علت ماندن هواپیما در هوا؛ معمایی که هنوز حل نشده است

اگرچه توضیح‌های زیادی درمورد علت ماندن هواپیما در هوا وجود دارد، تاکنون هیچ‌کدام نتوانسته است این پدیده را کاملا تشریح کند.

کد خبر: ۹۶۸۶۵

تاریخ: ۲۴ بهمن ۱۳۹۸ - ۲۳:۵۳

در طول پرواز چهار نیرو بر هواپیما وارد می‌شود. این نیروها عبارت‌اند از: نیروی وزن، نیروی لیفت (بَرا، برآر یا بالابرنده)، نیروی پیشران یا جلوبرنده و نیروی دِرَگ (پسا یا مقاومت هوا). یکی از موضوعات مورد بحث، علت ایجاد نیروی لیفت است. توضیحات زیادی درمورد این مسئله وجود دارد و دانشمندان از دیدگاه‌های مختلفی به آن پرداخته‌اند که با ذکر خلاصه‌ای از مطلب پیش رو، به آن‌ها می‌پردازیم.

در سطح کاملا ریاضی، مهندسان می‌دانند چگونه هواپیماهایی را طراحی کنند که در هوا بمانند. اما معادلات ریاضی آن‌ها توضیح نمی‌دهد که چرا لیفت آیرودینامیکی رخ می‌دهد.

دو تئوری رقیب وجود دارد که نیروها و عوامل لیفت را آشکار می‌کند. اما هر دوی این توضیحات ناقص هستند.

اخیرا متخصصان آیرودینامیک سعی کرده‌اند که شکاف موجود در درک این پدیده را حذف کنند. با این حال هنوز اتفاق نظری دراین‌زمینه وجود ندارد.

در دسامبر سال ۲۰۰۳، به‌منظور گرامیداشت صدمین سالگرد نخستین پرواز برادران رایت، نیویورک‌تایمز داستانی را با عنوان «ماندن در بالا: چه چیزی آن‌ها را در بالا نگه می‌دارد»، منتشر کرد. نکته‌ی این مطلب، سوالی ساده بود: چه چیزی هواپیماها را در هوا نگه می‌دارد؟ برای یافتن پاسخ این سؤال، تایمز سراغ جان دی اندرسون جونیور، متصدی آیرودینامیک در موزه‌ی ملی هوا و فضا و نویسنده‌ی چندین کتاب دراین‌زمینه رفت. اگرچه، آنچه اندرسون گفت، این است که درحقیقت هیچ توافقی درمورد آنچه نیروی آیرودینامیکی یا لیفت را ایجاد می‌کند، وجود ندارد. او به تایمز گفت:

هیچ پاسخی یک خطی برای این سؤال وجود ندارد. افراد مختلف پاسخ‌های متفاوتی به این سؤال می‌دهند و برخی نیز به‌شدت روی پاسخ خود تعصب دارند.

پس از گذشت بیش از ۱۵ سال از این اظهارنظر، هنوز توضیحات مختلفی درمورد آنچه لیفت را ایجاد می‌کند، وجود دارد، که هرکدام طرفداران خود را دارد. در این نقطه از تاریخ پرواز، موقعیت کمی گیج‌کننده است. این در حالی است که فرایندهای طبیعی تکامل بدون ذهنیت، به‌طور تصادفی و بدون هیچ درکی از فیزیک کار می‌کنند و مسئله‌ی مکانیکی لیفت آیرودینامیکی را مدت‌ها پیش برای پرندگان پروازی حل کرده‌اند. چرا باید توضیح چیزی که پرندگان و هواپیماها را در هوا نگه می‌دارد، تا این اندازه برای دانشمندان دشوار باشد؟

