منو
 کاربر Online
406 کاربر online

آیرودینامیک پرتابه‌ها

تازه کردن چاپ
علوم طبیعت > فیزیک > فیزیک کلاسیک > مکانیک کلاسیک > دینامیک حرکت
علوم طبیعت > فیزیک > فیزیک کلاسیک > مکانیک کلاسیک > مکانیک تحلیلی
(cached)

مقدمه

تجربه نشان داده است که در برابر حرکت جسم متحرک در هر شاره (مقصود گاز یا مایع) نیروی مقاومی وجود دارد، این نیرو را شاره بر جسم اعمال می‌کند، که الزاما اندکی سبب تغییر شتاب حرکت جسم می‌شود، اگر جسم در مایعی مانند آب حرکت کند، انتظار داریم که نیروی بازدارنده نسبتا بزرگی بر آن وارد شود. اما اگر شاره ، گازی مانند هوا باشد، می‌توانیم فرض کنیم که نیروی بسیار کوچکی بر جسم اعمال می‌شود که عملا در حرکت جسم چندان تأثیری ندارد.



img/daneshnameh_up/5/56/cannon.gif




به هر حال نیرویی که معمولا مقاومت هوا نامیده می‌شود نمی‌تواند همیشه به آسانی نادیده گرفته شود. مقاومت هوا نشان دهنده نیروی آیرودینامیکی است که توسط هوا بر جسم اعمال می‌شود. (وقتی جسم در آب حرکت کند، این نیرو هیدرودینامیک نامیده می‌شود.

نیروهای دینامیکی

نیروهایی که توصیف شدند به نیروهای دینامیکی معروفند، زیرا از حرکت ناشی شده‌اند، این نیرو بیشتر زمانی بوجود می‌آید که جسم در شاره متحرک ، ساکن و در شاره ساکن ، متحرک باشد، ولی بطور کلی از حرکت نسبی و شاره بوجود می‌آیند. بررسی حرکت شاره‌ها در طیف وسیعی مانند جریان خون در رگها ، طراحی قایقها ، هواپیماها و ماشینها ، ارزش عملی سودمند و قابل توجهی دارد. هر چند ممکن است عجیب به نظر آید، اما آموختن اینگونه موارد توسط ورزشکاران در ورزشهای گوناگون برای پیشرفت کارشان استفاده می‌شود.

نیروهای آیردوینامیک در حرکتهای گوناگون پرتابی در ورزش بسیار مؤثرند. این نیروها توانایی پرتاب توپ بیسبال را در مسیری کمان دار به بازیکن بسیبال می‌دهد و سبب ضربه‌های کامل و یا ناقص گلف باز خواهد بود. نیروهای آیرودینامیک تعیین کننده روش مناسبی جهت پرتاب یک توپ فوتبال یا یک دوربین می‌باشد و همچنین نشان دهنده نیروی مقاوم موجود در برابر حرکت اسکی باز در سرازیری و یا حرکت دوچرخه سوار می‌باشند.

عوامل مؤثر

معمولا در عین حال که نیروی حرکتی شاره به سرعت جسم نسبت به شاره وابسته است، به ویژگیهای جسم ، اندازه ، شکل و سطح نیز بستگی دارد. این نیرو البته به ویژگیهای خود شاره نیز بستگی دارد. یکی از این ویژگیها چسبندگی شاره است، که مقاومت درونی جریان در اثر نیروی واکنش مولکولهای شاره می‌باشد. در سطوح تماس شاره و جسم غوطه ور در آن ، چسبندگی شاره باعث بوجود آمدن نیروی اصطکاک کند کننده‌ای موازی سطح می‌گردد. در دمای معمولی (دمای اتاق یا دمای 20 درجه سانتیگراد) اگر شاره بجای هوا ، آب باشد، چسبندگی بیشتر خواهد بود.

آب 40 برابر چسبنده‌تر از هوا است، که این خود توضیحی است برای اینکه چرا حرکت در استخر پر از آب دشوارتر از راه رفتن در خیابان است. ماهیت و چگونگی سطوح جسم متحرک در داخل شاره نقش مهمی را ایفا می‌کند. عموما در مقابل سطوح صاف مقاومت چسبندگی کمتری ایجاد می‌شود. هر جسم غوطه ور در شاره الزاما در برابر جریان شاره نیرویی اعمال می‌کند که باعث تغیر شتاب شاره در اطراف جسم می‌گردد. اصطکاک چسبندگی میان شاره و سطوح جسم باعث انتقال انرژی می‌گردد، این انرژی تلف شده به لایه نازک شاره نزدیک سطوح انتقال می‌یابد که این لایه ، لایه مرزی نامیده می‌شود.

هرگاه شاره به آرامی حرکت کند، اتلاف انرژی توسط اصطکاک کمتر خواهد بود و شاره می‌تواند که در لایه مرزی شتاب بگیرد و سطح همچنان با شاره در تماس باشد، ولی در سرعتهای بالا ، انرژی از دست رفته به اندازه کافی بزرگ می‌گردد، تا از تماس شاره با حواشی سطوح جلوگیری کند. نتیجه این است که لایه‌های مرزی از سطح جدا می‌شوند و ناحیه‌ای معروف به خط شاره پشت جسم تشکیل می‌شود، که ویژگیهای آن ، فشار پایین و جریان متلاطم و ناپایدار می‌باشد.

