الديناميكا الهوائية (بالإنگليزية: aerodynamics) هي فرع من فروع الديناميكا وهي التي تُعنَى بدراسة القُوى المؤثرة على جسم ما أثناء حركته في الهواء أوأي نوع آخر من الغازات. وتؤثر قُوى الديناميكا الهوائية على الطائرات وأية أجسام أُخرى متحركة في الهواء. ويدرس الفهماء والمهندسون قُوى الديناميكا الهوائية، ويهتمون بها لأنها هي القُوى التي تؤثر في حركة الأجسام.

التاريخ

نشأ فهم تحريك الهواء في أوربة في القرن الثامن عشر الميلادي بعد حتى طرح العالمان السويسريان دانيل برنوي (1700-1782) Daniel Bernoulli وليونار أولر (1707-1783) Leonhard Euler نظريتيهما في تحريك الغازات والسوائل. وبعد قرن من الزمن وَضَع القوانين الأساسية لتحريك الغازات والموائع الفرنسي هنري نافييه (1785-1836) Hennri Navier في عام 1827. غير حتى وضع الحلول الرياضية لهذه القوانين المعقدة لم يتم إلا بعد اعتماد فرضيات تبسيطية مدعومة بالتجارب العملية .ونتج عن تطور هذا الفهم تجريبياً ظهور معاملات التشابه والخواص اللزجة للموائع (سوائل أوغازات) على يدي أوزبورن رينولدز Reynolds Osborne في عام 1883 وإرنست ماخ Mach في عام 1889، وتحديد مفهوم المائع المثالي واكتشاف الطبقة الحدية Boundary Layer في الجريانات من الألماني لودفيغ براندل L.Prandtl في عام 1904، الذي أُطلق عليه اسم «أبوفهم تحريك الهواء الحديث». وفي نهاية القرن التاسع عشر وفي بداية القرن العشرين أدّى فهم تحريك الهواء التجريبي إلى اكتشاف القوانين الفيزيائية التي مكّنت الفهماء من شرح ظاهرتي قوة الحمل lift على يد نيقولاي جوكوفسكي Joukovski Nikolai في عام 1904 وقوة مقاومة الهواء drag على يد بلازيوس Blasius في عام 1907. وأدى تطور هذا الفهم إلى زيادة سرعة الأجسام الطائرة إلى سرعات تفوق سرعة الصوت، ويعود الفضل في ذلك إلى تيودور كارمان (1881-1963) T.V.Karman الذي هجرّزت أبحاثه في مجال نظرية الاضطراب والطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت.

رواد فهم الديناميكا الهوائية

يأتي في أول هذه القائمة الفنان والعالم الإيطالي ليوناردودافينشي، ويعد أول إنسان تفهم حركة تحليق الطيور بأسلوب فهمي. وقد رسم دافينشي في الثمانينيات من القرن الخامس عشر الميلادي رسومًا توضيحية تبين حركة الطيور أثناء طيرانها ورسومًا تخطيطية لآلات يمكنها الطيران.

وفي أواخر القرن السابع عشر الميلادي، قام العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن بوضع القانون الرابع من النظرية الأساسية لمقاومة الهواء. وقد شرح نيوتن في هذا القانون ماتعمله القُوى المؤثرة بين الجسم ووسط مائع مثل الهواء. ولاحظ عدم وجود أي فرق بين تحرك الجسم خلال الوسط المائع وحركة الوسط المائع حول الجسم.

ولم يبدأ الناس في استخدام قواعد الديناميكا الهوائية والاستفادة منها إلا في القرن التاسع عشر الميلادي؛ وذلك عند محاولة الإنسان الطيران مستخدمًا طائرة أثقل من الهواء. وفي عام 1853م، تمكن السير جورج كايلي في إنجلترا من بناء أول طائرة شراعية، وقد حملت هذه الطائرة سائق عربة السير كايلي الذي ركبها مضطرًا ليعبر واديًا صغيرًا. وقد أصبح أوتوليلينتال، وهومهندس ألماني، أول من قاد طائرة شراعية بالعمل، وكان ذلك عام 1891م. وفي عام 1891م أيضًا نشر العالم الأمريكي صمويل لانجلي أول ورقة درس فهمي عن فهم الديناميكا الهوائية بعنوان تجارب في الديناميكا الهوائية. وقد بنى نموذج طائرة تُدفع بالبخار، نجحت في الطيران عملاً، ولكن عند تطبيق قواعد النموذج الصغير نفسها على طائرة بمقياس كبير تعمل بقوة النفط تحطمت. وكانت محاولات لانجلي قبل فترة قليلة من نجاح الأخوين رايت في الطيران مستخدمين نموذجًا للطائرة المروحية عام 1903م. وقد استخدم الأخوان رايت معدات مثل الأنفاق الهوائية ونظم موازين مختلفة لتقدير قوتي الحمل والسحب.

وفي بداية القرن العشرين، طور المهندس الألماني لودفيج براندتل نظرية الطبقة المتاخمة للسحب، كما أسهم في فهمنا لقوة الحمل.

فهم الديناميكا الهوائية حاليًا

أظهر استخدام الطائرات في الحرب العالمية الأولى في الفترة من 1914م - 1918م، وكذلك في الحرب العالمية الثانية في الفترة من 1939م - 1945م الحاجة إلى أبحاث متقدمة وعديدة في مجال فهم الديناميكا الهوائية. وبعد تطوير الطائرات النفاثة في الأربعينيات من القرن العشرين، بدأ المهندسون بدراسة الطيران الأسرع من الصوت. وقد شهد عام 1947م أول طائرة تطير بسرعة أسرع من الصوت مستخدمة في ذلك قوة الدفع الصاروخية.