همچنین این واقعیت که لیفت در دو سطح جداگانه‌ی فنی و غیرفنی مورد بحث قرار می‌گیرد، نیز به این سردگمی می‌افزاید. البته این دو سطح به‌جای اینکه با هم مخالف باشد، مکمل هستند اما هدفشان یکی نیست. یکی به‌عنوان تئوری کاملا ریاضی مطرح می‌شود؛ قلمرویی که در آن ابزار تجزیه‌و‌تحلیل شامل معادلات، نمادها، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و اعداد می‌شود. درمورد معادلات مناسب یا راه‌حل‌های آن‌ها، اختلاف‌نظر جدی چندانی وجود ندارد. هدف از تئوری ریاضی فنی، پیش‌بینی‌های دقیق و طرح نتایجی است که برای مهندسان هوانوردی که مشغول تجارت پیچیده‌ی طراحی هوانوردها هستند، مفید باشد. اما نه معادلات و نه راه‌حل‌های آن‌ها به‌خودی‌خود، توضیحی برای این موضوع نیستند.

سطح دیگر و غیرفنی از تجزیه‌و‌تحلیل وجود دارد که هدف آن ارائه‌ی توضیحی فیزیکی و متعارف از لیفت است. هدف از رویکرد غیرفنی آن است که به ما درکی شهودی از نیروها و عوامل حقیقی دست‌اندرکار حفظ هواپیما در هوا ارائه کند. این رویکرد نه در سطح اعداد و معادلات بلکه در سطح مفاهیم و اصولی بیان می‌شود که برای افراد غیرمتخصص آشنا و قابل درک باشد. همین سطح دوم و غیرفنی است که اختلافات از آن منشا می‌گیرد. برای توضیح لیفت، معمولا دو تئوری مختلف مطرح می‌شود و هر دو طرف درمورد استدلال‌های خود در مقالات، کتاب‌ها و نیز به‌صورت آنلاین سخن می‌گویند. مسئله این جا است که هرکدام از این دو تئوری غیرفنی به‌خودی‌خود درست است، اما هیچ‌کدام از آن‌ها توضیح کاملی درمورد لیفت ارائه نمی‌دهد؛ توضیحی درمورد تمام نیروها، عوامل و شرایط فیزیکی حکمفرما بر لیفت آیرودینامیکی که هیچ نکته‌ای را بدون توضیح و ناشناخته باقی نگذارد. آیا اصلا چنین نظریه‌ای وجود دارد؟

دو تئوری رقیب

تا این زمان، مشهورترین توضیح درمورد لیفت، قضیه‌ی برنولی است؛ اصلی که دانیل برنولی، ریاضیدان سوئیسی در رساله‌ی هیدرودینامیک (Hydrodynamica) به آن پرداخت. برنولی عضو خانواده‌ای ریاضیدان بود. پدرش، یوهان، در علم حساب مشهور بود و عمویش، ژاکوب برنولی مخترع اصطلاح انتگرال بود. بسیاری از مشارکت‌های دانیل برنولی درزمینه‌ی «جریان سیالات» است: هوا یک سیال است و قضیه‌ی برنولی نیز معمولا از دیدگاه دینامیک سیالات بیان می‌شود. به‌طور ساده، قانون برنولی می‌گوید فشار یک سیال با افزایش سرعت آن کاهش پیدا می‌کند و برعکس.

قضیه‌ی برنولی در تلاش است تا لیفت را به‌عنوان نتیجه‌ای از سطح بالایی خمیده‌ی یک ایرفویل توضیح دهد. ایرفویل نام فنی مورد استفاده برای اشاره به بال هواپیما است. طبق این ایده، به‌دلیل این خمیدگی، حرکت هوا در بالای بال از حرکت هوا در سطح پایین بال که هموار است، سریع‌تر است. قضیه‌ی برنولی می‌گوید که افزایش سرعت حرکت هوا در بالای بال با ایجاد منطقه‌ای با فشار پایین در آن ناحیه ارتباط دارد که همان لیفت است.

انبوهی از داده‌های تجربی حاصل‌از خطوط جریان (خطوطی از ذرات دود) در آزمایش‌های تونل-باد، آزمایش‌های آزمایشگاهی روی نازل‌ها و لوله‌های ونتوری و موارد دیگر شواهد بسیاری را فراهم می‌کنند که نشان می‌دهند اصل برنولی درست است. اگرچه، دلایل مختلفی وجود دارد که تئوری برنولی به‌تنهایی توضیح کاملی درمورد لیفت ارائه نمی‌دهد.

