ساخت گلایدر، جلسه اول

معرفی و آشنایی

موضوع پروژه: آشنایی با چند اصطلاح و قانون هوافضایی و اساس پرواز یک جسم در هوا

اهداف: شامل اهداف رفتاری و آموزشی

دانش:

• شناخت تعاریف اولیه هوافضایی
• آشنایی با نیروهای عملگر در جسم پرنده و چگونگی آن ها
• آشنایی با چوب بالسا

مهارت:

تمرین جمع آوری اطلاعات ، از راه پرسشنامه، به روش آمارگیری

وسائل مورد نیاز: -----------------------------------

زمان عملیاتی: یک ساعت و نیم

روند کار:

1-1- اصطلاحات و قوانین :

الف) آیرودینامیک:  1 و 2

آیرودینامیک در اصطلاح لغوی به معنی "دینامیک هوا" است. این علمی است که تعاریف ما را از هوا، نیروها و عمل ها و عکس العمل های آن در خود جا داده است و ما به کمک آن در سیالی به نام هوا شیئ را به پرواز درمی آوریم. همه ی تعاریف و قوانین آیرودینامیکی توسط طبیعت به ما دیکته شده است.

ب) نتیجه قانون برنولی: (قانون شاره)

طبق این قانون نتیجه می شود که اگر سیالی در یک شاره سرعتش زیاد شود فشارش کم می شود و اگر سرعتش کم شود فشارش زیاد می شود.

پ) بالواره یا ایرفویل (airfoil):

بال، سطح مقطع بخصوصی دارد که به آن ایرفویل (AirFoil) می گویند.

به جلوترین قسمت بالواره لبه حمله می گویند (ابتدای بال) که در شکل فوق با اسم Leading edge نشان داده شده است.

ث) لبه فرار ( Trailing edge ):

به انتهایی ترین قسمت بالواره لبه فرار گفته می شود ( انتهای بال) که در شکل فوق با نام Trailing edge نشان داده شده است.

ج) وتر بالواره ( chord ):

خطی فرضی است که لبه حمله (نوک بال) را به لبه فرار ( عقب ترین قسمت بالواره) وصل می کند.

چ) زاویه حمله ( Angle of attack):

زاویه بین وتر بال با جهت نسبی باد را زاویه حمله می گویند.

ح) اصل چسبندگی:

طبق این اصل هر گاه دو مولکول از یک سیال در حال حرکت به مرز جسمی با دو سطح برسند به طوری که هر کدام مجبور به عبور از یک مسیر بشوند آنگاه این دو مولکول همزمان به انتهای این جسم خواهند رسید.

1-2- اساس پرواز یک جسم در هوا:

• نیروها در یک هواپیما:

حال باید این موضوع را بررسی کنیم که چه چیزی به بالهای هواپیما اجازه می دهد تا آن را در هوا نگاه دارد. به شکل زیر به دقت توجه کنید.

1- نیروی پیشران (Trust): نیرویی است که برای غلبه بر نیروی پسار ، معمولا توسط موتور جت هواپیما یا ملخهای هواپیما تولید می شود و هواپیما را به جلو می راند. در شکل فوق نیروهای پیشران را می بینید که هواپیما را به سمت جلو می راند ( یک موتور ملخ دار، شبیه یک پنکه عمل کرده و هوا را از میان تیغه های خود عبور می دهد و با این کار نیروی لازم را تامین می کند)

2- وزن(Weight): نیرویی که از طرف میدان گرانشی زمین بر جسم پرنده وارد می شود .این یکی از آسانترین مفاهیم پرواز است. به طور مثال هواپیمای بویینگ 747 نزدیک به 435 تن وزن دارد که باند پرواز باید تحمل این وزن را داشته باشد.

• این نیرو به مرکز ثقل جسم وارد می شود.

3- نیروی پسار (Drag): یک نیروی آیرودینامیکی است که در برابر حرکت جسم در سیال (آب یا هوا) مقاومت می کند. اگر در هنگام حرکت اتومبیل دست خود را از پنجره بیرون برده باشید می توانید شکل ساده ای از این نیرو را تجربه کنید. مقدار نیرویی که به دست شما وارد می شود به بزرگی دستتان، سرعت هوا نسبت به اتومبیل و غلظت هوا بستگی دارد. هرچه سرعت کمتر شود شما راحت تر دستتان را تکان می دهید.

