السحب الناتج عن الرفع

في الديناميكا الهوائية ، تُعرف قوة السحب الناتجة عن الرفع ، أو السحب المستحث ، أو السحب الدوامي ، أو أحيانًا السحب الناتج عن الرفع، بأنها قوة سحب ديناميكية هوائية تحدث عندما يُعيد جسم متحرك توجيه تدفق الهواء القادم نحوه. تحدث هذه القوة في الطائرات نتيجةً للأجنحة أو الجسم الرافع الذي يُعيد توجيه الهواء لتوليد قوة الرفع ، وكذلك في السيارات ذات الأجنحة الانسيابية التي تُعيد توجيه الهواء لتوليد قوة ضاغطة . ويُرمز لها بـ${\textstyle D_{\text{i}}}$ومعامل السحب الناتج عن الرفع كـ${\textstyle C_{D,i}}$.

للحصول على قوة رفع ثابتة، يمكن تقليل السحب المستحث بزيادة سرعة الطيران. ومن الآثار غير البديهية لذلك أن الطائرات، حتى سرعة الحد الأدنى من السحب، تحتاج إلى طاقة أقل للطيران بسرعة أكبر. ^{[ 1 ]} كما يقل السحب المستحث عندما يكون طول الجناح أكبر، ^{[ 2 ]} أو للأجنحة المزودة بأجهزة في أطرافها .

عادةً ما يُنظر إلى إجمالي القوة الديناميكية الهوائية المؤثرة على جسم ما على أنها تتكون من مركبتين: الرفع والسحب. وبحسب التعريف، تُسمى مركبة القوة الموازية للتدفق الأمامي بالسحب ، بينما تُسمى المركبة العمودية عليه بالرفع . ^{[ 7 ] [ 4 ] : ​​القسم 5.3} : عند زوايا الهجوم العملية ، يتجاوز الرفع السحب بكثير. ^{[ 8 ]}

تتولد قوة الرفع نتيجة لتغير اتجاه التدفق حول الجناح. ويؤدي تغير الاتجاه إلى تغير في السرعة (حتى لو لم يكن هناك تغير في المقدار)، وهو ما يُعرف بالتسارع. لذا، يتطلب تغيير اتجاه التدفق تطبيق قوة على المائع؛ والقوة الديناميكية الهوائية الكلية هي ببساطة قوة رد فعل المائع المؤثرة على الجناح.

تُولّد الطائرة أثناء طيرانها البطيء بزاوية هجوم عالية قوة رد فعل ديناميكية هوائية ذات مُركّبة سحب عالية. بزيادة السرعة وتقليل زاوية الهجوم، يُمكن الحفاظ على قوة الرفع ثابتة مع تقليل مُركّبة السحب. عند زاوية الهجوم المُثلى، يكون إجمالي السحب في أدنى مستوياته. إذا زادت السرعة عن هذه الزاوية، سيزداد إجمالي السحب مرة أخرى بسبب زيادة السحب الناتج عن شكل الطائرة .

عند توليد قوة الرفع، يكون ضغط الهواء أسفل الجناح أعلى من ضغط الهواء أعلاه. في جناح ذي امتداد محدود، يتسبب فرق الضغط هذا في تدفق الهواء من السطح السفلي، حول طرف الجناح، نحو السطح العلوي. ^{[ 9 ] : 8.1.1} يتحد هذا التدفق الهوائي العرضي مع التدفق الهوائي الطولي، مما يؤدي إلى التواء تدفق الهواء وتوليد دوامات على طول الحافة الخلفية للجناح . ^{[ 6 ] : 4.6 [ 6 ] : 4.7 [ 9 ] : 8.1.4، 8.3، 8.4.1}

