יסודות האירודינמיקה

**IAF_Phantom**

שלום לכולם,
הסימולטור IL2 כמו סימולטורים רבים היום הינו מאוד ריאליסטי. על כן חובה היא להבין היטב את יסודות הטיסה ואירודינמיקה של המטוסים שהסימולטור מנסה לדמות.
אני ינסה בשורה של דיונים לתת סקירה של האלמנטים שקשורים באירודינמיקה ובעיקר באפקטים מופיעים בסימולטור.
אתם מוזמנים לתת הערות והארות וסתם שאלות בנושא ואנסה לענות עליהם.

נתחיל בבסיס -

הכוחות הפועלים על מטוס
בזמן טיסה, על כל גוף שנע באוויר פועלים ארבעה כוחות: העילוי (הוא הכוח הפועל כלפי מעלה), המשקל (הכוח הפועל כלפי מטה), הדחף (הכוח הפועל קדימה) והגרר (שהיא הכוח הפועל אחורה). ארבעה כוחות אלו נמצאים במאבק הדדי מתמיד בכל זמן הטיסה.

משקל (Weight) – המשקל של המטוס.כוח המשיכה שואף למשוך אותו לעבר מרכז כדור הארץ.
עילוי (Lift) – כוח זה מיוצר על ידי הכנפיים ושואף להרים את המטוס למעלה.
דחף (Thrust) – כוח זה מיוצר על ידי המנוע ושואף להניע את המטוס קדימה דרך האוויר.
גרר(Drag) – כוח זה נוצר על ידי התנגדות האוויר כאשר המטוס נע דרכו. הגרר שואף לעצור את המטוס במקום.

בכללי - המשקל מכביד על העילוי והגרר מתנגד לדחף. כדי לאפשר למטוס להמריא, הדחף והעילוי צריכים להיות מספיק חזקים על מנת שהמטוס יוכל להתגבר על המשקל והגרר שלו.
בטיסה ישרה ואופקית ובמהירות קבועה, הדחף שווה בדיוק לגרר והעילוי שווה בדיוק למשקל. לעומת זאת, לשם הנחתת המטוס, יש להקטין את הדחף ולאפשר לגרר להתגבר עליו וכן להפחית את העילוי כדי שלא יקזז את המשקל ויניע את המטוס מטה.

משקל
זהו המסה של גוף המטוס שעליו פועל כוח המשיכה של כדור ארץ.

עילוי (Lift) ומבנה הכנף
עילוי יכול להיווצר אך ורק אם קיימת תנועה של אוויר סביב הכנף. כלומר, הכנף צריכה להתקדם דרך האוויר או שאוויר צריך לנוע מסביב לכנף (במטוסים - הכנף היא זו שמתקדמת דרך האוויר).
לרוב המטוסים יש כנפיים בעלות מבנה בסיסי מיוחד כשמביטים עליהן מהצד: המשטח העליון של הכנף היינו עקמומי וקמור, ואילו המשטח התחתון שטוח יותר. כפי שניתן להסיק מהסרטוט, החלק הקמור (חלקה העליון של הכנף) ארוך יותר מהחלק השטוח (התחתון).

שפת ההתקפה – שפתה הקדמית של הכנף, שם הכנף "תוקפת" את האוויר.
שפת זרימה – שפתה האחורית של הכנף, שם האוויר זורם מן הכנף.

זרם האוויר שפוגע בשפת ההתקפה מתפצל לשניים – אחד זורם מעליה והשני זורם מתחתיה. לאחר שהאוויר פוצל לשני זרמים, זרם האוויר העובר מעל הכנף, נדרש לעבור מרחק רב יותר מאשר זה הזורם מתחת לכנף, ולכן על מנת ששני חלקי האוויר יפגשו באותו זמן בשפת הזרימה של הכנף, האוויר שזורם מעל הכנף נדרש לזרום מהר יותר מאשר זה שזורם מתחתיה.
זרם האוויר שנע במהירות גבוהה על פני חלקה העליון של הכנף יוצר אזור לחץ נמוך מעליה. זרם האוויר שנע על חלקה התחתון יוצר אזור לחץ גבוהה מתחתיה. התוצאה הוא הפרש לחצים. השאיפה של חוקי הטבע, היא להשוות את הלחצים הללו. ולכן הכנף נדחפת על ידי אזור הלחץ הגבוה שמתחתיה כלפי מעלה.
רוב העילוי נוצר בדרך זו ע"י הכנפיים, אך גם חלקים אחרים של המטוס עלולים לייצר עילוי, כגון: גוף המטוס. בחלק מהמטוסים המודרניים מתכננים את הגוף כך שצורתו תהיה דומה לזו של הכנף וכך ייוצר עילוי רב יותר.

