلة المعروفة: 
F=ma
فعند حركة الجسم الجسم يبذل قوة للحفاظ على حالته السابقة. مثال أكثر وضوحا لتلك القوى هي قوة الطرد المركزي التي تتعرض لها الطائرة عند المناورة و الالتفاف, و قوى رد الفعل و ما شابهها..

3-قوة الجاذبية Gravitational:
ممثلة أساسا في الوزن و هي قوة جذب الأرض للصاروخ.

4-قوة الدفع Propulsive:
و هي القوة الناتجة من محرك الطائرة و التي توفر للطائرة القدرة لتتحرك في الهواء.














Drag قوة الكبح:
هي تمثل قوة مقاومة المائع (غاز أو سائل) لمرور الأجسام عبره و تنقسم اساسا إلى نوعين:
Skin Friction Drag كبح ناتج من احتكاك المائع بالسطح
Pressure Drag كبح ناتج من الضغط

النوع الأول يعتمد على رقم رينولد للجريان حول الجسم.. و هو رقم يعطي قياسا لنسبة القوة الذاتية للجسم إلى القوى اللزجة للمائع.
Re=(Density*Velocity*Length)/dynamic viscosity
و يعتمد على طول الجسم و السرعة و كثافة الهواء ومعامل لزوجة المائع..
فعندما يتحرك جسم مغمور في مائع (غواصة أو طائرة أو صاروح مثلا) يبذل المائع طاقة لإيقاف حركة هذا الجسم و نتيجة لهذا تتكون قوة الاحتكاك بين سطح الجسم و المائع و خسارة الطاقة للمائع تكون في شكل خسارة للسرعة في طبقة رفيعة قريبة من سطح الجسم تسمى الطبقة المتاخمة (Boundary Layer) و ينتج عن ذلك أن سرعة المائع على سطح الجسم تقريبا تكون مساوية صفرا و تتدرج في الزيادة عند الابتعاد عن السطح حتى تصل سرعة الجريان الحر (Free Stream), و هذا بالنسبة للكبح الناتج من الاحتكاك..
يمكن تقليل هذا النوع من الكبح باستخدام سطوح ملساء لتقليل قوة الاحتكاك, لأن خشونة السطح تدخل كعامل أساسي فيه..

أما الكبح الناتج من الضغط فيعتمد عل عدة عوامل منها شكل الجسم و اختلاف توزيع الضغط عليه الذي يولد قوة تعاكس اتجاه حركة الجسم و تعيقها.
و يمكن تقليل هذا النوع عن طريق تشكيل الجسم بشكل يجعله انسيابي streamlined حتى يواجه أقل معاوقة.. و وجد أن الأجسام الدائرية و التي في شكل الدمعة (مثل الإيرفويل) هي أقل الأجسام التي تواجه معاوقة أثناء جريانها في الموائع..
أيضا مساحة سطح الجسم و المساحة المقطعية (المواجهة للجريان) تؤثر في قوة الكبح.. فكلما قلت كان ذلك أفضل..
أيضا سرعة الجريان تؤثر تأثيرا مباشرا و علاقتها طردية مع قوة الكبح.. بالإضافة إلى كثافة المائع.




































معادلة قوة الكبح الرئيسية:
Drag=0.5*Density*Velocity^2*Cd*Surface Area
Cd يمثل معامل الكبح و يمكن الحصول عليه من إجراء التجارب في النفق الهوائي و يعتمد على عوامل أهما شكل الجسم..
حساب قوة الكبح هو من أهم مراحل تصميم المركبة الطائرة لأنه يحدد لنا قيمة الدفع التي سنحتاجها.. ليس فقط في الطائرات بل و حتى يتم تصميم السيارات و كرات الجولف و التنس لتقليل قوة الكبح..

هناك تقسيمات أخرى لكن حتى هذه الأنواع في أساسها تعود للنوعين الأساسيين..
مثل:
Wave Drag
Form Drag
Interference Drag
Induced Drag









روابط مفيدة:
Forces on Rocket-NASA
Rocket Aerodynamics-NASA
Rocket Nosecones
How Lift is generated