ساخت هواپیمای مدل گلایدر - جلسه اول

اهداف:

آشنایی با مفاهیم کلیدی پروژه
آشنایی با نحوه پرواز گلایدر
آشنایی با نقشه گلایدر و ابزار مورد نیاز برای ساخت آن

وسایل مورد نیاز:

تخته برای رسم شکل ها

مقدمه

در دو جلسه ی اول پروژه «ساخت گلایدر» قصد داریم به شرح کلیات و تعریف دقیق پروژه بپردازیم.
در جلسه ی اول به مفاهیم و روابط کلی در مورد نیروهای وارد بر جسم پرنده از قبیل «نیروی برآ» و «نیروی پسا» و هم چنین چگونگی پرواز می پردازیم و مفهوم گلایدر، شکل و ساختار کلی آن را مطرح می کنیم.

در جلسه ی دوم ابزار مورد نیاز برای ساخت گلایدر و هم چنین نقشه ی گلایدر مورد نظر این پروژه و نحوه ی خواندن نقشه را توضیح می دهیم. در تمام بحث های زیر به خود فرصت دهید و به سۆالات فکر کنید و پاسخ های خود را برای ما ارسال نمایید. بر روی سۆالات داخل گیومه تأکید بیشتری داشته باشید.

تاریخچه گلایدر

تاریخچه ی ساخت گلایدر از تاریخ پیدایش و سیر تکاملی هواپیما مجزی نیست. بشر همواره تلاش کرد تا هواپیمایی مناسب با نیازهای ماموریتی خویش طراحی کرده و بسازد. هواپیمایی برای حمل مسافر, پرنده ای برای جاسوسی, جنگنده ای برای دفاع از حریم هوایی و . . . هواشناسی نیز ماموریتی قابل اهمیت بوده که برای انجام آن راه های فراوانی پیشنهاد و طراحی شده است. یک هواپیمای بدون موتور به راحتی می تواند ازعهده این ماموریت برآید. بنابراین در برخی از نیازهای بشر به پرنده های دست ساز خویش، سیستم پیش برندگی کارایی خویش را از دست داده و وجودش لازم نخواهد بود. حتی تفریح با این نوع خاص از هواپیما(گلایدر) امکان پذیر می باشد.

شرکت هواپیماسازی شوایزر (Schweizer) ،که از قدیمی ترین شرکت های هواپیمایی در دنیا می باشد و شصت و هفتمین سال عمر خود را طی می کند، سازنده ی یکی از نخستین گلایدر ها در سال 1930 می باشد. این گلایدر که (SGP1-1) نامگذری شد، در 19 ژوئن به پرواز در آمد. ساخت این گلایدر 135 دلار هزینه در بر داشت.

مطالب کامل تر در زمینه تاریخچه گلایدر را در فایل منابع مطالعه در انتهای مطلب دریافت نمایید.

پرواز بدون موتور

به نظر شما گلایدر به چه معنا است؟ چرا به این نوع هواپیما ها "مدل گلایدر" می گویند؟
گلاید به معنای سُر خوردن و گلایدر به مدل هایی از هواپیما گفته می شود که بدون داشتن موتور، پس از پرتاب قادر باشد مدتی پرواز کند. (هواپیمای بدون موتور)
آیا تا کنون فکر کرده اید که هواپیما می تواند بدون موتور پرواز کند؟ آیا تا کنون به پرواز پرندگان هنگامی که بال نمی زنند دقت کرده اید؟ به نظر می رسد که در هوا سُر می خورند. آیا پرنده برای پرواز همواره باید بال بزند؟ از مشاهده پرواز پرندگان پیداست که پاسخ این سئوال منفی است و می توان برای مدت نسبتاً طولانی در هوا سُر خورد و پیش رفت، اما چگونه؟

1. "چه نیرویی پرنده را در هوا نگه می دارد؟ "