وفي الخمسينيات من القرن العشرين، طور مصمموالطائرات مقدمات الطائرات لتصبح حادة كالسكين والأجنحة ذات الامتداد التراجعي، وكل ذلك لتخفيض قوة السحب. وفي بداية الستينيات من القرن الحالي توصل المهندسون إلى أجنحة ذات امتداد تراجعي يمكنها الطيران المستقيم والمستوي. ومكّنت الأجنحة متغيرة الاتجاه من الطيران بسرعات عالية، كما وفَّرت الأمان ويسَّرت الهبوط بسرعات منخفضة. وفي بداية السبعينيات من القرن العشرين عملت جميع منفرنسا وبريطانيا معًا، والاتحاد السوفييتي (السابق) منفردًا، وتمكنت هذه الدول من بناء الطائرات الأسرع من الصوت.

بدأت الولايات المتحدة الأمريكية في الثمانينيات من القرن العشرين الميلادي اختبارات على الطائرة إكس ـ 29 المجهزة بأجنحة ذات امتداد تقدمي. وكان من المتسقط حتى يعطي التصميم ثباتًا أكبر للطائرة وقدرة أفضل للمناورة، وخاصة عند زوايا الهبوب العالية. وفي عام 1986م، بدأت الولايات المتحدة الأمريكية برنامج أبحاث عن طائرة الفضاء الخارجي، ويهدف هذا البرنامج إلى بناء طائرة يمكنها الإقلاع من مطار عادي، وتطير بسرعة أعلى من سرعة الصوت مرات عديدة (ماخخمسة أوأعلى) إلى المدار الأرضي ثم تعود إلى الأرض لتهبط في المطار نفسه.

على الرغم من تقدم فهم الديناميكا الهوائية وازدهاره، إلا أنه مازال هناك عدد من المشكلات الخاصة بالديناميكا الهوائية التي لم تحلّ حتى الآن. وتضم هذه الصعوبات: 1- تصميمات جديدة بصورة أفضل للطائرات فائقة السرعة تقل فيها انفجارات جدار الصوت 2- تطوير طائرات ذات مقاومـــة سحب منخفضـــة لأسباب اقتصاديـــة بالطيران 3ـ تحسين تصميم المحركات النفاثة لتخفيض الضوضاء الناتجة عن الطائرات.

المفهومات الرئيسية لديناميكا الهواء

يُحدد فهم تحريك الهواء القوى التي لها تأثير متبادل بين الأجسام الطائرة والهواء. ولكي تستطيع الطائرة المحافظة على مسارها وتوازنها في أثناء الطيران (الشكل 1)، يجب حتى تتساوى قوة الدفع thrust مع قوة مقاومة الهواء، وقوة الحمل مع الوزن. فإذا تغيرت قوة مقاومة الهواء لسبب ما وزادت قيمتها على قيمة قوة الدفع، فإن سرعة الطائرة تتباطأ. وإذا زادت قيمة قوة الدفع على قيمة مقاومة الهواء، فإن سرعة الطائرة تزداد. إذا حدثة الحمل لا تعني بالضرورة حمل الأمور، ففي أثناء إقلاع الطائرة يجب حتى تكون قوة الحمل أكبر من وزن الطائرة، وإبان الطيران الأفقي تكون قوة الحمل مساوية للوزن، أما حين الهبوط فيجب حتى تكون قوة الحمل أصغر من وزن الطائرة. إذا فهم تحريك الهواء لا يفرق بين كون الجسم ثابتاً والهواء متحركاً، أوبين كون الجسم متحركاً والهواء ثابتاً، وما يهمه هوالفرق النسبي بين سرعتي الجسم والهواء.

القوى الأساسية الأربع لتحريك الهواء

الحمل

قوة ديناميكية هوائية تنتج عن حركة سطح انسيابي رافع كجناح الطائرة في الهواء. وتؤثر قوة الحمل بزاوية قائمة بالنسبة لاتجاه الحركة. وتعطي قوة الحمل الطائرة المقدرة على الارتفاع والبقاء على السرعة نفسها في الهواء. ويُحدث السطح الانسيابي عند حركته في الهواء قوة حمل لأن القوة الناتجة تكون ذات ضغط أكبر على السطح السفلي للسطح الانسيابي مقارنة بالضغط الناتج عن السطح العلوي. وينتج عن الاختلاف في الضغط أعلى السطح الانسيابي وأسفله اختلاف في سرعة سريان الهواء على السطحين، وذلك طبقًا للمبادئ التي اكتشفها دانيال برنولي، وهوعالم رياضيات سويسري، والتي تنص على حتى ضغط السائل يقل مع زيادة سرعته. وللسطح المنساب النموذجي حافة متقدمة أمامية مدورة وحافة خلفية حادة. وعند اقتراب الهواء المنساب من الحافة المتقدمة، فإنه يتشعب ويتفرق ليتجه نحوالسطح المنساب. وللحصول على قوة حمل، لابد حتىقد يكون انسياب الهواء حول السطح العلوي والسطح السفلي للسطح الانسيابي عديم التناظر (غير متماثل)، أي ليست له أيّ منظومة محددة. ويمكن حتى يتولد الانسياب عديم التناظر عند استعمال سطح انسيابي ذي شكل منحن. ويُطلق على الانحناء في هذه الحالة اسم التقوس. ويحدث الانسياب عديم التناظر عند التقاء سطح انسيابي رافع مع الهواء بزاوية معينة. ولابد من تزاوج الانسيابين واندماجهما بأسلوب سلس منتظم عند هجرهما للحافة الخلفية. وقد اكتشف هذا الشرط عالم الرياضيات الألماني ك. و. كوتا. وينتج عن الشرط الذي وضعه كوتا وانسياب الهواء عديم التناظر جريان الهواء بسرعة أعلى على السطح العلوي للسطح الانسيابي مقارنة بالسطح السفلي له، إلى غير ذلك يقل ضغط الهواء على السطح العلوي مقارنة بالسطح السفلي. ونتيجة لذلك، يُرفَع السطح الانسيابي إلى أعلى في الهواء.

