كيف تبقى الطائرة في الهواء؟ سواء كنت قد فكرت في هذا السؤال أثناء الطيران أم لا، فإنه يظل موضوعًا رائعًا ومعقدًا. فيما يلي نظرة سريعة على الفيزياء المتعلقة برحلة الطائرة، بالإضافة إلى لمحة عن المفهوم الخاطئ المحيط بالموضوع أيضًا.

أولاً، تصور طائرة — طائرة تجارية، مثل طائرة نقل بوينغ أو إيرباص — تحلق في رحلة ثابتة عبر السماء. تنطوي تلك الرحلة على توازن دقيق بين القوى المتعارضة. يقول هولجر بابينسكي، أستاذ الديناميكا الهوائية في جامعة كامبريدج: "تنتج الأجنحة قوة الرفع، ويعمل الرفع على موازنة وزن الطائرة".

يقول ويليام كروسلي، رئيس كلية الطيران والملاحة الفضائية في جامعة بوردو: "يجب أن تكون قوة الرفع هذه مساوية أو أكبر من وزن الطائرة، وهذا ما يبقيها في الهواء".

وفي الوقت نفسه، تمنحها محركات الطائرة الدفع الذي تحتاجه لمواجهة السحب الذي تتعرض له نتيجة احتكاك الهواء المحيط بها. "أثناء طيرانك للأمام، يجب أن يكون لديك قوة دفع كافية لتساوي على الأقل قوة السحب - يمكن أن تكون أعلى من قوة السحب إذا كنت تتسارع؛ "يمكن أن يكون أقل من السحب إذا كنت تبطئ السرعة - ولكن في الطيران الثابت والمستوي، فإن الدفع يساوي السحب،" يلاحظ كروسلي.

إن فهم كيفية إنتاج أجنحة الطائرة للرفع في المقام الأول هو أمر أكثر تعقيدًا بعض الشيء. يقول بابينسكي: "وسائل الإعلام بشكل عام تسعى دائمًا للحصول على تفسير سريع وبسيط". "أعتقد أن هذا أوصلنا إلى الماء الساخن." أحد التفسيرات الشائعة، وهو خاطئ، يقول: الهواء المتحرك فوق الجزء العلوي المنحني للجناح يجب أن يسافر مسافة أطول من الهواء المتحرك تحته، ولهذا السبب، فإنه يتسارع لمحاولة مواكبة الهواء الموجود عليه. الجزء السفلي - كما لو أن جزيئتين من الهواء، أحدهما يمر فوق الجزء العلوي من الجناح والآخر يمر تحته، يجب أن يظلا متصلين بطريقة سحرية. حتى أن ناسا لديها صفحة ويب مخصصة لهذه الفكرة، ووصفتها بأنها "نظرية الجنيح غير الصحيحة".

إذن ما هي الطريقة الصحيحة للتفكير في الأمر؟

إحدى الطرق البسيطة للغاية لبدء التفكير في هذا الموضوع هي أن تتخيل أنك تجلس في مقعد الراكب في السيارة. افرد ذراعك للخارج بشكل جانبي، في مواجهة الريح القادمة، مع وضع راحة اليد للأسفل والإبهام للأمام، واليد موازية للأرض. (إذا كنت تفعل ذلك في الحياة الواقعية، فيرجى توخي الحذر.) الآن، قم بإمالة يدك للأعلى قليلًا من الأمام، بحيث تلتقط الريح الجانب السفلي من يدك؛ إن عملية إمالة يدك للأعلى تقارب مفهومًا مهمًا للأجنحة تسمى زاوية الهجوم.

يقول بابينسكي: "يمكنك أن تشعر بوضوح بقوة الرفع". في هذا السيناريو المباشر، يضرب الهواء الجزء السفلي من يدك، وينحرف إلى الأسفل، وبالمعنى النيوتوني (انظر القانون الثالث)، يتم دفع يدك إلى الأعلى.

اتبع المنحنى

لكن الجناح، بالطبع، لا يشبه شكل يدك، وهناك عوامل إضافية يجب أخذها في الاعتبار. هناك نقطتان رئيسيتان يجب أخذهما في الاعتبار فيما يتعلق بالأجنحة، وهما أن مقدمة الجناح - الحافة الأمامية - منحنية، وبشكل عام، فإنها تأخذ أيضًا شكلًا يسمى الجنيح عندما تنظر إليها في المقطع العرضي.

