دانلود تحقیق ایرودینامیک

تاریخچه :

برادران رایت توانستند با استفاده از نبوغ و خلاقیت خود در دهم دسامبر 1903 که آرزوی دیرینه بشر را که پرواز بود تحقیق بخشند و از زمانی که اسحاق نیوتن فیزیکدان انگلیسی ، نیروی جاذبه را کشف کرد، فکر پرواز و غلبه بر نیروی جاذبه در انسان شدت بیشتری یافت.

برادران رایت که یک مغازه تعمیرات دوچرخه داشتند، همیشه در فکر پرواز بودند.
آنها بر اساس اطلاعات و مطالعات که در مورد پرواز داشتند به ساخت بالها و طراحی هواپیما پرداختند.

سپس یک تونل باد کوچک ساخته و اجزای آیرودینامیکی هواپیمای خود را که از طراحی کاملا نوین و پیشرفته برخوردار بود، آزمایش کردند.

و اولین پرواز قابل کنترل هواپیما را انجام دادند.

زمانی که هواپیما به پرواز در می‌آید تحت تاثیر نیروهای آیرودینامیکی قرار می‌گیرد.

نیروی آیرودینامیکی :

نیروی آیرودینامیک در اثر وزش باد بر روی یک جسم تولید می‌شود.

این جسم می‌تواند تیر چراغ‌ برق ، یک آسمان خراش ، پل ، هواپیما و یا کابل برق فشار قوی باشد.

اما بازتاب نیروی آیرودینامیکی که ایجاد می‌شود، بستگی به شکل این جسم خاص که در معرض وزش باد قرار گرفته است.

اگر هم پهن و دارای زاویه تند باشد در برابر باد مقاومت می‌کند و در جهت وزش باد خم می‌شود.

اما اگر دارای زوایای خمیده و یا نیم‌دایره باشد، مقاومت کمتری نسبت به سایر اجسام خواهند داشت.

نیروهای آیرودینامیکی شامل چهار نیرو می‌شود، که این نیروها عبارتند از :

نیروی برا (LIFT) :

نیروی برا ، نیرویی است که باعث بالا رفتن هواپیما یا هلیکوپتر و اجسام برنده ایجاد می‌شود.

برای اینکه این نیرو ایجاد شود باید جسم مورد نظر شکل خاصی داشته باشد، مطلوب‌ترین شکل می‌تواند به صورت یک قطره آب و یا یک جسم که یک طرفش نیم‌دایره و طرف مقابل آن زاویه تند داشته باشد.

اگر این جسم به گوشه‌ای در جریان هوا قرار گیرد که باد از سمت جسم که حالت نیم‌دایره دارد بوزد و از طرف مقابل که زاویه تندی دارد جسم را ترک کند، نیروی برا ایجاد خواهد شد.

وقتی که مولکولهای هوا با لبه جلوی بال برخورد می‌کند، تعدادی به سمت بالا و تعدادی به سمت پایین بال متمایل می‌شوند.

هر دو گروه مولکولها می‌بایستی در انتهای بال همزمان به یکدیگر برسند.

چون بالای بال هواپیما انحنای بیشتری دارد و مسافت آن نسبت به زیر بال بیشتر است.
 

چون بالای بال هواپیما انحنای بیشتری دارد و مسافت آن نسبت به زیر بال بیشتر است.

در نتیجه مولکولهایی که از سطح بالایی عبور می‌کنند.

می‌بایستی با سرعت بیشتری حرکت کنند تا با مولکولهای سطح پایین همزمان به انتهای بال هواپیما برسند.

این عمل باعث کاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پایین بال خواهد شد.

اشاره به اصل برنولی وقتی که سرعت هوا در سطح بالای بال بیشتر از سطح پایینی آن باشد، فشار در سطح بالایی کم می‌شود.

حال که فشار هوا در قسمت بالای بال کاهش می‌یابد و یک خلا نسبی ایجاد می‌شود که جسم را به طرف خود می‌کشد.