ويمكن شرح قوة الحمل أيضًا بمقدرة السطح الانسيابي على تحويل اتجاه الهواء إلى أسفل. ويحول السطح الانسيابي اتجاه الهواء من خلال زاوية التقوس بالإضافة إلى لقاء الهواء عند زاوية معينة. وينص القانون الثالث من قوانين الحركة الذي وضعه العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن على حتى جميع عمل له رد عمل مساوله في المقدار ومضاد له في الاتجاه. وعندما يقوم السطح المنساب بتحويل اتجاه الهواء إلى أسفل، فإن رد العمل لهذه الحركة يدفع هذا السطح المنساب إلى أعلى ـ ومن ثم ينتج قوة الحمل.

تعتمد كمية الحمل الناتجة عن الجناح أساسًا على زاوية الهبوب ونبائط (معدات) الحمل العالي كما يؤثر أيضًا جميع من كثافة الهواء ومساحة السطح وسرعة الجناح على مقدار الحمل.

زاوية الهبوب

هي الزاوية التي يحدثها الجناح مع الهواء المنساب المار به. ويمكن للطيار تغيير زاوية الهبوب بتغيير وضع الطائرة (موضع الطائرة في الفضاء). ويمكن إلى حد ما زيادة قوة الحمل الناتجة عن الجناح بزيادة زاوية الهبوب. وأي زيادة في قوة الحمل تعني إمكانية زيادة سرعة صعود الطائرة أوالتحليق بسرعة أبطأ.

تؤدي زاوية الهبوب دورًا مهمًا في سلامة الطيران. ولايمكن للهوا ء حتى ينساب بسلاسة حول الجناح إذا أصبحت زاوية الهبوب حادة أوشديدة الانحدار. وإذا أصبحت زاوية الهبوب حادة فبدلاً من انسياب الهواء بسلاسة، فإنه ينبتر فجأة ويصبح في صورة دوامات صغيرة، يطلق عليها اسم الدوامات الهوائية، على الجناح . وتقلل هذه الدوامات من قوة الحمل إلى درجة كبيرة جدًا، وتجعل الطائرة تهبط لأسفل نحوالأرض. ويطلق على هذه الحالة اسم الهَوَيان. ويمكن حتى تتحطم الطائرة مالم تخفض زاوية الهبوب على وجه السرعة. وتحلق الطائرة بزاوية هبوب تتراوح بين أربعة درجات و15 درجة، ويمكن حتى تهوي الطائرة إذا أصبحت الزاوية أكثر من 15 أو20 درجة.

المبتر العرضي الانسيابي للجناح

يصعب فهم كيف من الممكن أن يمكن الهواء حتى يحمل طائرة ثقيلة الوزن بعيداً عن الأرض. وقد يظهر الجواب غريباً للوهلة الأولى. فمن السهل القول إذا الهواء يدفع أجنحة الطائرة وجسمها نحوالأعلى، ولكن الهواء يحيط بالطائرة من جميع الجهات، ولا بد للهواء الموجود أسفل الأجنحة حتى يدفع الطائرة نحوالأعلى بقوة أكبر من قوة الهواء الموجود أعلى الأجنحة ويدفع الطائرة نحوالأسفل. إذا قوة دفع الهواء هذه تُسمى ضغط الهواء، ومن ثمّ فإن ضغط الهواء أسفل الأجنحة أكبر من مثيله فوق الأجنحة. وما يزال تفسير هذه الظاهرة مُبهماً، فكيف يتكون هذا الفرق في الضغط على سطحي الأجنحة. إذا النظر إلى الجناح من الجانب يُظهر حتى له شكلاً خاصاً يسمى المبتر العرضي الانسيابي للجناح (الشكل 2) فيكون سطحه العلوي منحنياً، وسطحه السفلي مستوياً تقريباً. وعلى بساطة هذا الشكل فإن أثره كبير في تمكين الطائرة من الطيران. وثمة عدة تفسيرات لظاهرة قوة الحمل هذه أهمها تفسير الممر الطولي، ويُعهد أيضاً بتفسير العالم برنوللي، أوبتفسير تساوي زمن العبور)، والتفسير النيوتني (نسبة للعالم نيوتن، ويعهد أيضاً بتفسير انتنطق كمية الحركة أوبتفسير انحراف الهواء). مع أنه من السهل نقض هذين التفسيرين، إلا أنهما يقدمان فهماً حدسياً لظاهرة حدوث قوة الحمل.

