جناح

الجناح هو هيكل يُولّد قوة الرفع وقوة السحب أثناء تحركه في الهواء. ويُعرَّف الجناح بخاصيتين شكليتين: المقطع العرضي والسطح الأفقي . تُقاس كفاءة الجناح بنسبة الرفع إلى السحب ، والتي تُقارن بين قوة الرفع ومقاومة الهواء لشكل جناح مُحدد أثناء طيرانه. ويشمل علم الديناميكا الهوائية دراسة أداء الجناح في الهواء.

تُستخدم رقائق مماثلة تتحرك في الماء في سفن الدفع المائية وقوارب الإبحار ذات الرقائق التي ترتفع من الماء بسرعة، وفي الغواصات التي تستخدم أجنحة غاطسة لتوجيهها للأعلى أو للأسفل أثناء غمرها. وتُعد دراسة أداء الرقائق في الماء فرعًا من فروع علم ديناميكا الموائع .

كلمة "جناح" مُقتبسة من اللغة النوردية القديمة vængr . ^{[ 1 ]} لعدة قرون، كانت تُشير بشكل أساسي إلى الأطراف الأمامية للطيور (بالإضافة إلى الممر المعماري). ولكن في القرون الأخيرة ، اتسع معنى الكلمة ليشمل الزوائد المُولِّدة للرفع لدى ^{الحشرات} والخفافيش والتيروصورات والبووميرانغ وبعض المراكب الشراعية والطائرات ، أو سطح جناح سيارة السباق . [ ^{2 ]}

يُعدّ تصميم وتحليل أجنحة الطائرات أحد التطبيقات الرئيسية لعلم الديناميكا الهوائية ، وهو فرع من ميكانيكا الموائع . ويمكن إيجاد خصائص تدفق الهواء حول أي جسم متحرك بحل معادلات نافيير-ستوكس لديناميكا الموائع . وباستثناء الأشكال الهندسية البسيطة، يصعب حل هذه المعادلات. ^{[ 3 ]} ويمكن تقديم تفسيرات أبسط.

لكي يُولّد الجناح قوة رفع، يجب أن يكون مُوجّهًا بزاوية هجوم مناسبة بالنسبة لتدفق الهواء المارّ به. عندئذٍ، يُغيّر الجناح اتجاه تدفق الهواء إلى الأسفل، مُغيّرًا مساره أثناء مروره به. ولأن الجناح يُؤثر بقوة على الهواء لتغيير اتجاهه، فلا بدّ أن يُؤثر الهواء بقوة على الجناح، مساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه. وتنشأ هذه القوة من اختلاف ضغط الهواء على السطحين العلوي والسفلي للجناح. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

يتولد ضغط هواء أقل من الضغط الجوي المحيط على السطح العلوي للجناح، بينما يكون الضغط أعلى من الضغط الجوي المحيط على السطح السفلي للجناح. (انظر: شكل الجناح ). يمكن قياس فروق ضغط الهواء هذه باستخدام جهاز قياس الضغط، أو حسابها من سرعة الهواء باستخدام مبادئ فيزيائية ، بما في ذلك مبدأ برنولي الذي يربط تغيرات سرعة الهواء بتغيرات ضغط الهواء.

يُولّد انخفاض ضغط الهواء على سطح الجناح قوةً هابطةً أقلّ من القوة الصاعدة الناتجة عن ارتفاع ضغط الهواء على سطح الجناح السفلي. وهذا يُولّد قوةً صاعدةً على الجناح، تُسمى قوة الرفع.

تُعدّ السرعات المختلفة للهواء المارّ بالجناح، وفروق ضغط الهواء، وتغيّر اتجاه تدفق الهواء، والرفع المؤثر على الجناح، طرقًا مختلفة لوصف كيفية توليد الرفع، لذا يُمكن حساب الرفع من أيٍّ من هذه العوامل الثلاثة. على سبيل المثال، يُمكن حساب الرفع من فروق الضغط، أو من السرعات المختلفة للهواء فوق الجناح وتحته، أو من إجمالي تغيّر زخم الهواء المنحرف. يُقدّم علم ديناميكا الموائع مناهج أخرى لحلّ هذه المسائل ، وكلّها تُعطي النتيجة نفسها إذا حُسبت بشكل صحيح. بالنظر إلى جناح مُحدّد وسرعته في الهواء، قد يظنّ غير المُلمّين بدراسة الديناميكا الهوائية أنّ النقاشات حول أيّ منهج رياضي هو الأنسب للاستخدام، هي اختلافات في الرأي حول المبادئ الأساسية للطيران. ^{[ 7 ]}

قد تحتوي أجنحة الطائرات على بعض العناصر التالية:

• مقطع عرضي ذو حافة أمامية مستديرة ، على أجنحة دون سرعة الصوت
• مقطع عرضي حاد للحافة الخلفية
• أجهزة متطورة مثل الشرائح أو الفتحات أو الامتدادات
• الأجهزة الموجودة على الحافة الخلفية مثل اللوحات أو اللوحات المتحركة (مزيج من اللوحات والجنيحات)
• أجنحة صغيرة لمنع دوامات أطراف الأجنحة من زيادة السحب وتقليل الرفع
• تزيد الزاوية الثنائية ، أو زاوية الجناح الموجبة بالنسبة للمستوى الأفقي، من استقرار الدوران الحلزوني حول محور الدوران، بينما تقلل الزاوية السالبة ، أو زاوية الجناح السالبة بالنسبة للمستوى الأفقي، من استقرار الدوران الحلزوني.

