نیروی رانش: موتور محرکه هواپیماها
پایه علمی نیروی رانش: قانون عمل و عکسالعمل
همه چیز با یک قانون فیزیکی ساده شروع میشود: "برای هر کنش، یک عکسالعمل برابر و در جهت مخالف وجود دارد." این قانون سوم نیوتن است. نیروی رانش مستقیم از این قانون سرچشمه میگیرد.
مثال ساده: زمانی که بادکنکی پر از هوا را رها میکنید، هوا با فشار از دهانه آن به بیرون (عقب) میآید و بادکنک به سمت مقابل (جلو) پرواز میکند. موتور هواپیما هم شبیه یک بادکنک بسیار پیشرفته و قدرتمند عمل میکند!
انواع موتور و روش تولید رانش
همه موتورهای هواپیما یک هدف دارند: ایجاد رانش. اما روش کار آنها میتواند متفاوت باشد. دو نوع اصلی وجود دارد:
| نوع موتور | نحوه کار | مثال | تشبیه |
|---|---|---|---|
| موتور ملخی (پراپ) | ملخ مانند پنکه بزرگ میچرخد و حجم زیادی از هوا را به سرعت به سمت عقب میراند. | هواپیماهای کوچک، برخی کشتیهای هوایی | فن ایستاده که هوا را به پشت میدمد و خودش میخواهد به جلو برود. |
| موتور جت5 | هوا را میمکد، آن را فشرده و با سوخت میسوزاند. گازهای داغ و منبسط شده با انفجار به عقب رانده میشوند. | هواپیماهای مسافربری بزرگ، جنگندهها | بادکنکی که با رها کردن هوا به جلو پرتاب میشود، اما با قدرتی باورنکردنی. |
در موتورهای جت پیشرفته (توربوفن6)، یک فن بزرگ در جلو قرار دارد که بیشتر رانش را با راندن هوای اطراف به عقب ایجاد میکند، درست شبیه یک موتور ملخی بسیار کارآمد که داخل یک پوسته قرار گرفته است.
رانش در مراحل مختلف پرواز
خلبان با کنترل مقدار رانش، پرواز را مدیریت میکند. میزان رانش در هر مرحله متفاوت است:
برخاستن: برای بلند شدن یک هواپیمای سنگین از زمین، به حداکثر رانش نیاز است. همه موتورها با حداکثر قدرت کار میکنند تا هواپیما را به سرعت کافی برای بلند شدن برسانند.
پرواز معمولی: پس از رسیدن به ارتفاع مورد نظر، رانش کاهش مییابد. در این مرحله، رانش فقط باید با نیروی پسا7 (مقاومت هوا) مقابله کند تا هواپیما سرعت ثابت خود را حفظ کند. مانند راندن دوچرخه در یک مسیر صاف که پس از شتاب گرفتن، فقط به نیروی کمی برای غلبه بر مقاومت هوا نیاز دارید.
فرود آمدن: هنگام فرود، رانش به کمترین حد میرسد یا حتی از وسیلهای به نام معکوسکننده رانش8 استفاده میشود. این وسیله جهت خروج گازها را به سمت جلو تغییر میدهد و مانند یک ترمز قدرتمند عمل میکند تا هواپیما روی باند سریعتر متوقف شود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک تصور غلط رایج است. موتور صرفاً جرمی (هوا و گاز) را به شدت به عقب پرتاب میکند. طبق قانون سوم نیوتن، همین عمل باعث ایجاد نیروی رانش به جلو میشود. حتی در خلأ فضا هم موتورهای موشک به همین شکل کار میکنند، زیرا سوختی را با خود حمل میکنند که میتوانند آن را به عقب پرتاب کنند.
پاسخ: نه لزوماً. رانش با شتاب دادن به هواپیما رابطه مستقیم دارد. اگر رانش بیشتر از نیروی پسا (مقاومت هوا) باشد، هواپیما شتاب میگیرد و سرعتش افزایش مییابد. اگر رانش فقط با پسا برابر باشد، سرعت ثابت میماند. برای پرواز در ارتفاع بالاتر، جایی که هوا رقیقتر است و پسای کمتری وجود دارد، به رانش کمتری برای حفظ سرعت نیاز است.
پاسخ: در هلیکوپتر، ملخ اصلی (روتور) برای ایجاد نیروی برآ9 به سمت بالا طراحی شده است، نه نیروی رانش به سمت جلو. اما وقتی هلیکوپتر میخواهد به جلو برود، صفحه چرخش ملخ را کج میکند. در این حالت بخشی از نیروی برآ به یک نیروی رانش افقی تبدیل میشود که هلیکوپتر را به جلو میراند. پس اصل پایه یکی است: راندن جرمی از هوا به یک سمت برای حرکت در جهت مخالف.
پاورقی
1 نیروی رانش (Thrust): نیرویی که وسیله نقلیه (مانند هواپیما) را در جهت مقابل خروج گاز یا سیال از موتور به جلو میراند.
2 برخاست (Takeoff): مرحله آغازین پرواز که هواپیما از زمین بلند میشود.
3 پرواز (Flight/Cruise): مرحله اصلی مسیر که هواپیما در ارتفاع ثابت حرکت میکند.
4 فرود (Landing): مرحله پایانی که هواپیما ارتفاع خود را کاهش داده و بر روی باند مینشیند.
5 موتور جت (Jet Engine): نوعی موتور که با مکش و فشردهسازی هوا، سوزاندن سوخت و خروج گازهای پرسرعت به عقب کار میکند.
6 توربوفن (Turbofan): نوع رایج موتور جت در هواپیماهای مسافربری که دارای یک فن بزرگ در جلو برای ایجاد بخش عمده رانش است.
7 پسا (Drag): نیروی مقاومتی که هوا در مقابل حرکت هواپیما ایجاد میکند.
8 معکوسکننده رانش (Thrust Reverser): دستگاهی در موتور که جهت جریان خروجی گازها را موقتاً به سمت جلو تغییر میدهد تا به ترمزگیری هواپیما کمک کند.
9 نیروی برآ (Lift): نیروی آیرودینامیکی که به صورت عمودی به بال (یا ملخ هلیکوپتر) وارد شده و هواپیما یا هلیکوپتر را بالا نگه میدارد.