تفسير الممر الطول

يستند هذا التفسير إلى حتى السطح العلوي للمبتر العرضي للجناح أكثر انحناءً من سطحه السفلي. ويفترض حتى جسيمين هوائيين متلاصقين ينفصلان عن الحافة الأمامية للمبتر العرضي للجناح، ويتحرك جميع منهما عبر أحد سطحي المبتر العرضي، ويعودان فيتلاقيان عند الحافة الخلفية له في زمن واحد. وعلى اعتبار حتى الجسيم الذي عبر السطح العلوي بتر مسافة أكبر، فإن سرعته أكبر من سرعة الجسيم الذي بتر السطح السفلي. واستناداً إلى معادلة برنوللي الشهيرة التي تثبت انخفاض ضغط المائع حين ازدياد سرعته أوالعكس، فإن الجسيم العابر للسطح العلوي ينخفض ضغطه، في حين يرتفع ضغط الجسيم العابر للسطح السفلي. والفرق بين الضغطين المتشكلين على سطحي الجناح يساعدان على سحب الجناح وحمله نحوالأعلى. إذا هذا التفسير غير سليم تماماً، إذ لا يوجد سبب منطقي لالتقاء الجسيمين الهوائيين في الوقت نفسه عند الحافة الخلفية، كما حتى بعض المقاطع العرضية الانسيابية للأجنحة قد تكون متناظرة (الأسطح العلوية والسفلية متشابهة تماماً)، وكان الأخوان رايت Wright أول من استخدم مبتراً متناظراً للأجنحة. لكن هذا التفسير غير خاطئ تماماً، لأن الهواء المتحرك فوق السطح العلوي يتحرك عملاً بسرعة أكبر من سرعة تحرك الهواء تحت السطح السفلي، حتى إنه في الحقيقة يتحرك بسرعة أكبر من السرعة المتطلبة لالتقاء الجسيمين الهوائيين عند الحافة الخلفية للمبتر العرضي. كما حتى الضغط الكلي المقاس عند السطح العلوي هوحقاً أقل من الضغط الكلي المقاس عند السطح السفلي.

التفسير النيوتني

يستند هذا التفسير إلى القانون الثالث لنيوتن الذي ينص على حتى لكل عمل رد عمل مساوياً له ويعاكسه بالاتجاه. ويفترض حتى الهواء الذي يرتطم بالسطح السفلي للمبتر العرضي للجناح يسلك سلوك ارتداد رصاصة بندقية بعد ارتطامها بصفيحة معدنية مثلاً. فكل جسيم هوائي يرتد عن السطح السفلي للمبتر العرضي بعد ارتطامه به، ينحرف نحوالأسفل. وتمنح جسيمات الهواء لدى ارتطامها بالسطح السفلي جزءاً من كمية حركتها (أوطاقتها) إلى المبتر العرضي للجناح، مما يؤدي إلى دفعه نحوالأعلى تدريجياً. وهذا التفسير غير سليم تماماً: لأنه يتجاهل كلياً السطح العلوي للمبتر العرضي للجناح، الذي لا يمكن إهمال أثره في نشوء قوة الحمل التي إذا حُسبت استناداً إلى السطح السفلي فقط كانت قيمتها غير سليمة. أضف إلى ذلك، ملاحظات أُولر التي ظهرت بعد قانون نيوتن بعدة قرون، والتي تتلخص بأن المائع المتحرك باتجاه جسم ما ينحرف حتى قبل حتى يرتطم بسطح الجسم. ويُستنتج من ذلك حتى جسيمات الهواء لا تسلك سلوك الرصاصة. ومن ثمّ فإن تفاعل جزيئات الهواء وتأثيراتها في السطح السفلي للجناح يتم بطريقة ما يصعب وصفها بتفسيرات مبسطة. كذلك لا يمكن حتىقد يكون هذا التفسير خاطئاً تماماً لأنه إذا لم يستطع تقدير قيمة قوة الحمل تقديراً سليماً في شروط الطيران العادية، فإن باستطاعته إجراء التقدير السليم لهذه القيمة في شروط أخرى للطيران. ففي شروط الطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت بخمسة أمثالها،قد يكون التفسير النيوتني سليماً لأنه في السرعات العالية مع انخفاض قيمة الكتلة الحجمية للهواء (الكثافة) تسلك جزيئات الهواء سلوك الرصاصة تماماً والتفسير الفهمي السليم لقوة الحمل هوأنها تتولد عند انعطاف جريان الهواء حول الجناح، فيتولد فرق في الضغط على طرفي الجناح ناتج عن اختلاف سرعة الهواء في جميع نقطة من النقاط المحيطة بالجناح. إذا انحراف جريان الهواء هوالمصدر الأساسي لتوليد قوة الحمل، وإن الضغط العالي المتولد أسفل الجناح لا يدفع بالجناح نحوالأعلى، ولكن الضغط المنخفض المتولد أعلى الجناح هوالمسؤول عن سحب الجناح نحوالأعلى، كما تسحب المكنسة الكهربائية بترة من الورق لدى اقترابها من فوهتها.

تأسست في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1915 اللجنة الوطنية الاستشارية للملاحة الهوائية National Advisory Committee on Aeronautic واسمها المختصر NACA وهي سلف NASA أي الإدارة الوطنية لأبحاث الملاحة الهوائية والفضاء National Aeronautics and Space Administration. وإبان السنوات الممتدة من عام 1929 حتى عام 1947 نفذّت NACA في مخبر لانغلي Langley التابع لها اختبارات مكثفة في نفق هوائي على مئات من المقاطع العرضية الانسيابية . وقد ساعدت نتائج هذه الاختبارات المهندسين على حساب قوى الحمل والمقاومة التي تؤديها المقاطع العرضية في شروط طيران مختلفة.