يقول بابينسكي إن الحافة الأمامية المنحنية للجناح مهمة لأن تدفق الهواء يميل إلى "اتباع سطح منحني". ويقول إنه يحب إظهار هذا المفهوم من خلال توجيه مجفف الشعر إلى الحافة المستديرة للدلو. سوف يلتصق تدفق الهواء بالسطح المنحني للدلو ويدور، وربما يطفئ شمعة على الجانب الآخر مسدودة بالدلو. إليك مقطع فيديو قديم ساحر يبدو أنه يوضح نفس الفكرة. ويشير إلى أنه "بمجرد أن يلتصق التدفق بالسطح المنحني، فإنه يحب أن يظل مرتبطًا - [على الرغم من] أنه لن يظل مرتبطًا إلى الأبد".

بالنسبة للجناح - وتصوره مائلًا إلى الأعلى إلى حدٍ ما، مثل يدك خارج نافذة السيارة - فإن ما يحدث هو أن الهواء يصطدم بالحافة الأمامية المستديرة. يقول: "على السطح العلوي، سوف يلتصق الهواء بنفسه، وينحني، ويتبع في الواقع هذا السقوط، زاوية الهجوم تلك، بشكل جيد للغاية".

حافظ على الضغط المنخفض للأشياء

في النهاية، ما يحدث هو أن الهواء المتحرك فوق الجزء العلوي من الجناح يلتصق بالسطح المنحني ويدور، أو يتدفق إلى الأسفل إلى حد ما: تتشكل منطقة الضغط المنخفض، ويتحرك الهواء أيضًا بشكل أسرع. وفي هذه الأثناء، يضرب الهواء الجانب السفلي من الجناح، مثلما تضرب الريح يدك أثناء خروجها من نافذة السيارة، مما يخلق منطقة ضغط مرتفع. فويلا: الجناح لديه منطقة ضغط منخفض فوقه، وضغط أعلى أدناه. يقول بابنسكي: "إن الفرق بين هذين الضغطين يعطينا قوة دفع".

ويشير بابنسكي إلى أن منطقة الضغط المنخفض فوق الجناح يتم بذل المزيد من العمل مقارنة بمنطقة الضغط الأعلى الموجودة أسفل الجناح. يمكنك التفكير في الجناح على أنه يحرف تدفق الهواء نحو الأسفل في الأعلى والأسفل. على السطح السفلي للجناح، يكون انحراف التدفق “في الواقع أصغر من انحراف التدفق على السطح العلوي”. السطح "، يلاحظ. يقول بابينكسي: "إن القاعدة الأساسية لمعظم الجنيحات هي أن ثلثي قوة الرفع تتولد هناك [على السطح العلوي]، وأحيانًا أكثر من ذلك".

هل يمكنك جمع كل ذلك معًا للمرة الأخيرة؟

بالتأكيد! تشرح جلوريا ياموتشي، مهندسة الفضاء الجوي في مركز أبحاث أميس التابع لناسا، الأمر بهذه الطريقة. «لذلك لدينا طائرة، تحلق في الهواء؛ يقترب الهواء من الجناح؛ وتقول: "يتم تشغيله بواسطة الجناح عند الحافة الأمامية". (تعني بكلمة "استدار" أنه يغير اتجاهه، مثل الطريقة التي تجبر بها السيارة التي تسير على الطريق الهواء على تغيير اتجاهه للالتفاف حوله.) "تتغير سرعة الهواء أثناء مروره فوق سطح الجناح، فوق و تحت."

وتتابع قائلة: "إن السرعة فوق الجزء العلوي من الجناح، بشكل عام، أكبر من السرعة الموجودة أسفل الجناح، وهذا يعني أن الضغط فوق الجناح أقل من الضغط الموجود أسفل الجناح، وهذا الاختلاف في الضغط يولد قوة رفع للأعلى."

هل يدور رأسك باستمرار بأسئلة غريبة ومثيرة للعقل؟ إذا كنت قد تساءلت يومًا مما يتكون الكون، وماذا سيحدث إذا سقطت في ثقب أسود، أو حتى لماذا لا يستطيع الجميع لمس أصابع قدميه، فيجب عليك التأكد من الاستماع والاشتراك في البودكاست اسألنا عن أي شيء من محرري مجلة Popular Science. يصل تطبيق "اسألنا عن أي شيء" إلى Apple وAnchor وSpotify وفي أي مكان آخر تستمع فيه إلى البودكاست كل يوم ثلاثاء وخميس. تتعمق كل حلقة في استعلام واحد نعلم أنك سترغب في الاستمرار فيه.