تُقلل الدوامات من قدرة الجناح على توليد قوة الرفع، مما يستلزم زاوية هجوم أكبر للحصول على نفس قوة الرفع، الأمر الذي يُؤدي إلى ميل القوة الديناميكية الهوائية الكلية نحو الخلف وزيادة مُركبة السحب لتلك القوة. يكون الانحراف الزاوي صغيرًا وله تأثير ضئيل على قوة الرفع. ومع ذلك، هناك زيادة في السحب تُساوي حاصل ضرب قوة الرفع في الزاوية التي تنحرف بها. وبما أن الانحراف نفسه دالة لقوة الرفع، فإن السحب الإضافي يتناسب طرديًا مع مربع قوة الرفع. ^{[ 4 ] : ​​القسم 5.17}

تكون الدوامات المتولدة غير مستقرة، وسرعان ما تتحد لتشكل دوامات طرف الجناح التي تتبع طرف الجناح. ^{[ 4 ] : ​​القسم 5.14}

بالنسبة لجناح مستوٍ ذي توزيع رفع بيضاوي الشكل، يمكن حساب السحب المستحث D _{i على النحو التالي:}

${\displaystyle D_{\text{i}}={\frac {L^{2}}{{\frac {1}{2}}\rho _{0}V_{E}^{2}\pi b^{2}}}}$،

أين

${\displaystyle L\,}$هذا هو المصعد،

${\displaystyle \rho _{0}\,}$هي الكثافة القياسية للهواء عند مستوى سطح البحر،

${\displaystyle V_{E}\,}$هي سرعة الهواء المكافئة ،

${\displaystyle \pi \,}$هي نسبة محيط الدائرة إلى قطرها، و

${\displaystyle b\,}$هو طول الجناحين.

يتضح من هذه المعادلة أن السحب المستحث يتناسب طرديًا مع مربع قوة الرفع، وعكسيًا مع مربع سرعة الهواء المكافئة، وعكسيًا مع مربع طول الجناح. ويُؤخذ الانحراف عن الجناح غير المستوي ذي التوزيع الإهليلجي للرفع في الحسبان بقسمة السحب المستحث على معامل كفاءة طول الجناح.${\displaystyle e}$.

للمقارنة مع مصادر السحب الأخرى، قد يكون من الملائم التعبير عن هذه المعادلة بدلالة معاملات الرفع والسحب: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle C_{D,i}={\frac {D_{\text{i}}}{{\frac {1}{2}}\rho _{0}V_{E}^{2}S}}={\frac {C_{L}^{2}}{\pi A\!\!{\text{R}}e}}}$، أين

${\displaystyle C_{L}={\frac {L}{{\frac {1}{2}}\rho _{0}V_{E}^{2}S}}}$

و

${\displaystyle A\!\!{\text{R}}={\frac {b^{2}}{S}}\,}$نسبة العرض إلى الارتفاع ،

${\displaystyle S\,}$هي مساحة جناح مرجعية،

${\displaystyle e\,}$هو عامل كفاءة المدى.

يشير هذا إلى كيف أن الأجنحة ذات النسبة العالية بين الطول والعرض، بالنسبة لمساحة جناح معينة، تُفيد في كفاءة الطيران.${\displaystyle C_{L}}$بما أن السحب المستحث يعتمد على زاوية الهجوم، فإنه يزداد مع ازدياد زاوية الهجوم . ^{[ 4 ] : ​​القسم 5.17}

يمكن اشتقاق المعادلة أعلاه باستخدام نظرية خط الرفع لبراندتل . ويمكن استخدام طرق مماثلة لحساب الحد الأدنى للسحب المستحث للأجنحة غير المستوية أو لتوزيعات الرفع العشوائية.