نبائط الحمل العالي

تعتمد قوة الحمل للسطح الانسيابي على سرعة الجناح في الهواء. وإنْ لم يتحرك الجناح بسرعة كافية، فإن الاختلاف في الضغط بين أسفل الجناح وأعلاه لن يؤدي إلى توليد قوة الحمل الكافية للاحتفاظ بالطائرة في الهواء. وأثناء عمليات الهبوط والإقلاع، يحاول الطيارون حتى يطيروا بأقل سرعة ممكنة، ولهذا تزود الطائرة بأجزاء خاصة يطلق عليها نبائط الحمل العالي لتمد الطائرة بقوة حمل كافية لكي تطير بأقل سرعة ممكنة. وتشتمل هذه النبائط على جميع من:1- قلابة 2- سدفة 3- شق خدي.

القلابة

مبتر متصل بمفصلات في ظهر جميع جناح. وفي أثناء رحلة الطيران الاعتيادية، تتوافق القلابة بسلاسة مع الجناح. ويقوم الطيار بإنزال القلابات وذلك للهبوط، وفي بعض الأحيان أيضًا أثناء الإقلاع. وعند إنزال القلابات، فإنها تزيد من نسبة التقوّس للجناح، ويعطي ذلك قوة حمل للطائرة، وبالتالي يساعد على تخفيض سرعة الطائرة استعدادًا للهبوط.

السدفة

جزء متصل بمفصل بالقرب من مقدمة طرف جميع جناح. وعندما تخفض الطائرة من سرعتها، فإن السدفة تتحرك بصورة تلقائية إلى الأمام لزيادة التقوس للجناح، وبالتالي تعمل السدفة على زيادة قوة الرَّفْع.

الشق الخدي

فتحة على طول الحافة الأمامية للجناح. ويساعد الشق الخدي الهواء في الانسياب بسلاسة أعلى الجناح، وبهذا يمكن للطائرة حتى تطير بزاوية هبوب كبيرة دون حتى تهوي، وبالتالي فإن زواية الهبوب هذه تزيد قوة الحمل.

السَّحب

قوة ديناميكية هوائية تقاوم الحركة الأمامية للجسم. ويؤثر شكل الجسم بقدر كبير على مقدار السحب. ويطلق على الأجسام التي يتولد عنها أقل قدر من السحب أجسام الخط الانسيابي أو الأجسام الخالية من الديناميكية الهوائية. ويبني المصممون الطائرات بحيثقد يكون السحب فيها أقل قدر ممكن. وتحتاج الطائرات ذات السحب المنخفض إلى محركات أقل طاقة، كما يحسن السحب المنخفض أيضًا من أداء الطائرة. وينطبق هذا المفهوم على الناقلات والمركبات والقطارات لأنها تقابل سحبًا.

ويوجد نوعان من السحب ـ السحب الاحتكاكي والسحب الشكلي، وتؤثر هاتان المقاومتان على جميع الأجسام المتحركة. كما يوجد نوع ثالث من السحب يطلق عليه السحب المحرِّض. وهويؤثر فقط على الأجسام أثناء عملية الحمل. ويظل هناك نوع رابع من السحب يظهر فقط عندما تطير الطائرة بسرعة تفوق سرعة الصوت.

السحب الاحتكاكي

يتولد مباشرة بين سطح الجسم وطبقة الهواء الرقيقة المتاخمة له ويطلق على طبقة الهواء تلك اسم الطبقة المتاخمة. ويحدث الاحتكاك في جميع الظروف عندما تنزلق طبقة من وسط مائع على طبقة أخرى منه. وتتحرك جزيئات الهواء في الطبقة المتاخمة لأي جسم بإحدى طريقتين: 1- مسارات منتظمة موازية للسطح، أو2- مسارات غير منتظمة. ويطلق المهندسون على الحركة المنتظمة للجزيئات اسم الانسياب الطبقي، بينما يعهد السريان غير المنتظم باسم الدفق المضطرب. ويزيد الدفق المضطرب من السحب الاحتكاكي.

تكون الطبقة المتاخمة في صورة الانسياب الطبقي في مقدمة أي جسم متحرك. ويمكن حتى يصبح انسياب الهواء في صورة دفق مضطرب عند بعض النقاط عندما يتحرك الهواء على طول الجسم. ويحاول مصمموالطائرات تأخير تغير السريان من حالة الانسياب الطبقي إلى الدفق المضطرب لأطول فترة ممكنة، وذلك لتخفيض السحب الاحتكاكي إلى أقل قدر ممكن، وإحدى الطرق المتبعة لذلك هي جعل السطح المتحرك أملس ناعمًا قدرالمستطاع.

السحب الشكلي

ينتج عندما ينفصل الهواء المنساب عند مروره بجسم ما منتجًا دوَّامات هوائية. وهي تمتص طاقتها من الجسم مسببةً السحب الشكلي، وبهذا تقلل من سرعة الجسم المتحرك. ويحدث السحب الشكلي في الأجسام ذات الأشكال عديمة الخط الانسيابي. وعلى سبيل المثال، يشعر سائق سيارة تسير خلف شاحنة كبيرة تتحرك بسرعة شديدة حتى سيارته تهتز بالدوامات الهوائية الناتجة عن الشاحنة غير ذات الخط الانسيابي.

يُخفض المهندسون من السحب الشكلي من خلال تصميم أجسام ذات خطوط انسيابية. كما يضعون مولدات الدوامات على أجنحة الطائرة. ومولدات الدوامات أسطح انسيابية رافعة تُلصق على هيئة صفوف طويلة أعلى الجناح الرئيسي. وتنتج مولدات الدوامات قدرًا قليلاً من الاضطراب أوالتشويش في الطبقة المتاخمة التي تحفظها من الانفصال.