نیروی Drag به دلیل اصطکاک با هوا به وجود می آید وبه عوامل زیر بستگی دارد:

1- چگالی هوا

2- سرعت جسم پرنده نسبت به هوا

3- مساحت

4- ضریبی که این رابطه را به تساوی تبدیل می کند ضریب Drag نامیده شده وبا Cd نمایش داده می شود که یک کمیت بدون بعد است.

4- نیروی برآ (Lift): این نیرو، نیرویی آیرودینامیکی است و پیچیده ترین نیروی است که با آن مواجه هستیم. در اصل این نیروست که هواپیما را در آسمان نگاه می دارد و باعث خنثی شدن نیروی وزن هواپیما می شود.

تشریح فیزیکی نیروی برآ توضیح می دهد که نیروی برآ یک نیروی عکس العملی است به طوری که بالها این نیرو را با به پایین فرستادن هوا تولید می کنند.

 نیروی برآ در بالها:

به شکل زیر با دقت نگاه کنید:

 گوی بالایی و گوی پایینی هردو باید مسیر را طی کرده و با هم به انتهای مسیر (لبه فرار) برسند( اصل چسبندگی). حال واضح است که گوی بالایی باید مسیر طولانی تری را طی کند ولی چون باید با گوی پایینی به طور هم زمان به لبه فرار برسد پس باید دارای سرعت بیشتری باشد. حال اگر به نتیجه قانون برنولی (قانون شاره) که می گوید اگر سیالی در یک شارع سرعتش زیاد شود فشارش کم می شود دقت کنیم معما حل می شود.

به طور کلی می توان گفت که نیروی Lift به عوامل زیر بستگی دارد:

1- سرعت جسم نسبت به سیال؛

2- چگالی سیال؛

3- مساحتی از جسم پرنده که در سیال شناور است؛

4- ضریبی که این تناسب ها را به تساوی تبدیل می کندضریب Lift نامیده می شود و با Cl نمایش داده می شود.

1-3- پایداری و تعادل پرواز (Stability and Balance):

پایداری برای یک هواپیما بدان معناست که اگر توده ای از هوا باعث تغییر در حالت فعلی(مانند تغییر جهت) آن شد، یک نیروی بازگرداننده در آن به وجود بیاید و آن را به حالت اولیه بازگرداند و متعادل شود. نکته ای که باید اینجا ذکر شود این است که پایداری (Stability) با تعادل (Balance) فرق می کند. هواپیما زمانی متعادل است که گشتاور (چرخش) خالصی به آن وارد نشود. ولی پایداری همان طور که در بالا گفتیم تمایل هواپیما برای بازگشت به حالت قبلی خود پس از مواجهه با اغتشاش هوا است.

1-4 گلایدر چیست و چه تفاوتی با هواپیمای مدل دارد؟

گلایدر نوع خاصی از هواپیماست که موتور ندارد و از نیروهای آیرودینامیکی و شکل خاص خود کمک می گیرد تا در هوا سر بخورد. گلایدر در لغت به معنی چیزی است که سر می خورد یا گلاید (Glide) می کند. 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 نیروی پیشران ندارد و 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 تامین می کنید.

1-5- اطلاعاتی راجع به چوب بالسا:

هواپیماهای مدل نیز مانند سایر وسایل پرنده دیگر، چه بزرگ و چه كوچك، از این قانون مستثنی نیستند. وسیله پرنده هر چه سبك تر ساخته شود، بهتر پرواز خواهد كرد. با داشتن این نكته در ذهن، درك اینكه چرا چوب بالسا به عنوان مصالح استاندارد در ساخت مدل بكار گرفته شده است آسان است. نسبت بسیار خوب مقاومت به وزن آن، مدل كاران را قادر ساخته كه مدل هایی را بسازند كه كاملاً شبیه دنیای واقعی پرواز كنند. چوب بالسا همچنین ضربه و لرزش را بخوبی جذب می كند و به آسانی توسط ابزارهای ساده دستی قابل بریدن، شكل دادن و چسباندن است.

الف) چرا چوب بالسا این قدر سبك است؟

راز سبكی چوب بالسا را فقط می توان با میكروسكوپ مشاهده نمود. سلول های چوب بسیار بزرگ بوده و دارای دیواره نازكی هستند و در نتیجه نسبت بخش های جامد به بخش های خالی چوب، حداقل ممكن است. اكثر چوب ها دارای ماده پلاستیك مانندی بنام Lignin هستند كه سلول ها را بهم متصل نگه داشته است. در بالسا این ماده بسیار كم و در حداقل است. تنها 40 درصد حجم یك تكه بالسا را مواد جامد تشكیل می دهد.