وفقًا للمعادلات المذكورة أعلاه، بالنسبة للأجنحة التي تولد نفس قوة الرفع، فإن السحب المستحث يتناسب عكسيًا مع مربع طول الجناح . لن يتعرض جناح ذو طول لانهائي ومقطع عرضي منتظم (أو جناح ثنائي الأبعاد) لأي سحب مستحث. ^{[ 11 ]} يمكن محاكاة خصائص السحب لجناح ذي طول لانهائي باستخدام مقطع عرضي بعرض نفق هوائي . ^{[ 12 ]}

يُعدّ زيادة طول الجناح أو استخدام حلٍّ ذي تأثير مماثل إحدى طرق تقليل السحب المستحث. ^{[ 6 ] : 4.10} استخدم الأخوان رايت حوافًا خلفية منحنية في أجنحتهما المستطيلة. ^{[ 13 ]} زُوّدت بعض الطائرات القديمة بزعانف مثبتة على أطرافها. أما الطائرات الأحدث، فتستخدم أجنحة صغيرة مثبتة على أطرافها لتقليل السحب المستحث. ^{[ 14 ]} كما تُوفّر الأجنحة الصغيرة بعض الفائدة من خلال زيادة الارتفاع الرأسي لنظام الجناح. ^{[ 6 ] : 4.10} وقد تُوفّر خزانات الوقود المثبتة على أطراف الأجنحة ونظام تفريغ الهواء من الجناح بعض الفائدة أيضًا.

عادةً، يُنتج التوزيع الإهليلجي للرفع على امتداد الجناح أقل قدر من السحب المستحث ^{[ 15 ]} لجناح مستوٍ ذي امتداد مُحدد. يوجد عدد قليل من الطائرات ذات شكل مُخطط يقترب من الشكل الإهليلجي، ومن أشهر الأمثلة على ذلك طائرتا سبيتفاير وثندربولت من الحرب العالمية الثانية ^{[ 13 ]} . أما بالنسبة للأجنحة الحديثة المزودة بجنيحات طرفية، فإن التوزيع الأمثل للرفع ليس إهليلجيًا. ^{[ 6 ] : 4.9}

بالنسبة لمساحة جناح معينة، يُنتج الجناح ذو النسبة العالية بين الطول والعرض مقاومةً مستحثةً أقل من الجناح ذي النسبة المنخفضة. ^{[ 16 ]} في حين أن المقاومة المستحثة تتناسب عكسيًا مع مربع طول الجناح، وليس بالضرورة عكسيًا مع نسبة العرض إلى الطول، فإذا كانت مساحة الجناح ثابتة، فإن المقاومة المستحثة تتناسب عكسيًا مع نسبة العرض إلى الطول. ومع ذلك، بما أنه يمكن زيادة طول الجناح مع تقليل نسبة العرض إلى الطول، أو العكس، فإن العلاقة الظاهرية بين نسبة العرض إلى الطول والمقاومة المستحثة لا تنطبق دائمًا. ^{[ 2 ] [ 9 ] : 489}

بالنسبة للطائرات النموذجية ذات المحركين والجسم العريض عند سرعة الطيران العادية ، يُعدّ السحب المستحث ثاني أكبر مُكوّن من إجمالي السحب، حيث يُمثّل حوالي 37% منه. أما سحب الاحتكاك السطحي فهو المُكوّن الأكبر، بنسبة تقارب 48%. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] : 20} وبالتالي، يُمكن أن يُساهم تقليل السحب المستحث في خفض التكاليف والأثر البيئي بشكلٍ ملحوظ. ^{[ 19 ] : 18}

في عام 1891، نشر صموئيل لانغلي نتائج تجاربه على ألواح مسطحة مختلفة. عند نفس سرعة الهواء ونفس زاوية الهجوم، أنتجت الألواح ذات النسبة العرضية الأعلى قوة رفع أكبر وتعرضت لمقاومة أقل من تلك ذات النسبة العرضية الأقل. ^{[ 1 ]}

أُجريت تجاربه عند سرعات جوية منخفضة نسبيًا، أبطأ من السرعة اللازمة لأقل مقاومة. ^{[ 20 ]} ولاحظ أنه عند هذه السرعات المنخفضة، تتطلب زيادة السرعة تقليل الطاقة. ^{[ 21 ]} (أما عند السرعات الأعلى، فتصبح المقاومة الطفيلية هي السائدة، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة المطلوبة مع زيادة السرعة).