اگرچه به‌طور تجربی نیز درمی‌یابیم که هوا در سطح خمیده با سرعت بیشتری حرکت می‌کند، قضیه‌ی برنولی توضیح نمی‌دهد که چرا چنین است. به‌عبارت دیگر، این قضیه نمی‌گوید که در آغاز چگونه سرعت بالاتر روی بال ایجاد می‌شود. توضیحات نامناسب زیادی برای این سرعت بالاتر وجود دارد. براساس رایج‌ترین توضیح، یعنی تئوری «تساوی زمان جابه‌جایی»، بسته‌های هوا (یک توده‌ی فرضی از هوا با ویژگی‌های خاص) که در لبه‌ی جلویی بال (لبه حمله) از هم جدا می‌شوند، باید به‌طور هم‌زمان در لبه‌ی پشتی بال (لبه فرار) مجدد به هم برسند. از آن‌جایی که بسته‌ی بالایی در مدت زمان مشخص، نسبت‌به بسته‌ی پایینی تا فاصله‌ی دورتری می‌رود، پس باید سریع‌تر حرکت کند. استدلال غلط این‌جا است که هیچ علت فیزیکی وجود ندارد که دو بسته باید به‌طور هم‌زمان به لبه‌ی پشتی بال برسند. درواقع، چنین چیزی هم اتفاق نمی‌افتد: طبق واقعیت تجربی، هوای بالایی بسیار سریع‌تر از زمانی‌که در تئوری تساوی زمان جا‌به‌جایی فرض می‌شود، حرکت می‌کند.

همچنین نمایشی بدنام از اصل برنولی وجود دارد. چیزی که در بسیاری از سایت‌ها، ویدئوهای یوتیوب و حتی در برخی کتاب‌ها تکرار شده است. این آزمایش، شامل نگهداشتن صفحه‌ای کاغذ به‌صورت افقی در دهان و دمیدن هوا روی سطح خمیده‌ی بالای آن است. صفحه بالا می‌آید و ظاهرا اثر برنولی را نشان می‌دهد. این در حالی است که وقتی به سطح زیرین کاغذ می‌دمید، باید نتیجه‌ معکوس شود: سرعت حرکت هوا در زیر کاغذ باید صفحه را به‌سمت پایین بکشد ولی صفحه به‌سمت بالا می‌رود. هولگر بابینسکی، استاد آیرودینامیک دانشگاه کمبریج در مقاله‌ای با عنوان: «بال‌ها چگونه کار می‌کنند؟»، می‌گوید:

بلند شدن یک صفحه کاغذ خمیده وقتی روی یک سمت آن می‌دمید، به‌خاطر این اتفاق نمی‌افتد که هوا با سرعت متفاوتی در دو سمت کاغذ درحال جا‌به‌جایی است. برای نشان دادن این مسئله، روی تکه کاغذ صافی بدمید، برای مثال کاغذی که به شکل عمودی نگه داشته شده است و شاهد باشید که کاغذ به هیچ سمتی حرکت نمی‌کند زیرا فشار در دو سمت کاغذ برابر است؛ با اینکه تفاوت آشکاری در سرعت حرکت هوا در دو طرف آن وجود دارد.

دومین کاستی قضیه‌ی برنولی آن است که نمی‌گوید چگونه و چرا سرعت بالاتر بالای بال به‌جای اینکه فشار بالایی با خود داشته باشد، فشار پایین‌تری به‌همراه دارد. ممکن است طبیعی باشد که فکر کنیم وقتی خمیدگی بال، هوا را به‌سمت بالا می‌راند، آن هوا فشرده شده و منجر به افزایش فشار در بالای بال می‌شود. این نوع تنگنا درزندگی عادی معمولا به‌جای سرعت بخشدن، موجب کاهش سرعت می‌شود. در یک بزرگ‌راه، زمانی‌که دو یا چند خط ترافیک به هم می‌پیوندند و یکی می‌شوند، اتومبیل‌های درگیر سریع‌تر حرکت نمی‌کنند، بلکه کاهش سرعت و حتی راه‌بندان رخ می‌دهد. مولکول‌های هوا که در بالای بال حرکت می‌کنند، این چنین رفتاری ندارند اما قضیه‌ی برنولی علت آن را مشخص نمی‌کند.