برای اینكه درخت بالسا مقاومت لازم برای ایستادن در جنگل را داشته باشد، طبیعت درون سلول های چوب را با آب پر می كند و این باعث می شود كه چوب محكم شود، مانند لاستیك ماشین كه پر از هوا باشد. درخت بالسا تا پنج برابر مواد چوب در خودش آب دارد در حالی كه اكثر چوب های سخت دیگر، مقدار بسیار كمی آب در مقایسه با مواد جامد چوب دارند. بنابراین چوب درخت بالسا باید بعد از بریدن به دقت خشك شود. روند خشك كردن تنه درخت حدود دو هفته طول می كشد تا اینكه رطوبت چوب فقط به شش درصد برسد. این پروسه همچنین باعث كشته شدن هر گونه باكتری یا حشره موجود در درون چوب نیز می گردد.

ب) چوب بالسای خشك شده چقدر سبك است؟

چوبهای بالسای آماده شده، مانند آنچه در كیت های هواپیماهای مدل می بینید، وزن های مختلفی دارند. چگالی آنها می تواند از 0.06 تا 0.38 گرم در سانتیمتر مكعب متغیر باشد. اما چوبی كه بطور تجاری در ساخت هواپیماهای مدل بكار می رود، دارای چگالی بین 0.09 تا 0.28 گرم در سانتیمتر مكعب است . وزن بین 0.12 تا 0.19 را بعنوان وزن متوسط در نظر می گیرند و بیشتر در دسترس است. وزن 0.09 یا كمتر بسیار كمیاب است و گاهی نیز اصلا نمی توان آن را پیدا كرد.

پ) آیا بالسا سبكترین چوب در جهان است؟

نه. اكثر مردم متعجب می شوند وقتی می شنوند كه از نظر گیاه شناسی، چوب بالسا سومین یا چهارمین چوب سبك در دنیا است. اما چوب هائی كه سبكتر از بالسا هستند، بسیار شكننده و ضعیفند و برای انجام هیچ كار عملی مناسب نیستند. برخی از انواع این چوب های سبك ، اصلا شباهتی به چوب، آنطور كه ما تصور داریم ندارند و بیشتر شبیه یك گیاه علفی هستند. تنها بالسا است كه مقاومت و سبكی را با هم دارد. در واقع اغلب اوقات از بالسا بعنوان قویترین چوب نسبت به وزنش یاد می شود. در مقایسه با وزن، چوب بالسا از كاج و حتی بلوط هم محكم تر است.

ت) انتخاب بالسا برای ساختن مدل:

اكثر فروشگاه های مدل، چوب بالسا را در شكل های میله، ورقه (شیت) و بلوك به فروش می رسانند كه با توجه به نیاز خود در ساخت ، می توانید قطعات مورد نیازتان را از میان آن ها انتخاب كنید. به خاطر ماهیت چوب بالسا، این قطعات دارای وزن های متفاوت خواهند بود. در انتخاب چوب بالسا باید موارد كاربرد و استفاده آن ها را در ذهنتان داشته باشید. بطور منطقی باید از قطعات سبك تر در قسمت هایی كه استرس و فشار كمتری را متحمل می شوند استفاده كنید و از قطعات سنگین تر و مقاوم تر در بخشهای مهم تر كه استرس و نیروی بیشتری بر آن ها وارد می شود استفاده نمائید.

تکلیف: در مورد واژه های زیر اطلاعاتی کسب کنید:

1. جریان سیرکلاسیون در بال 2. تیپ سر بال 3. DRAG القایی 4. فرمول محاسبه ی نیروی برآر

محل بازدید/ اردو/ خرید: -----------------------------------

منابع مطالعه: -------------------------------------------------

مرجع کمکی: فایل introduction to aerospace.ppt

مطالب مرتبط:

جلسه اول: گلایدر،تاریخچه پرواز، معرفی و آشنایی

جلسه دوم: آشنایی با گلایدر سازه ای

جلسه سوم: ساخت بدنه و تهیه ی ابزارآلات و لوازم مورد نیاز

جلسه چهارم: ساخت بال گلایدر

جلسه پنجم: نهایی سازی گلایدر

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نسرین صادقی