در این شرایط فشار شاره در جلو جسم و سطوح جانبی بیشتر از فشار قسمت عقبی جسم خواهد بود، که نتیجه آن ایجاد یک نیروی کند کننده است. این نوع از مقاومت که ناشی از قدرت حفظ شکل و توانایی شکل گیری شاره است می‌تواند بوسیله تغییر شکل جسم که در جهت دوکی‌تر شکل آن انجام می‌شود، کاهش یابد. این کار با تنظیم میزان انحنای جسم عملی شده و بدین ترتیب طوری عمل می‌شود که شاره از سطح جدا نشود.
این نیروها با چسبش (چسبنده‌ها و مواد چسبناک) بوجود می‌آیند و بر روی سطوح جسم غوطه‌ور در شاره توزیع می‌گردند، اکنون کاری که باید انجام شود، حل و محاسبه این نیروها در دو حالت زیر است. یکی نیروی اصطکاک که مخالف با حرکت جسم مربوطه عمل می کند، (با بردار سرعت موازی نیست) و دیگری نیروی بالابرنده می‌باشد، که از گوشه راست و در جهت حرکت جسم وارد می‌شود. با وجود اینکه اسم این نیرو ، نیروی بالابر است. باید بدانیم که این نیرو در خلاف جهت نیروی گرانشی تاثیر نمی‌کند، بلکه نسبتا به یک نیروی جانبی شبیه است که سرعت جسم را در جهت قائم (رو به بالا) تغییر نمی‌دهد.

کشش آیرودینامیکی

نیروی کشش وارد شده بر جسم متحرکی که در شاره‌ای حرکت می‌کند، معمولا بصورت نیروی کند کننده‌ای ظاهر می‌شود، کند کردن سرعت جسم به شاره بستگی دارد. بطور کلی کشش بوسیله چسبندگی و شکل نیروی مقاوم بوجود می‌آید، مقاومت حاصل از چسبندگی برای اجسام نسبتا کوچکی که به آرامی در شاره چسبناکی حرکت می‌کنند بیشتر قابل توجه است. برای اندازه و سرعت اجسامی که به عنوان پرتابه در ورزشهایی مانند بیسبال ، توپهای تنیس و غیره بکار می‌روند (حتی خود ورزشکاران) مقاومت ناشی از چسبندگی شاره بسیار کم است و کشش آیرودینامیک را می‌توان بصورت معادله نسبتا ساده‌ای ارائه داد.

با توجه به در نظر گرفتن انرژی و اندازه حرکت (mv) می‌توان نشان داد که نیروی غوطه ور در آن متناسب است با چگالی شاره و v سرعت جاری شدن آن است، بدین معنی که اگر (D) نیروی کششی باشد: که در آن (A) سطح مؤثر جسم است (قسمتی که بر جریان شاره عمود است). می‌توان تناسب مورد نظر را بوسیله معرفی یک ثابت تناسب بدون بعد (دیمانسیون) ، تبدیل به یک معادله کرد، که اآن ثابت تناسب را ضریب کشش می‌گویند و با cd نشان می‌دهند.

بنابراین ضریب کششی CD نسبت مقاومتهای چسبندگی و شکل نیروی مقاوم را به حساب می‌آورد و بستگی به مشخصات جسم دارد (اندازه ، شکل ، سفتی و زبری سطح آن) و به همان اندازه هم به مشخصات جاری شدن شاره بستگی دارد. عموما هر چه شکل جسم دوکی‌تر باشد، ضریب کششی آن کمتر خواهد بود. در طراحی اجسامی که باید در یک شاره با سرعت زیاد حرکت کنند این نکته‌ای بسیار مهم است.

اندازه گیری CD

به عنوان یک قاعده (CD) باید بوسیله اندازه گیری مستقیم تعیین شده باشد. روش معمول ، قرار دادن جسم در دالان باد است. همانطور که گفته شد، نیروی کشش به سرعت جسم و شاره بستگی دارد. برای مثال CD را برای توپ بیسبال که در هوا با سرعت 90mi/h حرکت می‌کند، می‌توان بوسیله ثابت قرار دادن توپ بیسبال در باد به سرعت 90mi/h باشد اندازه گیری کرد.

سقوط و صعود اجسام

از آنجا که سقوط جسم در هوا صورت می‌گیرد، سرعت و اصطکاک هر دو افزایش می‌یابند، تا نیروی اصطکاک مساوی از نیروی وزن جسم شود، در این حالت ، جسم به سرعت حد رسیده است. پرتابه‌ای که در حرکت سقوطی استفاده می‌شود و به سرعت حد می‌رسد، اسکایدیوینگ نامیده می‌شود. شخصی که از داخل هواپیما پایین می‌پرد با شتاب کاهنده‌ای سرعت حرکت او یه 320km/h می‌رسد. سرسره بازان روی برف هنگام حرکت با تغییر شکل و جهت بدنشان قادر به افزایش یا کاهش میزان اصطکاک آیرودینامیک هستند. انتخاب سرعت حد با تغییر اصطکاک و سطح مؤثر جسم صورت می‌گیرد.