مسئله‌ی سوم، قاطع‌ترین استدلال را دربرابر قضیه‌ی برنولی به‌عنوان توضیح کاملی از پدیده‌ی لیفت، مطرح می‌کند: هواپیمایی با سطح بال خمیده در قسمت بالا، قادر به پرواز معکوس است. در پرواز معکوس، سطح خمیده بال به سطح پایین بال مبدل می‌شود و براساس قضیه‌ی برنولی فشار پایینی در ناحیه‌ی زیر بال ایجاد می‌کند. این فشار پایین که به نیروی گرانش افزوده می‌شود، باید بیش از آن که هواپیما را بالا نگه دارد، در پایین کشیدن آن تأثیر داشته باشد.

علاوه‌بر‌این، هواپیماهای دارای سطح مقطع بال متقارن (با انحنای برابر در بالا و پایین بال) یا حتی با سطوح بالا و پایین صاف نیز تا زمانی‌که در زاویه‌ی حمله‌ی مناسبی با باد پیش رو قرار گیرند، قادر به پرواز معکوس هستند. این بدان معنا است که قضیه‌ی برنولی به‌تنهایی برای توضیح این واقعیت‌ها کافی نیست.

تئوری دیگر درمورد لیفت، قانون سوم نیوتن است: اصل کنش و واکنش. این تئوری می‌گوید که بال با راندن هوا به‌سمت پایین، هواپیما را نگه می‌دارد. هوا دارای جرم است و طبق قانون سوم نیوتن، فشار رو به پایین بال منجر به ایجاد فشاری برابر و مخالف به سمت بالا می‌شود که همان لیفت است.

توضیح نیوتن درمورد بال‌هایی با هر شکل، خمیده یا مسطح، متقارن یا نامتقارن صدق می‌کند. این قانون درمورد هواپیمایی که به شکل معمول یا معکوس در پرواز باشد، نیز درست است. نیروهایی که در این پدیده نقش دارند، را از روی تجربه‌ی معمول نیز می‌توان درک کرد. برای مثال زمانی‌که دست خود را از اتومبیل درحال حرکت بیرون می‌آورید و آن را به سمت پیش حرکت می‌دهید، هوا به سمت پایین منحرف شده و دست شما بالا می‌رود. به‌همین دلیل، قانون سوم نیوتن نسبت‌به قضیه‌ی برنولی، توضیحی کلی‌تر و جامع‌تر از لیفت ارائه می‌کند. اما اصل کنش و واکنش نیز به‌خودی‌خود نمی‌تواند فشار پایین‌تر بالای بال را که قطع‌نظر از اینکه بال خمیده باشد یا نه، در آن منطقه وجود دارد، توضیح دهد. تنها زمانی‌که هواپیما فرود می‌آید و متوقف می‌شود، منطقه‌ی فشار پایین بالای بال از بین می‌رود و به فشار عادی محیط برمی‌گردد و فشار در بالا و پایین بال برابر می‌شود. اما تا زمانی‌که هواپیما درحال پرواز است، آن منطقه‌ی دارای فشار پایین عنصری اجتناب‌ناپذیر از لیفت آیرودینامیکی است و باید توضیح داده شود.