السحب المحرِّض ويُطلق عليه أيضًا اسم السحب الناتج. وينشأ السحب المحرض نتيجة الفرق بين الضغط أعلى الجناح وأسفله الناتج عن ميل الهواء للانسياب في اتجاه عكسي على طول الجناح. ويميل الهواء على طول السطح السفلي للجناح للاتجاه نحوالخارج، بينما يميل الهواء على السطح العلوي للجناح للاتجاه نحوالداخل. ويطلق مهندسوالطيران على هذه الحركة اسم الانسياب في اتجاه مستقيم. ويؤدي هذا الانسياب إلى تكوّن دُوامة هوائية خلف طرف جميع جناح. ويحاول التدويم الهوائي في الدوامة دفع الطائرة للخلف وتسبب هذه الظاهرة خطورة على أية طائرة تحلّق بالقرب من مؤخرة هذه الطائرة.

يخفِّض مصصموالطائرات مقدار السحب المحرَّض بالتحكم في أجنحة الطائرة. فهم يصممون الجناح بحيثقد يكون طويلاً وضيقًا، كما يمكن للمصممين أيضًا وضع شرائح من فلز ما على السطح العلوي للأجنحة لمنع الانسياب في الاتجاه المستقيم.

اختبارات تحريك الهواء

إن الهدف من اختبارات تحريك الهواء في نفق هوائي على نموذج مصغّر لطائرة مثلاً، هومساعدة المصمم على التنبؤ بالسلوك الحقيقي لبعض خواص التحريك الهوائي أثناء الطيران، كتغير القوى والعزوم بتغير زاوية الهجوم مثلاً. يُحدث النفق الهوائي جرياناً هوائياً مضبوطاً وموجّهاً نحونموذج مصغّر لجسم حقيقي يُراد اختباره.ويتطلب الحصول على نتائج عملية دقيقة الحيطة والدقة في التعامل مع العناصر الرئيسة الثلاثة الآتية: النفق الهوائي والنموذج المصغّر ومقاييس القوى والعزوم. فمعايرة النفق الهوائي قبل الاختبار أمر ضروري بغية الحصول على قيم سليمة ما أمكن لقياسات الضغط ودرجة الحرارة والسرعة وغيرها. ويجب حتى تكون الأبعاد الهندسية للنموذج المصغّر مختارة بدقة بحيث تمثّل النموذج الأصلي إلى حد كبير. أما مقاييس القوى والعزوم فيجب معايرتها وهجريبها في مواضعها المناسبة بحيث تمنع حدوث تداخل القراءات فيما بينها.

التطبيقات الأخرى لتحريك الهواء

إن تطبيق فهم تحريك الهواء على كرات الألعاب الرياضية ليس موضوعاً جديداً، فالعالم نيوتن أول من تنبّه في عام 1672 على أهمية دراسة تحريك الهواء في كرة. واستفادت صناعة الكرات الرياضية من هذا الفهم إفادة كبيرة، منها على سبيل المثال صناعة كرتي التنس والغولف، كما استفادت منه صناعات كثيرة.

كرة التنس

إن شدة القوى المطبقة على كرة التنس واتجاهها (الوزن والحمل والمقاومة) تُحدد المسار المنحني لطيران الكرة، فتغير أي قوة من هذه القوى يؤدي إلى تغيرمسارها. ويمكن تعيين بعض المتغيرات كالسرعة والتسارع وموضع الكرة وغيرها تحليلياً، إلا حتى قوى الحمل والمقاومة لا يمكن تحديدها إلا تجريبياً. ولأهمية فهم هذه القوى، أنشأ الاتحاد العالمي للتنس نفقاً هوائياً خاصاً به لاختبار كرات التنس. ودراسة كيف من الممكن أن تتولد قوة الحمل في كرة التنس طالما حتى سطحها متناظر والضغط في جميع نقطة من نقاطه متساو، ومن ثمّ قوة الحمل معدومة. إذا دوران الكرة لولبياً هوالذي يُكسبها قوة الحمل اللازمة.وتتعرض كرة التنس في طيرانها لمقاومة احتكاكية تسببها خشونة السطح، ولتصغير هذه المقاومة، تُغطى كرة التنس باللباد المزود بالزغب، فحين تزداد سرعة الكرة تنبسط شعيرات الزغب على سطحها وتنخفض المقاومة الاحتكاكية أومقاومة الزغب للهواء، ويمكن حتى تصل سرعة الكرة إلى 60 متراً في الثانية بدلاً من 20 متراً في الثانية طالما عدم وجود شعيرات الزغب.

كرة الغولف

يحوي السطح الكروي لكرة الغولف على 500 نُقرة مرتبة وموزعة ضمن 60 مثلثاً كروياً . ويعود الفضل في اختيار هذا الشكل الغريب للسطح إلى تطبيق مبادئ تحريك الهواء بغية تحقيق أفضل سطح كروي متناظر وأعلى سرعة ابتدائية وأفضل استقرار لطيران الكرة، ومن ثمّ ّ تحقيق أفضل جريان هوائي منتظم عبر سطح الكرة الذي يدور دوراناً لولبياً أثناء الطيران. وثمة ثلاثة أنواع لكرات الغولف تختلف فيما بينها في شكل النقرة وعمقها. فالكرة ذات النقرات الكبيرة تقلل من مقاومة الهواء، وتزيد من قوة الحمل وتحافظ على الدوران اللولبي للكرة في طيرانها لمسافة طويلة، في حين تجد الكرة ذات النقر الصغيرة من الزيادة المفرطة في قوة الحمل التي تسبب عدم استقرار الكرة في أثناء الطيران. أما الكرة ذات النقر متوسطة الحجم فتجمع بين خصائص الكرتين السابقتين.