هنگامی که اسکی باز دستها و پاهای خود را باز می‌کند بیشتر کشش را احساس می‌کند و کمترین سرعت حد را دارد. هنگامیکه جسم در هوا سقوط می‌کند، به سرعت حد خود نزدیک می‌شود و حرکتش بطور عمده‌ای از حالت سقوط آزاد انحراف پیدا می‌کند. بطور مشابهی ، حرکت پرتابه‌ای که سرعت پرتاب آن نزدیک به سرعت حد باشد به مقدار زیادی از مسیر متقارن سهمی شکل منحرف می‌شود.

هنگامی که جسم با شیوه‌ای نسبت به زمین بسوی بالا پرتاب شود، کشش آیرودینامیکی مؤلفه‌های عمودی و افقی ، حرکتش را کند می‌کند. در نتیجه ارتفاع اوج مسیر پرتابه مانند برد افقی آن کوتاه خواهد شد. هنگام صعود پرتابه ، کاهش سرعت آن در هوا بیشتر از خلأ می‌باشد. هنگام سقوط (در هوا) جسم کندتر شتاب می‌گیرد، نتیجه اینکه زمان لازم برای رسیدن پرتابه به نقطه اوج کمتر از زمان سقوط آن می‌باشد و سرعت برگشت پرتابه به زمین کمتر از سرعتی است که به هوا پرتاب شده است. بنابراین مؤلفه‌های افقی سرعت آن ، پیوسته کاهش می‌یابد و پرتابه در مدت بالا رفتن نسبت به حالت سقوط مسافت افقی بیشتری را می‌پیماید، در نتیجه سقوط پرتابه دشوارتر و آهسته‌تر از حالت بالا رفتن آن صورت می‌گیرد.

توپ بیسبال دارای سرعت حدی در حدود 153km/h است، در بازی بر حسب چگونگی پرتاب و ضربه زدن به آن سرعت توپ برابر و یا حتی بزرگتر از این سرعت می‌شود، (توجه کنید که سرعت حد بیشترین سرعتی که یک پرتابه در هوا می‌تواند داشته باشد نیست، اما بهر حال سرعت پرتابه وقتی که از حال سکون رها می‌شود، به سرعت حد می رسد). بدیهی است که مسیر پرتاب توپ بیسبال در اثر آیرودینامیکی ، تغییر می‌کند. برد توپ نمونه پرتاب شده در هوا برابر 60% برد آن در خلأ است.

مقیاسهای بزرگتر

در مقیاس بزرگتر و برای شکل متقارن ، توپ راگبی برای مقابله با کشش آیرودینامیکی ویژگیهای خاصی دارد. زمانی که توپ با نوکش حرکت می‌کند، نسبت به هنگامی که از پهلو در حرکت است دارای سطح مقطع کمتر و شکل مؤثر بهتری است. بنابراین در حرکت از پهلو کشش ده برابر بزرگتر است، این واقعیت تعیین کننده بهترین روش برای پرتاب توپ است. یعنی اگر مارپیچی پرتاب بشود یا طوری پرتاب شود که نوکش حول محور توپ بچرخد، چرخش باعث ایجاد اندازه حرکت زاویه‌ای با جهت ثابت در حرکت توپ می‌شود.

پرتاب توپ راگبی با زوایه‌ای کوچک نسبت به محور افقی باعث می‌شود که کاهش قابل ملاحظه‌ای در برد پرتابه ایجاد شود، این تأثیر خصوصا زمانی قابل توجه است که توپ با چرخش کم یا بدون چرخش پرتاب می‌شود. برای همین است که توپ با نوکش بالا می‌رود و از پهلو سقوط می‌کند. افزایش ناگهانی در کشش آیرودینامیکی ، سبب می‌شود که هنگام عبور توپ از نقطه اوج با تندی بیشتری سقوط کند و برد ضربه توپ کوتاهتر شود. توپ زنهای ورزیده سعی دارند که به توپ به طور "برگرد" ضربه بزنند (تغییر جهت نوک آن به طرف پایین نتیجه یک شوک پیچش است) این امر سبب پیمودن مسافت بیشتری می‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان



تعداد بازدید ها: 31084


ارسال توضیح جدید
الزامی
big grin confused جالب cry eek evil فریاد اخم خبر lol عصبانی mr green خنثی سوال razz redface rolleyes غمگین smile surprised twisted چشمک arrow



از پیوند [http://www.foo.com] یا [http://www.foo.com|شرح] برای پیوندها.
برچسب های HTML در داخل توضیحات مجاز نیستند و تمام نوشته ها ی بین علامت های > و < حذف خواهند شد..