توضیح : همه می دانیم که هوا از مولکول ها تشکیل شده است. این ذرات هوشمند از وجود جسم خارجی به سرعت با خبر می شوند. هنگامی که از وزن جسم نیرویی رو به پایین به مولکول های هوا وارد می کند ، مولکول ها نیروی تکیه گاه در جهت مخالف (رو به بالا ) به آن وارد می کنند.
برای درک بهتر این مطلب می توانید دیاگرام آزادی بکشید و نیروی وزن رو به پایین و تکیه گاه رو به بالا را در آن نشان دهید. نیروی وزن را بزرگ تر از نیروی تکیه گاه رسم کنید. حال:

2. "چگونه ممکن است نیروی رو به بالا یا نیروی تکیه گاه آن قدر زیاد شود که جسم را در هوا نگه دارد ؟ "

توضیح : اگر جسم نسبت به وزن خود سطح تماس گسترده ای با مولکول های هوا داشته باشد، عکس العمل مولکول های هوایی که با سطح در تماس اند بیشتر می شود و نیروی تکیه گاه بزرگتری به جسم وارد می گردد . در نتیجه جسم از طبیعت کمک گرفته و مدتی در هوا باقی می ماند.

3. " اگر این جسم یک پرنده باشد، آیا می توانید بگویید چه عضوی وزن آن را تحمل می کند؟ "

توضیح : برای این که پرنده به پرواز در آید و به پرواز خود تداوم بخشد به بال احتیاج دارد. بال وسیله ای است که نیروی وزن را خنثی می کند.

4. " بال چگونه این کار را انجام می دهد؟ " (در این جا بال زدن مد نظر نیست بلکه فقط بال های گسترده شده و بی حرکت مورد نظر است! مانند آنچه در شکل بالا دیده می شود.)

توضیح : عملکرد بال بسیار ساده است؛ قوانین نیوتن! (قانون اول نیوتون و قانون دوم F = ma و قانون سوم ) هوا به عنوان یک سیال طبق قانون اول نیوتن دارای اینرسی است یعنی وقتی در حرکت است تمایل به ادامه ی این حرکت دارد. وقتی یک جسم (در اینجا بال) در مسیر حرکت هوا قرار می گیرد، جریان هوا شکل خود را با آن تطبیق می دهد. گویی آن را دور می زند. این عمل یکنواختی حرکت هوا را برهم می زند. یعنی هوا شتاب می گیرد. طبق قانون دوم نیوتن می دانیم که باید به جسمی که حرکت یکنواخت دارد نیرو وارد شود تا تغییر جهت بدهد و شتاب بگیرد. در این جا بال مانند همان نیرویی است که به هوا وارد می شود و می خواهد جهت آن را تغییر دهد. این نیرو طبق قانون سوم نیوتن عکس العملی برابر و در خلاف جهت از طرف هوا دارد که به آن "نیروی برآ" یا "لیفت (Lift)" می گوییم. "نیروی برآ" اولین کلمه ی کلیدی "آیرودینامیک" است که با هم در این پروژه تعریف می کنیم.

آیرودینامیک چیست؟

آیرودینامیک در کلمه به مفهوم "دینامیک هوا" است. این علمی است که تعاریف ما را از هوا، نیروها و عمل ها و عکس العمل های آن در خود نگه داری می کند و ما به کمک آن در سیالی به نام هوا چیزی را به پرواز درمی آوریم. همه ی تعاریف و قوانین آیرودینامیکی توسط طبیعت به ما دیکته شده است.

به سئوالات زیر دقت کنید:

5. " آیا می توانید جهت این نیرو (نیروی برآ ) را نشان دهید؟ "

توضیح : همان طور که قبلاً گفتیم وظیفه ی این نیرو خنثی کردن وزن است پس جهت آن خلاف جهت وزن است. اگر دقیق تر باشیم، همه ی نیروها علاوه بر مقدار دارای جهت نیز هستند یعنی بردار هستند. پس نوک بردار "نیروی برآ" رو به بالا و در خلاف جهت بردار وزن که سر آن همواره رو به پایین است می باشد. وقتی ما پرنده ای باشیم که ارتفاع خود را در هوا تغییر نمی دهد و از بال های خود استفاده نمی کند و تنها آن ها را گسترده است، اندازه ی این بردار دقیقاً برابر بردار وزن ماست.