درک تاریخی

نه برنولی و نه نیوتن آگاهانه در تلاش نبودند که توضیح دهند چه چیزی هواپیما را در هوا نگه می‌دارد، زیرا آن‌ها مدت‌ها پیش از اختراع پرواز مکانیکی زندگی می‌کردند. وقتی برادران رایت موفق به پرواز شدند، قوانین و تئوری‌های آن‌ها صرفا بازسازی شد و درک لیفت آیرودینامیکی برای دانشمندان به مسئله‌ی مهمی تبدیل شد. بیشتر این توضیحات تئوریکی از اروپا منشا گرفته‌اند. در اوایل قرن بیستم، چندین دانشمند بریتانیایی توضیحاتی فنی و ریاضی از لیفت ارائه کردند که در آن‌ها هوا به‌عنوان یک «سیال کامل» درنظر گرفته می‌شد، یعنی تراکم‌ناپذیر بوده و دارای ویسکوزیته‌ی صفر است. این‌ فرضیات غیرواقعی بوده اما شاید برای دانشمندانی که با پدیده‌ی جدید پرواز مکانیکی کنترل‌شده مواجه بودند، قابل درک بودند. این فرضیات همچنین ریاضیات پشت‌صحنه‌ی این پدیده را ساده‌تر کرد اما این سادگی هزینه‌ای نیز دربرداشت. اگرچه توضیح بال‌هایی که در گاز ایده‌آل حرکت می‌کنند، ازنظر ریاضی ممکن است موفقیت‌آمیز باشد، ازنظر تجربی ناقص است.

در آلمان، یکی از دانشمندانی که سعی کرد مسئله‌ی لیفت را حل کند، کسی نبود به جز آلبرت انیشتین. در سال ۱۹۱۶، انیشتین مطلب کوتاهی را در مجله‌ی Die Naturwissenschaften با عنوان «تئوری مقدماتی امواج آب و پرواز» منتشر کرد که در آن می‌خواست توضیح دهد که علت ظرفیت حمل بال ماشین‌های پرواز و پرندگانی که پرواز می‌کنند، چیست. انیشتین نوشت:

ابهامات زیادی پیرامون این سؤال‌ها وجود دارد. درواقع، باید اعتراف کنم که حتی در مقالات تخصصی نیز پاسخ ساده‌ای برای آن‌ها پیدا نکرده‌ام.

انیشتین در ادامه توضیحی را ارائه داد که در آن یک سیال تراکم‌ناپذیر بی‌اصطکاک یعنی یک سیال ایده‌آل را فرض کرد. وی بدون اشاره به‌نام برنولی، با استناد به این موضوع که فشار سیال در جایی که سرعت آن آهسته‌تر است، بیشتر است و برعکس، توضیحی داد که سازگار با اصل برنولی بود. انیشتین برای استفاده از مزیت این اختلاف فشار، بالی را با برآمدگی در سطح بالای آن پیشنهاد کرد به گونه‌ای که این شکل بتواند باعث افزایش سرعت جریان هوا در بالای برآمدگی شده و درنتیجه فشار را کم کند.

انیشتین احتمالا فکر می‌کرد که تجزیه‌و‌تحلیل سیال ایده‌ال او درمورد جریان سیالات در جهان واقعی نیز به کار می‌آید. او در سال ۱۹۱۷، براساس تئوری خود بالی را طراحی کرد که به‌علت شباهت آن با پشت خمیده‌ی گربه‌ای که در حال کش آمدن است، به «بال پشت‌گربه» معروف شد. او طرح خود را نزد شرکت سازنده هواپیما LVG در برلین برد و شرکت مذکور براساس آن یک ماشین پرواز جدید را ساخت. خلبان هدایت‌کننده‌ی این هواپیما، گزارش کرد که هواپیما مانند اردک بارداری در هوا کج و راست می‌شد. مدت‌ها پس از آن و در سال ۱۹۵۴، انیشتین گشت‌و‌گذار خود را در دنیای علم هوانوردی حماقت جوانی خواند. بدین ترتیب، فردی که تئوری‌های جدید بسیاری را برای ما ارائه کرد که در همه‌ی اجزای جهانمان نفوذ کرده‌اند، نتوانست در درک لیفت یا طراحی بالی کاربردی نقشی داشته باشد.