سيارات السباق

يعود الفضل الأكبر في نجاح سيارات السباق إلى فهم تحريك الهواء للتقدم البطيء الذي طرأ على محركات السيارة وإطاراتها، إذ إذا هاجس أي فريق من الفرق المتسابقة في سباقات السيارات هوتصميم سيارة تتمتع بأقل مقاومة ممكنة للهواء وتحسين مردود تحريك الهواء للسيارة، كما حتى تصغير حجم محركها إلى أصغر حجم ممكن يمكّنها من التعرض لمقاومة أقل للهواء. ففي عام 1966، ظهرت أُولى الأجنحة المعكوسة القصيرة والمبتكرة لسيارات السباق، ثم تطورت هذه الأجنحة كثيراً مما أدى إلى زيادة سرعة السيارة وإلى تحسين استقرارها. وفي عام 1970 ابتكرت إحدى الشركات الأطواق المحكمة الجانبية التي تهدف إلى تخفيض الضغط أسفل السيارة وزيادة قوة السحب باتجاه الأرض (مكافئة لقوة الحمل في الطائرة لكن تعاكسها بالاتجاه). وفي عام 1978 أدخلت تعديلات مناسبة على الجسم السفلي للسيارة اشتمل على قنوات خاصة وجيوب جانبية لزيادة المساحة الفعالة، مما أدى إلى زيادة ملموسة في قوة السحب.

العنفات الريحية

يتألف القرص الدّوارrotor للعنفة الريحية أوالهوائية wind turbine الحديثة من ريشة واحدة أوريشتين أوثلاث ريش. تُصنَّع ريش العنفات من مواد مركبة كالألياف الزجاجية، وعمرها الافتراضي يصل إلى عشرين عاماً. إذا مبدأ عمل هذه الريش لا يختلف كثيراً عن مبدأ عمل المبتر العرضي الانسيابي لجناح طائرة، لكن تُختار عادة المقاطع العرضية الثخينة للاستخدام في العنفات الريحية. إذا اتجاه الرياح التي ترتطم بالقرص الدّوار يختلف عن اتجاهها بعيداً عن القرص بسبب الحركة الدورانية للقرص، وهذا يعني أنه من المحال تحويل تام الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة ميكانيكية. وعند ارتطام تيار الهواء بالقرص الدّوار يفقد جزءاً من سرعته ويزيد ضغطه، أي يفقد جزءاً من طاقته التي تتحول إلى طاقة ميكانيكية. ولما كانت الريش مجبرة على الدوران ضمن مستو، كانت قوة الحمل الناتجة تسبب دوران القرص الدّوار حول مركزه. وتحاول قوة المقاومة العمودية منع القرص الدّوار من الحركة، لذا فإن الهدف الرئيسي للمصمم يكمن في تصميم ريش توفرنسبة عالية بين قوة الحمل وقوة المقاومة. وتتغير هذه النسبة على طول الريشة بغية الحصول على قيم مثلى للطاقة المولّدة من العنفة عند اختلاف سرعات الرياح.

التطبيقات

درس الأَخَوان رايت الديناميكا الهوائية قبل حتى ينجحا في خلق أول طائرة تتمكن عمليًا من الطيران. وفي الوقت الراهن، يستخدم صنّاع الطائرات أساسيات الديناميكا الهوائية في تصميم جميع أنواع الطائرات. وتنطبق أساسيات الديناميكا الهوائية نفسها أيضًا على انسياب الهواء أثناء مروره حول المباني والجسور. ونتيجة لذلك، عملى المهندسين المعماريين استخدام مبادئ الديناميكا الهوائية للتأكد من صمود ناطحات السحاب ومقاومتها لقوة الرياح. ومن هذا المنطلق، فإن الديناميكا الهوائية تساعد مصمِّمي السيارات في تحسين أدائها.

يستخدم المهندسون أيضًا أساسيات فهم الديناميكا الهوائية في تصميم المضخات والمُكرْبنات والتوربينات (العَنَفات) الغازية. ويعد فهم الديناميكا الهوائية جزءًا من فرع الهندسة المعروف باسم ديناميكا الموائع.

هناك بعض أنواع الطيران التي لايدخل فيها فهم الديناميكا الهوائية. ومن أمثلة ذلك حركة سفن الفضاء السابحة في الفضاء الخارجي التي لاتتحكم فيها أساسيات فهم الديناميكا الهوائية، ويرجع ذلك لعدم وجود هواء يولد قُوى الديناميكا الهوائية. وعلى الرغم من ذلك، فإن سفن الفضاء تخضع لفهم الديناميكا الهوائية أثناء طيرانها خلال الغلاف الأرضي أوأثناء مرورها في مجالات بعض الكواكب الأخرى.

الموجات الصدمية والفرقعات الصوتية

تولد الطائرة المتحركة اضطرابات في ضغط الهواء في المناطق التي تمر بها. وتنتج اضطرابات الضغط من سريان الهواء وانسيابه حول أجنحة الطائرة وجسم الطائرة (الهيكل). وتنتقل اضطرابات الضغط مبتعدة عن الطائرة تمامًا، كما تنتقل الموجات في البركة من موضع قذف حجر في الماء الساكن. وتنتقل اضطرابات الضغط بسرعة الصوت ـ أي بنحو1,225كم/س عند مستوى سطح البحر. والصوت هواضطرابات الضغط وتشويشه، ومن أنواع الأصوات الأخرى الناتجة عن اضطرابات الهواء الموجات الصدمية والفرقعات الصوتية (دوي اختراق حاجز الصوت).