این خلا نسبی همان نیروی برا می‌باشد که باعث بالا رفتن هواپیما می‌شود.

هر چقدر سرعت هواپیما بیشتر باشد مقدار خلا نسبی نیز بیشتر می‌شود.

نیروی وزن (WEIGHT) : زمانی که ما روی زمین قرار گرفته‌ایم وزن ما بطور عمود بر مرکز زمین وارد می‌شود.

وزن ما باعث قرار گرفتن روی زمین و نیز جاذبه‌ای که برما وارد می‌شود با وزن ما برابر خواهد بود.

طبق قانون نیوتن ، نیروی جاذبه‌ای که بر جسم ما وارد می‌شود برابر با یک خواهد بود.

برای اینکه هواپیما به پرواز درآیند باید بر نیروی جاذبه غلبه کند.

وزن همیشه در جهت مخالف نیروی برا است.

نیروی رانش (THRUST) : وقتی جسمی از زمین بلند شده و در فضا قرار می‌گیرد، باید نیروی رانش کافی داشته باشد.

به عبارت دیگر نیروی رانش باعث می‌شود تا هواپیما به طرف جلو حرکت کرده و جریان لازم را ایجاد کند.

جریان ایجاد شده تولید نیروی برا این کار را خواهد کرد.

در هواپیما نیروی رانش بوسیله موتور فراهم می‌شود.

نیروی پسا: (DRAG) طبق قانون نیوتن هر عملی یک عکس‌العمل در جهت مخالف خواهد داشت به دلیل اینکه نیروی رانش باعث جلو رفتن هواپیما می‌شود.

افزایش این نیرو باعث افزایش نیروی پسا خواهد شد.

وجود نیروی پسا یک امر اجتناب ناپذیر است ولی کارشناسان ، طراحان و سازندگان هواپیما سعی می‌کنند در حین پرواز از مقدار نیروی پسا کاسته شود.

شکل هواپیما ، هر قدر بالها نازکتر یا محل اتصال اجزا خارجی با بدنه زاویه‌هایی تند نداشته باشد، بخشی از نیروی پسا کاهش می‌یابد.

بستگی به شکل خاص اجزایی که در تولید نیروی برا نقش دارند.

مانند بالها ، و بخشی از بدنه .

برای اینکه هواپیما بتواند سرعت‌های کم به اندازه کافی نیروی برا و در سرعت‌های زیاد از تولید نیروی پسا کاسته شود بالهای آن را به گونه‌ای مناسب طراحی می‌کنند.

پس متوجه می‌شویم که با افزایش نیروی رانش بر سرعت هواپیما افزوده می‌شود.

با افزوده شدن سرعت هواپیما ، جریان هوا نیز افزایش یافته و نیروی برا افزایش می‌یابد تا بر وزن هواپیما غلبه کند.

با افزایش نیروی برا و رانش بر میدان نیروی پسا نیز افزوده خواهد شد.

اما زمانی که هواپیما در مسیر پرواز قرار می‌گیرد کلیه نیروها به حالت تعادل در آمده و هواپیما با سرعت ثابتی به پرواز خود ادامه می‌دهد.

کاربردهای آیرودینامیک: مهم‌ترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است.

البته آیرودینامیک کاربردهای زیاد دیگری هم دارد.

در مهندسی خودرو، از آیرودینامیک برای طراحی بدنهٔ خودرو استفاده می‌شود تا نیروی پسار خودرو کم شود.

مهندسان سازه از آیرودینامیک برای تحلیل اثر هواکشسانی جریان باد بر سازه‌هایی مثل آسمان‌خراش‌ها یا پل‌ها استفاده می‌کنند.

فرض پیوستگی: هوا مانند هر ماده ی دیگری از مولکول‌های کوچک‌ تشکیل شده است که در حال حرکت و برخورد با هم هستند.

ولی چون فاصله ی این مولکول‌ها در عمل خیلی کوچک است، در آیرودینامیک می‌توان هوا را یک محیط پیوسته فرض کرد.

