كيف يولد الجناح قوة الرفع.

يكتب المهندسون قوة الرفع لجناح في معادلة قصيرة واحدة:

L = ½ × ρ × V² × S × C_L

• ρ (الحرف اليوناني رو) هي كثافة الهواء. عند مستوى سطح البحر في الغلاف الجوي القياسي، تبلغ 1.225 kg/m³. وتنخفض مع الارتفاع.
• V هي سرعة الهواء، أي سرعة الطائرة بالنسبة إلى الهواء، بوحدة m/s. إذا كانت طائرة تطير عكس رياح أمامية سرعتها 10 m/s بسرعة 50 m/s فوق سطح الأرض، فإن سرعة الهواء تكون 60 m/s.
• S هي مساحة الجناح بوحدة m². مساحة جناح الطائرة اللعبة هي 16 m².
• C_L هو معامل الرفع، وهو عدد بلا وحدة. ويعبّر عن شكل الجناح وزاويته بالنسبة إلى تدفق الهواء.

يُسمّى الجزء ½ρV² الضغط الديناميكي q، ويُقاس بالباسكال. عند سرعة 50 m/s وعلى مستوى سطح البحر، q = 0.5 × 1.225 × 50² ≈ 1,531 Pa. عندها يكون الرفع ببساطة q × S × C_L. ومع C_L = 0.4: L ≈ 1,531 × 16 × 0.4 ≈ 9,800 N، وهو وزن الطائرة اللعبة. لذلك، عند سرعة 50 m/s، يمكنها الطيران أفقيًا مع C_L = 0.4.

ما الذي يفعله كل حد.

• تُربَّع السرعة. ضاعف السرعة، يصبح الرفع 4 مرات أكبر. وإذا جعلتها ثلاثة أمثالها، تحصل على رفع أكبر 9 مرات. لهذا تحتاج الطائرة إلى مسافة طويلة على المدرج.
• تؤثر الكثافة مباشرةً. نصف الكثافة يعطي نصف الرفع عند السرعة والزاوية نفسيهما. وعلى الارتفاعات العالية، يجب أن يطير الجناح بسرعة أكبر، أو يستخدم قيمة C_L أكبر، ليحمل الوزن نفسه.
• تؤثر المساحة مباشرةً. الجناح الأكبر يولّد رفعًا أكبر عند السرعة نفسها. تزيد القلابات كلًا من المساحة الفعالة وC_L عند الهبوط.

زاوية الهجوم. تقيس زاوية الهجوم α مدى انحدار التقاء الجناح مع الهواء القادم: وتُقاس من خط الوتر (وهو خط وهمي من الحافة الأمامية إلى الحافة الخلفية) إلى الاتجاه الذي يأتي منه الهواء. وهي ليست زاوية الطائرة بالنسبة إلى الأفق. في النطاق الخطي، يزداد معامل الرفع بثبات مع α. في النموذج المبسّط المستخدم هنا، C_L = 0.08 × (α + 5°)، لذلك يظل الجناح يولّد قليلًا من الرفع عند α = 0°، ولا يولّد أي رفع عند α = −5°. بعد نحو 15°، يتوقف الجناح عن الرفع ويظل C_L ثابتًا (الدرس 4).

بما أن قوة الرفع يجب أن تساوي الوزن، فإن الطائرة الأبطأ تحتاج إلى معامل رفع أكبر C_L، ومن ثم إلى زاوية هجوم أكبر α. بالنسبة إلى الطائرة اللعبة (9,810 N، 16 m²) في طيران مستوٍ: عند 80 m/s تحتاج إلى α ≈ −3°، وعند 50 m/s تحتاج إلى 0°، وعند 40 m/s تحتاج إلى 2.8°، وعند 30 m/s تحتاج إلى 8.9°، وعند 25 m/s تحتاج إلى 15°، أي عند الانهيار تمامًا.

لماذا يولّد الجناح قوة رفع أصلًا؟ هناك وصفان، وهما الفيزياء نفسها من منظورين مختلفين.

1. يوجّه الجناح الهواء إلى الأسفل (نيوتن). لكي يدفع الطائرة إلى الأعلى، يجب أن يدفع الجناح الهواء إلى الأسفل. قوة الرفع هي معدل منح الجناح للهواء زخمًا إلى الأسفل. تقدير تقريبي للطائرة اللعبة عند 50 m/s: يؤثر جناحها (باعه نحو 11 m) في أنبوب من الهواء بعرض يقارب ذلك، أي في نحو 5,800 kg من الهواء كل ثانية. ولإنتاج 9,810 N، تبلغ سرعة التيار الهوائي المتجه إلى الأسفل في المتوسط نحو 9,810 / 5,800 ≈ 1.7 m/s. هذا تيار لطيف، لكنه يتضمن كمية كبيرة من الهواء. (هذا تقدير تقريبي لرتبة المقدار مستند إلى الزخم، وليس قيمة دقيقة.)

2. يكون الضغط أقل في الأعلى وأعلى في الأسفل (برنولي). يتسارع الهواء المتدفق فوق السطح العلوي المنحني وينخفض ضغطه. والفرق في الضغط بين الجانبين، بعد جمع تأثيره على الجناح كله، هو قوة الرفع.

هاتان ليستا تفسيريْن متنافسين. فرق الضغط هو الطريقة التي يدفع بها الجناح الهواء، وتوجيه الهواء إلى الأسفل هو النتيجة. يوضح مختبر التدفق خطوط الانسياب والضغط على الجناح بالتفصيل، لذلك لا يكرر هذا المقرر شرح ذلك.