24-08-2020, 08:52 PM
«آیرودینامیک» (Aerodynamics) را عموما می‌توان به حرکت اجسام مختلف در هوا مرتبط دانست. قوانین حاکم بر آیرودینامیک نشان می‌دهند که چگونه یک هواپیما قادر به پرواز است. تمام اجسامی که در هوا حرکت می‌کنند، تحت تاثیر قوانین حاکم بر آیرودینامیک قرار دارند. این اجسام می‌توانند یک موشک در حال انفجار یا یک بادبادک در حال پرواز و حتی یک ماشین مسابقه باشند. در واقع زمانی که یک جسم متحرک توسط هوا احاطه شده باشد، علم آیرودینامیک در مورد آن به کار می‌رود.
این مطلب به صورت دقیق، ابتدا به بررسی تعریف علم آیرودینامیک و تاریخچه پیدایش آن می‌پردازد. در ادامه، مفاهیم پرکاربرد و مهم آن مورد بررسی قرار می‌گیرند و در نهایت کاربردهای مختلف این علم با ذکر چند مثال بیان می‌شوند.
آیرودینامیک چیست؟
همانطور که اشاره شد، آیرودینامیک دانشی است که به مطالعه اجسام متحرک در هوا و یا هوای متحرک اطراف اجسام می‌پردازد. زمانی که هوا از روی یک جسم با سرعت مشخصی عبور می‌کند، روی آن جسم اثرات مختلفی می‌گذارد. از جمله آن‌ها می‌توان به نیروهای آیرودینامیکی، لایه مرزی و نویز اشاره کرد.
توجه شود که محاسبه پارامترهای مختلف در علم آیرودینامیک را می‌توان از طریق اجرای آزمایش‌های تجربی در تونل های باد انجام داد. راه دیگر برای محاسبه پارامترهای آیرودینامیکی این است که معادلات حاکم بر سیال مانند معادله ناویر استوکس[/url] در علم دینامیک سیالات محاسباتی، به صورت عددی مورد مطالعه قرار بگیرند.
همانطور که اشاره شد، بسیاری از مفاهیم و معادلات حاکم در مکانیک سیالات، کاربرد بسیار زیادی در آیرودینامیک نیز دارند. از جمله این معادلات و مفاهیم می‌توان به معادلات پیوستگی و بقای جرم،معادلات ناویر استوکس،مومنتوم خطی مومنتوم زاویه ای ، مفهوم توربولانس، تئوری لایه‌مرزی و فرضیات گاز ایده‌آل اشاره کرد.
تاریخچه
بشر از سالهای دور، مفاهیم و اصول آیرودینامیک را در ابزار و وسایل مختلفی مانند قایق‌های بادی، بادبان‌ها و آسیاب‌های بادی مورد استفاده قرار داده است. اما آغاز مطالعات علمی در زمینه آیرودینامیک به قرن هفدهم میلادی برمی‌گردد. در آن زمان، انسان‌ها در ذهن خود رویای پرواز و ساخت ماشینی سبک‌تر از هوا را در ذهن خود می‌پروراندند و این موضوع امری دور از دسترس و آرزویی محال به نظر می‌رسد.
![[تصویر: Aerodynamics3.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Aerodynamics3.jpg)
اولین تلاش‌ها برای مطالعه خواص و ویژگی‌های سیال در مطالعات Aristotle و Archimedes دیده می‌شود. در حالی که در یادداشت‌های آن‌ها اثری از نام علم آیرودینامیک دیده نشده است. از جمله اولین دانشمندانی که در زمینه علم آیرودینامیک فعالیت کردند، می‌توان به «ایزاک نیوتن» (Isaac Newton) اشاره کرد که به مطالعه روی نیروهای مقاوم مانند نیروی «درگ» (Drag) پرداخته است.
دانشمندان دیگری نیز مانند «برنولی» (Bernoulli)، «اولر» (Euler)، «ناویر» (Navier) و «استوکس» (Stokes) در تاریخ حضور دارند که روابط بسیار مهمی را در مکانیک سیالات و علم آیرودینامیک بیان کردند. برای مثال معادله ناویر استوکس[url=https://blog.faradars.org/navier-stokes-equations/] در اوایل قرن 18 به دست آمد، این در حالی است که یافتن جواب این معادله هنوز یک مسئله جدی در آیرودینامیک و مکانیک سیالات باقی مانده است.
میل به پرواز، نیروی محرکی بود که باعث پیشرفت بسیار زیادی در علم آیرودینامیک شد. در اوایل دهه 1800، مهندسان و دانشمندان زیادی روی نیروهای موجود در پرواز مطالعه کردند. در همین دوران پارامترهایی مانند درگ، «لیفت» (Lift) و «تراست» (Thrust) متولد شدند و روابط بین آن‌ها نیز مورد مطالعه قرار گرفتند. اولین «تونل باد» (Wind tunnel) در سال 1871 ساخته شد. علاوه بر این، تئوری درگ توسط دانشمندانی مانند «رایلی» (Rayleigh) و «کیرشهف» (Kirchhoff) به وجود آمد.