تنتقل اضطرابات الضغط الناتجة عن تحليق الطائرة بسرعة أقل من سرعة الصوت بسرعة أعلى من سرعة الطائرة نفسها. ولهذا فإن صوت الطائرة في هذه الحالة يتقدم على الطائرة نفسها، ويسمع الناس على الأرض صوت الطائرة قبل رؤيتهم إياها. أما صوت الطائرة التي تطير بسرعة أسرع من سرعة الصوت فلايسمع صوتها على الأرض إلا بعد مرور الطائرة فوق هذا المسقط.

يستخدم المهندسون والطيارون الأعداد الماخيَّة لوصف سرعة الطائرات التي تطير بسرعة قريبة أوأعلى من سرعة الصوت. والطائرة التي تحلق بسرعة تعادل ضعفي سرعة الصوت يعني أنها تطير بسرعة ماخ 2. وتستخدم أعداد ماخ لأن سرعة الصوت في الهواء ليست مقدارًا ثابتًا على الدوام، حيث تعتمد سرعة الصوت على ازدياد الطائرة ودرجة حرارة الهواء في الجوالمحيط. ينتقل الصوت عند مستوى سطح البحر وعند درجة حرارة 15°م بسرعة تبلغ 1,190 كم/س. وتقل سرعة الصوت عند الارتفاعات العالية حيث تكون درجة الحرارة أقل من درجة الحرارة عند مستوى سطـح البـحر. وعلى سبيـل المثـال، ينـتـقل الصـوت عنـد ازدياد 12,000م فوق سطح البحر بسرعة 1,060كم/س.

ويمكن الحصول على العدد الماخي بقسمة سرعة الطائرة على سرعة الصوت عند مستوى ازدياد الطائرة. وعلى سبيل المثال، فإن العدد الماخي لطائرة تطير بسرعة 1,190 كم/س عند ازدياد 12,000م هي 1,190 كم/س مقسومة على 1,060كم/س أو1,12 ماخ. ويعهد الطيران بسرعة أعلى من ماخ واحد، وهي سرعة الصوت باسم الطيران فوق الصوتي. أما الطيران بسرعة أقل من ماخ واحد فيعهد باسم الطيران الأبطأ من الصوت. الموجات الصدمية. هي اضطرابات الضغط الشديدة الناتجة عن طيران الطائرة بسرعة أعلى من سرعة الصوت. ولايمكن لاضطرابات الضغط حتى تتحرك أمام الطائرة لأن الاضطرابات تنتقل بسرعة أبطأ من سرعة الطائرة. وتتراكم اضطرابات الضغط مكونة موجة صدمية، وتتداخل الموجات الصدمية بعضها ببعض في مقدمة الطائرة ومؤخرتها.

تزيد الموجات الصدمية من قوة السحب على الطائرة. وتُصمَّم الطائرات الأسرع من الصوت بمميزات تساعدها في تخفيض قوة السحب، وأهم سمات التصميم في هذه الطائرة حتى تكون ذات مقدمة مدببة حادة، وحواف أجنحتها حادة ورقيقة مما يمكنها من اختراق الهواء بسهولة. ويمكن للأجنحة حتى تأخذ زوايا في الاتجاه الخلفي من جسم الطائرة لتقليل قوة السحب بصورة أكبر. وتحتاج الطائرات الأسرع من الصوت إلى نفاثات قوية أومحركات صاروخية للتغلب على قوة السحب العالية الناتجة عن الموجات الصدمية.

الفرقعة الصوتية

بعد طيران الطائرة الأسرع من الصوت على مكان ما، يسمع الناس في هذا المكان دويًا أو(فرقعة). وهذا الصوت المسمى بالفرقعة الصوتية يماثل صوت الانفجار. وتنتج الفرقعات الصوتية عن الموجات الصدمية من الطائرة. ويمكن سماع انفجارين صوتيين صادرين من الطائرة نفسها بفاصل دقيقة أودقيقتين بين جميع انفجار وآخر. وتولد الطائرة التي تطير بسرعة أعلى من سرعة الصوت في الأقل موجتين صدميتين إحداهما في مقدمة الطائرة والثانية في مؤخرتها. لكن يمكن حتى تصل كلتا الموجتين في وقت متقارب بحيث يسمع دوي صوتي واحد.

يمكن حتى تكون الفرقعات الصوتية قوية إلى درجة تؤدي إلى تحطيم زجاج النوافذ وتصدع المباني. وتعتمد قوتها على العدد الماخي لطيران الطائرة وارتفاعها وشكلها. وحدثا زادت السرعة وانخفض مستوى الطيران زادت قوة الموجة الصدمية وارتفعت الفرقعة الصوتية.

فرضية الاستمرار

قوانين الحفظ

Incompressible aerodynamics

تدفق الصوت

Compressible aerodynamics

تدفق الصوت

تدفق فوق صوتي

تدفق فرط صوتي

طبقات الحدود

Turbulence

الديناميكا الهوائية في مجالات أخرى

انظر أيضا

المصادر

عبد الهادي الزين. "تحريك الهواء". الموسوعة العربية.

قراءات إضافية

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع [[commons: Category:Aerodynamics | Aerodynamics ]].

• NASA Beginner's Guide to Aerodynamics
• Aerodynamics for Students
• Applied Aerodynamics: A Digital Textbook
• Aerodynamics and Race Car Tuning
• Aerodynamic Related Projects
• Supersonic wing design
• eFluids Bicycle Aerodynamics
• Application of Aerodynamics in Formula One (F1)
• Aerodynamics in Car Racing
• Aerodynamics of Birds
• Aerodynamics and dragonfly wings