הזדקרות והשפעות על עילוי
מצב שבו העילוי שנוצר היינו קטן יותר ממשקל המטוס, קרוי הזדקרות. במצב זה מטוס למעשה מאבד גובה. נרחיב על נושא ההזדקרויות בפרק "יכולות טיסה בסיסיות".
העילוי מושפע משלושה גורמים עיקריים:
א. מהירות אווירית – ככל שזרימת האוויר על פני הכנף יותר מהירה, כך היא תייצר יותר עילוי. ככל שהמהירות גבוהה יותר, כך נוצר יותר עילוי, וככל שהמהירות נמוכה יותר, כך נוצר פחות עילוי. לכל כנף יש מהירות מינימלית שבה היא מזדקרת.
ב. גובה – ככל שהגובה עולה, לחץ האוויר קטן. ככל שלחץ האוויר קטן יותר, הכנף מייצרת פחות עילוי. לכן, ככל שהמטוס עולה גבוה יותר, הכנף מייצרת פחות עילוי, עד לגובה מקסימלי שבו היא מזדקרת.
ג. זווית התקפה – הזווית בין הכנף לזרימת האוויר על פניה קרויה זווית התקפה. זוהי הזווית שבה הכנף "תוקפת" את זרימת האוויר. זווית התקפה גדלה כאשר המטוס מתמרן, וזרם האוויר עוד לא התיישר עם הכנף. ככל שזווית ההתקפה גבוהה יותר, הכנף מייצרת יותר עילוי, עד גבול מסוים. לכל כנף יש זווית התקפה מקסימלית, שמעבר לה היא מזדקרת.
כל שלושת הגורמים הללו עלולים ליצור השפעה משותפת על יצור העילוי או על הזדקרות.

[nb]דחף[/b]
זהו הכוח המושך את המטוס קדימה דרך האוויר. כוח זה נוצר על ידי דחיפה או דחיסה של אויר והעברתו לכיוון ההפוך מהכיוון שרוצים להתקדם בו. יצור הדחף במטוסי פרופלור יפורט בהרחבה בפרק הבא.

התנגדות אויר - גרר (Drag)
התנגדות האוויר לתנועה דרכו מושפעת מצורת הגוף שנע, וממהירות התנועה. כוח הגרר גדל ומערבולות נוצרות ככל שהגוף רחב יותר ופחות חלק, וככל שהגוף נע במהירות רבה יותר. הצורה האווירודינמית האולטימטיבית מבחינת צמצום התנגדות היא צורת סיגר וזוהי הצורה הכללית של גוף רוב מטוסי הקרב בסימולטור.

watch your six, i'm behind you

**ViFF** · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: 23/07/2005 הודעות: 3593

אחלה קריאה, תודה פנטום !

VIFF

alonace · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: Jan 29, 2006 הודעות: 31

נהנתי לקרוא קריאה

כל הכבוד מיכה .

101stHurricane

נחמד.
יכול להיות מאד יעיל לחבר'ה חדשים, או אנשים שטסים ולא הספיקו מספיק להתעמק בכל הקטע של הפיזיקה מאחורי הסימולטורים.

DeepSpace · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: Nov 08, 2005 הודעות: 160

ברשותך כמה הערות.

**ViFF** · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: 23/07/2005 הודעות: 3593

ברשותך Deepspace,

מיכה לא טועה.

אתה עושה סלט בין אפקט קואנדה לאפקט ה-Downwash של Newton.

ברמת העיקרון אפקט קואנדה זה מה שמחזיק את האוויר צמוד ל-Boundry Layer , אבל מה שאתה הסברת זה ה-Newtonian אפקט של ה Downwash, שהוא אפילו יותר עתיק מחוק Bernoulli.

במטוסים אין כזה דבר כנף בעלת Camber סימטרי, למרות שזה נראה ככה בחלק מהם.
גם הכנף הכי דקה של מטוס קרב שלכאורה נראית סימטרית היא בעלת Camber מסורתי, וגם אם קטן.