6. "آیا هنگام وزیدن نسیم به جریان هوایی که به صورتتان برخورد می کند دقت کرده اید؟ چه نتیجه ای می گیرید؟ آیا این هوا دارای انرژی است؟ (مسلماً بلی.) آیا به یاد دارید که این انرژی از چه نوعی است؟ (انرژی جنبشی) و پس از برخورد چه می شود؟ (قدری از آن مصرف می شود؛ یعنی هوا در مقابل شما مقاومت کرده و شما این را در یک روز طوفانی هنگامی که برای راه رفتن تلاش می کنید احساس کرده اید!)

توضیح : این مقاومت هم نوعی نیرو است که صرف غلبه بر وزن نمی شود، بلکه نوعی سماجت در برابر حضور ماست. حال اگر ما پرنده ای که گفتیم باشیم، با یک نیروی دیگر که منشاء آن مولکول های هوا هستند طرف هستیم . اسم این نیرو "نیروی پسا" یا "درگ (Drag) " است. "نیروی پسا" دومین مفهوم کلیدی در "آیرودینامیک" است. این نیرو برداری هم برداری است که جهت آن خلاف جهت حرکت است. (به شکل زیر توجه کنید) این دو مفهوم، برآ و پسا ، به ما کمک می کنند که هواپیمایی بسازیم که در هوا سُر می خورد بی آنکه موتور داشته باشد! ( به شکل زیر دقت نمایید)

یک نیروی اضافی در شکل می بینید که جهت بردار آن خلاف جهت "نیروی پسا" است، اسم این نیروی سوم "نیروی پیش برنده" است که اگر مثل حالت مورد نظر ما هواپیما موتور نداشته باشد، آن را نداریم.

7. "خوب در این صورت چه اتفاقی می افتد؟

توضیح : چون در این صورت فقط مقاومت یا همان پسا به پرنده ما وارد می شود، پس انرژی جنبشی در حال مصرف است و سرانجام هواپیما متوقف می شود. این یک اصل کلیدی در پرواز بدون موتور است که می خواهیم آن را تا جای ممکن به تعویق بیاندازیم و هواپیمامان را در هوا نگه داریم.

اما هواپیماهایی که ما می شناسیم سنگین تر از آن به نظر می رسند که بتوانند سُر بخورند! سُر خوردن با شکلی مانند هواپیمای مسافربری ممکن نیست. برای سُر خوردن باید شکل بخصوصی را رعایت کنیم.

8. چه پیشنهادی دارید؟ با استفاده از آنچه یاد گرفته اید کدام نیروها باید افزایش و کدام یک باید کاهش پیدا کند؟

توضیح : همان طور که گفتیم "نیروی برآ" وزن را تحمل می کند پس هر چه عکس العمل هوا به جسم پرنده بیشتر باشد بهتر است. به یاد دارید که بال ها مسئول تولید "نیروی برآ" هستند. پس هر چه از دید هوا بال ها بزرگ تر باشد، عکس العمل بزرگتری به آن وارد می کند. اولین مشخصه ی یک هواپیمای بدون موتور که در هوا سر می خورد. بال های بزرگ آن است. می توان آن را با پرنده ای که سُر می خورد مقایسه کرد. به بال های پرنده توجه کنید. برای به دست آوردن سایر ویژگی های پرواز بدون موتور نیز هواپیما را با پرنده مقایسه کنید. بدن سبک، دم و... برای اینکه بتوانیم هواپیمای بدون موتور خود را بسازیم باید مفهوم دیگری را بیاموزیم.

(از این پس به این هواپیما "گلایدر" (Glider) می گوییم به معنی چیزی که سُر می خورد یا گلاید (Glide) می کند.)