با رقیق شدن هوا و افزایش فاصله ی بین مولکول‌ها، دقت فرض پیوستگی کم می‌شود.

دو مثال عملی برای آئرودینامیک آهنگ مصرف انرژی در اتومبیل استانداردی که با سرعت حدود 65km/h حرکت می‌کند، در حدود 72km است.

تقریبا 4.6w از این انرژی صرف غلبه بر مقاومت آئرودینامیکی یا مقاومت هوا می‌شود.

مطالعات تجربی نشان می‌دهد که توان لازم برای اینکه اتومبیلی بتواند بر مقاومت هوا غلبه کند تقریبا به نسبت مکعب سرعت آن افزایش می‌یابد.

بنابراین توان لازم برای غلبه بر مقاومت هوا برای اتومبیلی که با سرعت 130km/h در حرکت است، هشت برابر توان لازم برای اتومبیلی است که با سرعت 65km/h حرکت می‌کند.

در دوره بحران انرژی در دهه 1970 مقاومت - کاهی در کامیونهای باربری اثرات مقاومت هوا را بین 10 تا 20 درصد کاهش داد.

و کاستن حداکثر سرعت مجاز از 120km/h به 90km/h این اثرات را تا حدود 220 درصد کاهش داد.

اینها دو نمونه عملی از تحلیل آئرودینامیکی هستند که در مسائل واقعی بکار رفته‌اند.

اساس آئرودینامیک : یکی از مفیدترین تحلیلهای آئرودینامیکی ، بررسی حرکت گوی کروی در هواست.

حرکت کره‌ای با سقوط آزاد در هوا را با استفاده از رابطه‌ای پس کششی (یا مقاومتی) که به قانون استوکس مشهور است، می‌توان بررسی کرد.

این قانون به صورت 6πηrv = نیروی پس کششی نوشته می‌شود که در آن η ضریب چسبندگی هوا ، r شعاع کره ، v سرعت کره است.

این نیروی مقاومت در خلاف جهت نیروی ناشی از گرانی (یا وزن) بر جسم وارد می‌شود.

سرعت سقوط کره تا آنجا افزایش می‌یابد که بزرگی نیروی مقاومتی با وزن جسم برابر می‌شود: mg = 6πnrv.

سرعتی که از معادله بدست می‌آید، v=mg/6πnr ، چون تا پایان حرکت ثابت می‌ماند سرعت حد می‌گویند.

همین نوع تحلیل را می‌توان برای شکلی از جسم که در هوا سقوط آزاد می‌کند بکار برد، اما ضریب شکل جسم و نحوه وابستگی به سرعت را باید از طریق آزمایش بدست آورد.

بررسی حالات فیزیکی اجسام در آئرودینامیک (مسیر حرکت) در حرکت جسم کروی در هوا وضعیت حرکت توپهای بیسبال ، تنیس ، گلف ، بستکبال ، وزنه برداری پرتاب شده در پرتاب وزنه را می‌توان بر اساس سیر حرکت کره‌ای که در هوا پرتاب شده است بررسی کرد.

در تمام این موارد نیروی مقاومت کند کننده وارد بر توپ متحرک با مربع سرعت کره در هوا متناسب است.

به همین ترتیب نیروی مقاومت وارد بر دونده‌ای که با سرعت V در جهت مخالف با بادی که با سرعت V می‌وزد در حرکت است متناسب خواهد بود.

با V+v)2) در پرش طول در پرش طول نیروی مقاومتی حرکت ورزشکار را پیش از جدا شدن از زمین کند می‌کند و همچنین سرعت پرش وی را در هوا کاهش می‌دهد.

در این تحلیل ، چگالی هوا نیز نقش دارد.

برای مثال در بازیهای المپیک شهر مکزیک ، برای پرش رکوردهایی کسب شد که می‌توان کاهش چگالی هوا را که ناشی از ارتفاع زیاد محل مسابقات بود در آنها موثر دانست.