הסיבה לסימטריות היא להקטנת ה- Induced Drag למינימום האפשרי בתחומים של טיסה מאד מהירה. תשים לב שדווקא במטוסים האלה יש מדפים ו Slats שלא רק שמגדילים את השטח הכנף, אלה יוצרים Camber יותר עמוק בכדי לייצר יותר עילוי בפחות מהירות - להלן חוק ברנולי במלוא הדרו והתהוותו.

אתה לא חושב שזה קצת מתיימר להעביר ביקורת על חוק כ"כ בסיסי באווירודינמיקה ?

VIFF

**ViFF** · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: 23/07/2005 הודעות: 3593

לכל הצופים בבית,

כדי להבין קצת יותר טוב מה קורה כאן, אתם צריכים לדעת שלמעשה אף אחד היום עוד לא הצליח לפתור באופן מדויק למה יש דבר כזה שנקרא "עילוי", ואיך אפשר למדוד אותה עם נוסחה אחת פשוטה ומדויקת.

הסתירה מחלקת את רוב האנשים לשני מחנות עיקריים, בית-Newton ובית-Bernoulli , (כמו בית שמאי ובית הלל) ויש המון ויכוחים אינטלקטואלים סוערים ביניהם לגבי התיאוריה של מי יותר נכונה.

להלן לינק נחמד שסכם את הסיפור, לפני שיהיה פה ויכוח גדול בין שני הבתים.
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bernnew.html

VIFF

DeepSpace · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: Nov 08, 2005 הודעות: 160

לא אמרתי שהוא טועה, רק אמרתי שזה לא מדוייק להסביר את העילוי עפ"י חוק ברנולי בלבד בגלל הסיבות הבאות:

א. מי אמר שחלקיקי האוויר חייבים להיפגש? למען האמת הם כמעט אף פעם לא נפגשים מייד אחרי הכנף, אלא מרחק מסויים מאחריה כפי שניתן לראות באיור הבא:

**ViFF** · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: 23/07/2005 הודעות: 3593

אז אני מבין שאתה fanboi מבית Newton אה ?

ידעתי שתתחיל להתווכח... אתם פשוט כ"כ smug וחושבים שאתם צודקים כל הזמן... חחח...

אני באופן אישי חושב ששניהם צודקים, אבל לא מדייקים.

הטעות הנפוצה שאנשים עושים עם חוק ברנולי זה שהם חושבים שאמור להיות יחס ישיר בין הפרש מהירויות מהירות מולקולות של האוויר מעל / מתחת הכנף לבין התת לחץ שנוצר מעל הכנף.

אם לא נופלים למלכודת הזאת אז אין שום בעיה עם חוק ברנולי.

VIFF

**IAF_Phantom**

אם יורשה לי להוסיף על התגובות של VIFF -
בקשר לטיסה הפוכה, אפשר בכל זאת להסביר זאת גם בעזרת ברנולי. כדי לטוס הפוף צריך זוויות התקפה גבוהה הרבה יותר מאשר טיסה רגילה. במצב כזה מגדילים בצורה משמעותית את כמות האויר שפוגע בכנף ומטים את זרימותו (בכוח) לעבר החלק התחתון של הכנף. ורק חלק קטן יותר של אויר זורם מעל כל שטח הכף. ולכן נוצר תת-לחץ שגורם לעילוי. אולם אם זויות ההתקפה תהיה גובהה מידי לא יעבור כמעט שום אויר לכל אורכו של הכנף ואס לא יווצר שום עילוי! ואז תהיה הזדקרות.
העילוי (בדומה לגרר) אינו עולה בצורה ליניארית למהירות אלא הרבה יותר מהר. את זה ניתן לראות ממשואות הטיסה האמיתיות שיש תיאור בסיסי שלהם פה: http://www.navier-stokes.net/nspfa.htm
ופה - http://www.navier-stokes.net/nspfag.htm
כאשר מדובר על זרימה שניתנת לדחיסה.

watch your six, i'm behind you

DeepSpace · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: Nov 08, 2005 הודעות: 160

**IAF_Phantom**

אז זהו שזה ממש לא הסבר ניוטוני. הסבר ניוטוני היה אומר משהו כזה.