يجب إضافة السحب المستحث إلى السحب الطفيلي لحساب إجمالي السحب. وبما أن السحب المستحث يتناسب عكسيًا مع مربع سرعة الهواء (عند قوة رفع معينة)، بينما يتناسب السحب الطفيلي طرديًا مع مربع سرعة الهواء، فإن منحنى السحب الكلي يُظهر قيمة دنيا عند سرعة هواء معينة - سرعة السحب الأدنى (V_{_MD} ). الطائرة التي تحلق بهذه السرعة تعمل بكفاءتها الديناميكية الهوائية المثلى. وفقًا للمعادلات المذكورة أعلاه، تحدث سرعة السحب الأدنى عند السرعة التي يتساوى عندها السحب المستحث مع السحب الطفيلي. ^{[ 4 ] : ​​القسم 5.25.} هذه هي السرعة التي تُحقق عندها الطائرات غير المزودة بمحركات زاوية الانزلاق المثلى. وهي أيضًا سرعة أقصى مدى (مع العلم أن V_{_MD} ستنخفض مع استهلاك الطائرة للوقود وانخفاض وزنها). سرعة أقصى مدى (أي المسافة المقطوعة) هي السرعة التي يكون عندها الخط المستقيم الواصل من نقطة الأصل مماسًا لمنحنى معدل تدفق الوقود.

عادةً ما يكون منحنى المدى مقابل سرعة الطيران منخفضًا جدًا، ومن المعتاد الطيران بالسرعة التي تحقق 99% من المدى الأمثل ، حيث يمنح ذلك سرعة أكبر بنسبة 3-5% مقابل مدى أقل بنسبة 1% فقط. يؤدي التحليق على ارتفاعات أعلى حيث يكون الهواء أقل كثافة إلى زيادة السرعة التي يحدث عندها أقل مقاومة، مما يسمح برحلة أسرع بنفس كمية الوقود. إذا كانت الطائرة تحلق بأقصى سرعة مسموح بها، فسيكون هناك ارتفاع تكون فيه كثافة الهواء كافية لإبقائها محلقة أثناء الطيران بزاوية الهجوم التي تقلل المقاومة إلى أدنى حد. يزداد الارتفاع الأمثل أثناء الطيران كلما أصبح وزن الطائرة أخف.

السرعة اللازمة لأقصى مدة طيران (أي مدة التحليق) هي السرعة التي تحقق أقل معدل لتدفق الوقود، وهي دائمًا أقل من السرعة اللازمة لأقصى مدى. يُحسب معدل تدفق الوقود بضرب القدرة المطلوبة في معدل استهلاك الوقود النوعي للمحرك (معدل تدفق الوقود لكل وحدة قدرة ^{) . القدرة} المطلوبة تساوي قوة السحب مضروبة في السرعة.

• القوة الديناميكية الهوائية
• يجر
• رقم كفاءة أوزوالد
• السحب الطفيلي
• موج
• دوامات أطراف الأجنحة

• إل جيه كلانسي (1975)، الديناميكا الهوائية ، دار بيتمان للنشر المحدودة، لندن. رقم ISBN 0-273-01120-0
• أبوت، إيرا هـ.، وفون دونهوف، ألبرت إي. (1959)، نظرية مقاطع الأجنحة ، منشورات دوفر ، رقم الكتاب القياسي 486-60586-8
• لوتشيانو ديماسي، وأنطونيو ديبيس، وجيوفاني مونيجاتو، وراونو كافالارو. صياغة ثابتة للحد الأدنى من ظروف السحب المستحثة لأنظمة الأجنحة غير المستوية ، مجلة AIAA، المجلد. 52، رقم 10 (2014)، الصفحات من  2223 إلى 2240. دوى: 10.2514/1.J052837

• دوغ ماكلين، المفاهيم الخاطئة الشائعة في الديناميكا الهوائية على يوتيوب