![[تصویر: Aerodynamics2.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Aerodynamics2.jpg)
پرواز با گلایدر توسط اتو لیلینتال
دانشمند آلمانی به نام «اتو لیلینتال» (Otto Lilienthal) در اواخر قرن 18، اولین نفری بود که موفق به پرواز با گلایدر شد و بعد از تحقیقات او، در سال 1903، «برادران رایت» (Wright brothers) برای اولین بار با هواپیمای موتوردار پرواز کردند.
![[تصویر: Aerodynamics1.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Aerodynamics1.jpg)
هواپیمای دو طبقه در اولین روزهای پرواز توسط برادران رایت
مطالعه در زمینه آیرودینامیک و نیروهای آیرودینامیکی اطراف «ایرفویل» (Airfoil) در اینجا متوقف نشد. دانشمندانی مانند «کوتا» (Kutta)، «ژوکوفسکی» (Zhukovsky) و «پرانتل» (Prandtl) به مطالعه جریان اطراف بال هواپیما پراختند. در این زمان، وقوع جنگ‌های جهانی اول و دوم باعث پیشرفت بسیار زیادی در هواپیماها و دانش آیرودینامیک شد.
پیشرفت بسیار عظیم بعدی در علم آیرودینامیک در سال 1946 به وقوع پیوست. در این زمان، برای اولین بار، مانع صوت در سرعت و ساخت هواپیماها از بین رفت. هواپیمای آمریکایی Bell X-1 هواپیمایی است که قدرت خود را از موتور راکت دریافت می‌کند و اولین هواپیمای مجهزی است که توانسته سرعتی بیشتر از سرعت صوت را تجربه کند. در این زمان، مفاهیمی مانند جریان «فروصوت» (Subsonic) و «فراصوت» (Supersonic) به صورت دقیق مورد مطالعه قرار گرفتند و پیشرفت در این زمینه در سالهای بعد، تکمیل گردید.
![[تصویر: Aerodynamics4.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Aerodynamics4.jpg)
هواپیمای Bell X-1
در ادامه، با حضور کامپیوترها و پیشرفت در این علم، محاسبات عددی معادلات حاکم در آیرودینامیک و مکانیک سیالات، امکان پذیر شد. در این زمان مدل‌های مختلف در «دینامیک سیالات محاسباتی» (Computational Fluid Dynamics) و نرم‌افزارهای مختلف برای حل معادلات حاکم، به وجود آمدند. اکنون، CFD نقش بسیار پر رنگی در تمامی پیشرفت‌هایی بازی می‌کند که جریان هوا در آن‌ها حضور دارند.
این مطلب به صورت دقیق، ابتدا به بررسی تعریف علم آیرودینامیک و تاریخچه پیدایش آن می‌پردازد. در ادامه، مفاهیم پرکاربرد و مهم آن مورد بررسی قرار می‌گیرند و در نهایت کاربردهای مختلف این علم با ذکر چند مثال بیان می‌شوند.
آیرودینامیک چیست؟
همانطور که اشاره شد، آیرودینامیک دانشی است که به مطالعه اجسام متحرک در هوا و یا هوای متحرک اطراف اجسام می‌پردازد. زمانی که هوا از روی یک جسم با سرعت مشخصی عبور می‌کند، روی آن جسم اثرات مختلفی می‌گذارد. از جمله آن‌ها می‌توان به نیروهای آیرودینامیکی، لایه مرزی و نویز اشاره کرد.
توجه شود که محاسبه پارامترهای مختلف در علم آیرودینامیک را می‌توان از طریق اجرای آزمایش‌های تجربی در تونل های باد انجام داد. راه دیگر برای محاسبه پارامترهای آیرودینامیکی این است که معادلات حاکم بر سیال مانند معادله ناویر استوکس[/url] در علم دینامیک سیالات محاسباتی، به صورت عددی مورد مطالعه قرار بگیرند.
همانطور که اشاره شد، بسیاری از مفاهیم و معادلات حاکم در مکانیک سیالات، کاربرد بسیار زیادی در آیرودینامیک نیز دارند. از جمله این معادلات و مفاهیم می‌توان به معادلات پیوستگی و بقای جرم،معادلات ناویر استوکس،مومنتوم خطی مومنتوم زاویه ای ، مفهوم توربولانس، تئوری لایه‌مرزی و فرضیات گاز ایده‌آل اشاره کرد.