חוק ניוטון הראשון אומר שכל גוף המפעיל כוח על גוף אחר אותו גוף מפעיל כוח שווה בכיוון המנוגד לו. אויר שפוגע בכנף מפעיל כוח שווה מנוגד לו, אבל בגלל שהכנף מוטה ביחס לזרימת האויר (זויות התתקפה של הכנף) ישנו גם מרכיב של הכוח שנוצר גם במאונך לכנף (sin של זויות ההתקפה).
ככל שזויות ההתקפה יותר גדולה יותר אויר פוגע בכנף ויותר כוח "מוטה" כלפי מעלה ונוצר עוד עילוי. הכמובן שגם עוד כוח "מוחזר" כלפי האויר מה שיוצר גם עוד גרר.

אני מתנצל מראש לכל החברה הצעירים שיאבדו אותנו מכאן והלאה.

אכשיו אם קראת את הלינק ששלחתי אז - שם מפורטות נוסחאות הטיסה האמיתיות, מדובר שם על מערכת זרימה של נוזל (שהמקרה של אויר שהוא דחיס) בנוסף לכוחות האינרציאלים שמופעלים על הגוף (מסה, מהירות, אנרגיה). את המשאות האלה לא ניתן לפתור מבלי להוסיף כמה פרמטרים - כגון סוג החומר של הכנף, טמפרטורה וצפיפות האויר. בנוסף צריך להפעיל משואות של איזון על המשואה - כאשר הם מבוססות על שלושה משאות: חוק שימור המסה, חוק השני של ניוטון (גוף שנע בכיוון ימשיך לנוע אלא אם כוח יעצור אותו) ומשואות אנרגיה פוטנציאלית וקינטית. השלב הבא הוא להתחיל להתיחס למערכת הטרמודינאמית - למה? האויר היינו גז - הוא מושפע ומשפיע ככזה על כל הכנף - כאשר דוחסים אותו הוא מתנגד - כאשר מחחמים אותו או מתתרחב - והוא תמיד מנסה להגיע לאיזון של לחצים.
בנקודה הזאת מגיע ברנולי - מרנולי מוסיף את הכוחות הפועלים כתוצאה משינויים של צפיפות האויר במקומות השונים וגם כתוצאה מהזרימה החלקה או מערבולתית של האויר.

אלא הם התוצאה הסופית של כל הסיפור.

Dr + r Ñ · v = 0,
--
Dt

r = Dv - Ñp + Ñ · T* + r f,
--
Dt

r = De - pÑ · v + F - Ñ · q + r r.
--
Dt

הבעיה העיקרית שאני יכול לחשוב על אם "תפיסה ניוטונית" בלבד של בעית הטיסה היא - שהיא מתעלמת לחלוטין מאלמנטים ההידרודינמים של האויר שדרכו הוא עובר. משואות ניוטון עובדות טוב מאוד אם גופים שהם מוצקים או פלסטיים אבל לא אם אלא שהם דחיסים או נוזליים. אויר הוא גם דחיס וגם "זורם" ולכן לא ניתן בשום אופן להסתכל על התמונה של "איך טס מטוס" מבלי להזכיר את חוקי ההירודינמיקה ובראשם ברנולי על מנת להסביר את התופעה.

אולי בפעם הבאה אסביר מהיא כנף למינארית כמו זו שיש למוסטנג.

אגב - מה שחסר בתמונה שלך זה מה קורה לאויר אחרי כמה דקות, במצב כזה האויר נחשב שאיבד את הפרש המהירויות שלו וחסר למצב מנוחה. זה חשוב כי זה

watch your six, i'm behind you

**IAF_Phantom**

DeepSpace · טיסות סדירות הצטרף בתאריך: Nov 08, 2005 הודעות: 160

זה דווקא מאוד מדוייק...

נוסחאת העילוי:
L = 1/2 * r * V^2 * S * CL

r = האות היוונית row, צפיפות האוויר.

V^2 = מהירות בריבוע.

S = שטח הכנף.

CL = מקדם העילוי.

ושים לב לנוסחאת הגרר:
D = 1/2 * r * V^2 * S * CD

נכון, היא כמעט זהה לנוסחאת העילוי רק שבמקום להכפיל במקדם העילוי מכפילים במקדם הגרר (CD).

**IAF_Phantom**

רק שהנוסחה הזאת טובה רק לנייר בשביל גרר - גרר אינו פשוט עילוי אבל הפוך. גרר זה מערבולות גרר זה התנגדות לתנועה דרך האויר. אם עושים ניסויים אם רואים שהיא בערך(!) עולה בריבוע המהירות.

אין לפיסיקה היום נוסחאה טובה לתיאור התנהגות הגרר.