قد تحتوي أجنحة الطائرات على أجهزة مختلفة، مثل اللوحات أو الشرائح، التي يستخدمها الطيار لتعديل شكل ومساحة سطح الجناح لتغيير خصائص تشغيله أثناء الطيران.

• الجنيحات (عادة ما تكون بالقرب من أطراف الأجنحة) لتوجيه الطائرة
• تم تركيب جناحين على السطح العلوي لزيادة مقاومة الهواء أثناء الهبوط وتقليل قوة الرفع لزيادة الوزن على العجلات أثناء الكبح.
• مولدات الدوامات للمساعدة في منع انفصال التدفق في التدفق فوق الصوتي
• حواجز الجناح للحفاظ على التدفق متصلاً بالجناح عن طريق منع انفصال الطبقة الحدية من الانتشار في اتجاه الدوران.
• تسمح الأجنحة القابلة للطي بتخزين المزيد من الطائرات في المساحة الضيقة لسطح حظيرة الطائرات على متن حاملة الطائرات
• الأجنحة ذات الانحناء المتغير أو "الأجنحة المتأرجحة" التي تسمح بامتداد الأجنحة أثناء الطيران بسرعات منخفضة (مثل الإقلاع والهبوط والتسكع) والأجنحة المنحنية للخلف للطيران بسرعات عالية (بما في ذلك الطيران الأسرع من الصوت )، كما هو الحال في طائرات F-111 Aardvark و F-14 Tomcat و Panavia Tornado و MiG-23 و MiG-27 و Tu-160 و B-1B Lancer .

• أجنحة مكتسحة
• أجنحة متغيرة الانحناء (تشمل الأجنحة المائلة )
• دلتا وينجز
• أجنحة بيضاوية
• أجنحة شبه منحرفة

إلى جانب الطائرات ذات الأجنحة الثابتة ، تشمل تطبيقات أشكال الأجنحة ما يلي:

• الطائرات الشراعية المعلقة ، التي تستخدم أجنحة تتراوح من المرنة تمامًا ( المظلات الشراعية ، مظلات الهبوط الانزلاقي )، إلى المرنة (أجنحة الشراع ذات الإطار)، إلى الصلبة
• الطائرات الورقية ، التي تستخدم مجموعة متنوعة من أسطح الرفع
• طائرات نموذجية طائرة
• تستخدم المروحيات جناحًا دوارًا بزاوية ميل متغيرة لتوفير قوى توجيهية
• المراوح ، التي تولد شفراتها قوة الرفع اللازمة للدفع.
• مكوك الفضاء التابع لناسا ، الذي يستخدم أجنحته فقط للانزلاق أثناء هبوطه على المدرج. تُسمى هذه الأنواع من الطائرات بالطائرات الفضائية .
• تستخدم بعض سيارات السباق ، وخاصة سيارات الفورمولا 1 ، أجنحة مقلوبة (أو أشكال انسيابية ) لتوفير قوة جر أكبر عند السرعات العالية.
• القوارب الشراعية ، التي تستخدم الأشرعة كأجنحة عمودية ذات امتلاء واتجاه متغيرين للتحرك عبر الماء

في عام 1948، اخترع فرانسيس روغالو الجناح المرن بالكامل. واخترعت دومينا جالبيرت أجنحة سميكة مرنة ذات مقطع عرضي هوائي بدون دعامات.

تطورت الأجنحة عدة مرات عبر التاريخ: في الحشرات ، والديناصورات (انظر جناح الطائر )، والثدييات (انظر الخفافيش )، والأسماك، والزواحف (انظر التيروصورات )، والنباتات. تطورت أجنحة الطيور والخفافيش والتيروصورات من أطراف موجودة، بينما تطورت أجنحة الحشرات كبنية منفصلة تمامًا. ^{[ 13 ]} سهّلت الأجنحة زيادة الحركة والانتشار والتنوع. ^{[ 14 ]} تُعدّ أنواع مختلفة من طيور البطريق وغيرها من الطيور المائية، سواءً كانت قادرة على الطيران أو لا، مثل طيور الأوك ، والغاق ، والقطرس، والنوء ، والبط الإيدر ، والبط الأسود، وطيور النوء الغاطسة، سبّاحة ماهرة تحت الماء، وتستخدم أجنحتها للدفع عبر الماء. ^{[ 15 ]}

• أشكال الأجنحة في الطبيعة
• 
  بذور الأشجار المجنحة التي تسبب الدوران الذاتي أثناء الهبوط
• 
  نورس ضاحك ، يظهر شكل " جناح النورس ".
• 
  خفاش أثناء الطيران
• 
  اليعاسيب تتزاوج أثناء الطيران

• كيف تعمل الأجنحة – هولجر بابينسكي، تعليم الفيزياء 2003
• كيف تطير الطائرات: وصف فيزيائي للرفع
• تبسيط علم الطيران – مقطع صوتي من برنامج "حديث الأمة" على إذاعة NPR ضمن فقرة "جمعة العلوم".
• تفسيرات ومحاكاة ناسا
• تحليق جناح ستايروهوك
• انظر كيف يطير