تاریخچه
بشر از سالهای دور، مفاهیم و اصول آیرودینامیک را در ابزار و وسایل مختلفی مانند قایق‌های بادی، بادبان‌ها و آسیاب‌های بادی مورد استفاده قرار داده است. اما آغاز مطالعات علمی در زمینه آیرودینامیک به قرن هفدهم میلادی برمی‌گردد. در آن زمان، انسان‌ها در ذهن خود رویای پرواز و ساخت ماشینی سبک‌تر از هوا را در ذهن خود می‌پروراندند و این موضوع امری دور از دسترس و آرزویی محال به نظر می‌رسد.
اولین تلاش‌ها برای مطالعه خواص و ویژگی‌های سیال در مطالعات Aristotle و Archimedes دیده می‌شود. در حالی که در یادداشت‌های آن‌ها اثری از نام علم آیرودینامیک دیده نشده است. از جمله اولین دانشمندانی که در زمینه علم آیرودینامیک فعالیت کردند، می‌توان به «ایزاک نیوتن» (Isaac Newton) اشاره کرد که به مطالعه روی نیروهای مقاوم مانند نیروی «درگ» (Drag) پرداخته است.
دانشمندان دیگری نیز مانند «برنولی» (Bernoulli)، «اولر» (Euler)، «ناویر» (Navier) و «استوکس» (Stokes) در تاریخ حضور دارند که روابط بسیار مهمی را در مکانیک سیالات و علم آیرودینامیک بیان کردند. برای مثال معادله ناویر استوکس[url=https://blog.faradars.org/navier-stokes-equations/] در اوایل قرن 18 به دست آمد، این در حالی است که یافتن جواب این معادله هنوز یک مسئله جدی در آیرودینامیک و مکانیک سیالات باقی مانده است.
میل به پرواز، نیروی محرکی بود که باعث پیشرفت بسیار زیادی در علم آیرودینامیک شد. در اوایل دهه 1800، مهندسان و دانشمندان زیادی روی نیروهای موجود در پرواز مطالعه کردند. در همین دوران پارامترهایی مانند درگ، «لیفت» (Lift) و «تراست» (Thrust) متولد شدند و روابط بین آن‌ها نیز مورد مطالعه قرار گرفتند. اولین «تونل باد» (Wind tunnel) در سال 1871 ساخته شد. علاوه بر این، تئوری درگ توسط دانشمندانی مانند «رایلی» (Rayleigh) و «کیرشهف» (Kirchhoff) به وجود آمد.
پرواز با گلایدر توسط اتو لیلینتالدانشمند آلمانی به نام «اتو لیلینتال» (Otto Lilienthal) در اواخر قرن 18، اولین نفری بود که موفق به پرواز با گلایدر شد و بعد از تحقیقات او، در سال 1903، «برادران رایت» (Wright brothers) برای اولین بار با هواپیمای موتوردار پرواز کردند.
هواپیمای دو طبقه در اولین روزهای پرواز توسط برادران رایتمطالعه در زمینه آیرودینامیک و نیروهای آیرودینامیکی اطراف «ایرفویل» (Airfoil) در اینجا متوقف نشد. دانشمندانی مانند «کوتا» (Kutta)، «ژوکوفسکی» (Zhukovsky) و «پرانتل» (Prandtl) به مطالعه جریان اطراف بال هواپیما پراختند. در این زمان، وقوع جنگ‌های جهانی اول و دوم باعث پیشرفت بسیار زیادی در هواپیماها و دانش آیرودینامیک شد.
پیشرفت بسیار عظیم بعدی در علم آیرودینامیک در سال 1946 به وقوع پیوست. در این زمان، برای اولین بار، مانع صوت در سرعت و ساخت هواپیماها از بین رفت. هواپیمای آمریکایی Bell X-1 هواپیمایی است که قدرت خود را از موتور راکت دریافت می‌کند و اولین هواپیمای مجهزی است که توانسته سرعتی بیشتر از سرعت صوت را تجربه کند. در این زمان، مفاهیمی مانند جریان «فروصوت» (Subsonic) و «فراصوت» (Supersonic) به صورت دقیق مورد مطالعه قرار گرفتند و پیشرفت در این زمینه در سالهای بعد، تکمیل گردید.
هواپیمای Bell X-1در ادامه، با حضور کامپیوترها و پیشرفت در این علم، محاسبات عددی معادلات حاکم در آیرودینامیک و مکانیک سیالات، امکان پذیر شد. در این زمان مدل‌های مختلف در «دینامیک سیالات محاسباتی» (Computational Fluid Dynamics) و نرم‌افزارهای مختلف برای حل معادلات حاکم، به وجود آمدند. اکنون، CFD نقش بسیار پر رنگی در تمامی پیشرفت‌هایی بازی می‌کند که جریان هوا در آن‌ها حضور دارند.