برای تکمیل گلایدر خود لازم است بدانیم آیا بال هواپیما مانند یک صفحه تخت است؟ و این که سطح مقطع آن چه شکلی دارد؟ بال سطح مقطع بخصوصی دارد که به آن "ایرفویل" (AirFoil) می گویند. نیروهای محبوب ما در پرواز، نیروهایی هستند که ما را در هوا نگه دارد و پیش ببرند. این نیروها "نیروی برآ" و "نیروی پیش برنده" هستند. وجود ایرفویل به افزایش این نیروها کمک می کند.
شما فعلاً با این مفهوم آشنا می شوید تا در هنگام ساخت توضیح داده شود. هدف آن است که شما بدانید در ساخت گلایدر خود با یک صفحه ی تخت به عنوان بال سر و کار ندارید!
به شکل های زیر دقت نمایید.

شکل فوق از بالا به پایین به ترتیب شکل یک ایرفویل و جریان هوای روی آن و شکل بال و جریان هوای روی آن اکنون تمام مفاهیم لازم برای انجام پروژه را در دست دارید.

9. به نظر شما آیا می توانید مفهوم گلایدر را توضیح دهند؟

توضیح : گلایدر نوع خاصی از هواپیما است که موتور ندارد و از نیروهای آیرودینامیکی و شکل خاص خود کمک می گیرد تا در هوا سر بخورد. در مقایسه با یک هواپیمای موتور دار سه نیروی اصلی به گلایدر وارد می شود؛ "نیروی برآ" "نیروی پسا" و وزن. چون گلایدر فاقد موتور است سرانجام مقاومت هوا یا همان پسا باعث توقف آن می گردد. شما گلایدر خود را با دست پرتاب می کنید به این معنی که نیروی موتور را در لحظه ی پرتاب با دست برای گلایدر خود تأمین می کنید.

10. به نظر شما گلایدر سرعت لازم برای پرواز را چگونه به دست می آورد؟ مفهوم تبدیلات انرژی را به یاد بیاورید، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می شود و برعکس.

توضیح : گلایدر از همان پدیده اول کمک می گیرد. یعنی انرژی پتانسیل خود را صرف سرعت گرفتن می کند (همان انرژی جنبشی). به این ترتیب با کاهش ارتفاع سرعت گلایدر افزایش می یابد. بنابراین گلایدر همواره در حال کاهش ارتفاع است.

در پایان جلسه اول جزوه ی خود را تا پایان پروژه نگه دارید.

خلاصه ی جلسه دوم - ارائه نقشه ی گلایدر مورد نظر پروژه و تمرین نقشه خوانی - آشنایی با ابزار کارگاهی - ایمنی - مهارت ها

تکلیف 1: به ده سئوال مطرح شده در متن درس فکر کنید و پاسخ ها را برای ما ارسال نمایید.

تکلیف 2: نیروهای وارد بر بال را نام ببرید و برای هرکدام از مفاهیم زیر توضیح بیاورید. نتایج را برای ما ارسال نمایید.
مفاهیم گلایدر، نیروی برآ ، پسا و پیشران و ایرفویل، نحوه ی پرواز بدون موتور (سُرخوردن)، نقش بال پرندگان و خصوصیات آن.

محل بازدید/ اردو / خرید: برای این جلسه می توانید از پارک جنگلی کوهسار، نرسیده به جاده کن برای تماشای نمایش های هوایی بازدید کنید. برای اطلاع بیشتر صفحه معرفی شده ی زیر را مطالعه نمایید.

http://www.tebyan.net/2010/7/4/128445.html

منابع مطالعه: کتاب اصول و مفاهیم پرواز، تألیف: دیوید آندرسن و اسكات ابرهارت، مترجم: مهندس احسان اشرفی، نشر طراح، مطالب مفیدی در مورد اصول پرواز و نیروی برا و پیشرانش در هواپیما ارائه کرده است كه می تواند در درک مفاهیم مربوط به پرواز مفید واقع شود.