به سوی تئوری کاملی از لیفت

مقاله‌های مرتبط:

چرا هواپیماهای جدید سرعت کمتری دارند؟

اسرارآمیزترین سوانح هوایی تاریخ

چرا اکثر هواپیماها سفیدرنگ هستند؟

رویکردهای علمی معاصر برای طراحی هواپیماها، قلمرو شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و معادله‌های ناویر استوکس است که ویسکوزیته‌ی واقعی هوا را درنظر می‌گیرند. راه‌حل‌های این معادلات و خروجی شبیه‌سازی‌های CFD، پیش‌بینی‌های توزیع-فشار، الگوهای جریان هوا و نتایجی کمی را حاصل می‌کنند که اساس طراحی هواپیماهای بسیار پیشرفته‌ی امروزی است. با این حال، آن‌ها نیز به‌خودی‌خود توضیحی فیزیکی و کیفی از فرایند لیفت ارائه نمی‌دهند.

در سال‌های اخیر، داگ مک‌لین، یکی از دانشمندان برجسته‌ی علم آیرودینامیک، سعی کرد که گام را فراتر از فرمولاسیون ریاضی محض بگذارد و به تشریح روابط علی و معلولی مسئول لیفت به شکلی که در دنیای واقعی وجود دارد، پرداخت. مک‌لین که بیشتر دوران شغلی خود را به‌عنوان مهندس در شرکت هواپیماسازی بوئینگ گذارند، ایده‌های جدیدش را در سال ۲۰۱۲ در کتابی با عنوان «درک آیرودینامیک: استدلال از فیزیک واقعی» منتشر کرد. با درنظرگرفتن این موضوع که کتاب مذکور حاوی بیش از ۵۰۰ صفحه تجزیه‌و‌تحلیل فنی نسبتا فشرده است، عجیب است که می‌بینیم بخشی با عنوان: «توضیح پایه‌ای درمورد لیفت روی ایروفویل: قابل استفاده برای مخاطبان غیرفنی» نیز دارد. آماده‌سازی این ۱۶ صفحه برای مک‌لین که خود استاد این موضوع است، ساده نبود. او در این باره می‌گوید:

این بخش سخت‌ترین بخش کتاب بود که باید می‌نوشتم. من آن را بارها بازنویسی کردم ولی هرگز کاملا از آن راضی نشدم.

توضیحات پیچیده‌ی مک‌لین درمورد لیفت با این فرض اساسی آیرودینامیک آغاز می‌شود: هوای اطراف بال مانند ماده‌ای پیوسته عمل می‌کند که برای دنبال کردن ناهمواری‌های روی سطح بال هواپیما، تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل به فرم نوار باریک عمیقی از جریان سیال هم در بالا و هم در پایین بال وجود دارد. مک‌لین می‌نویسد:

ایرفویل فشار را روی منطقه‌ی وسیعی (میدان فشار) متاثر می‌سازد. وقتی لیفت ایجاد می‌شود، ابر پراکنده‌ی کم‌فشاری همیشه بالای بال و ابر پراکنده‌ی پرفشاری نیز معمولا زیر بال ایجاد می‌شود. در محل تماس این ابرها با بال، اختلاف فشاری ایجاد می‌شود که نیروی لیفت را روی بال هواپیما اعمال می‌کند.

آزمایش کانال-آب در آزمایشگاه مکانیک سیالات ایمز ناسا؛ در این آزمایش از رنگ فلورسنت برای تجسم میدان جریان روی بال هوایپما استفاده می‌شود. خطوط جریان که از راست و چپ حرکت کرده و با برخورد با بال هواپیما خمیده می‌شوند، به نشان دادن فیزیک لیفت کمک می‌کنند

بال‌، هوا را به‌سمت پایین می‌راند و منجر به چرخش هوا درجهت پایین می‌شود. هوای بالای بال نیز مطابق با اصل برنولی سرعت می‌گیرد. علاوه‌براین، ناحیه‌ای با فشار بالا زیر بال و منطقه‌ای با فشار پایین در بالای بال وجود دارد. این بدان معنا است که در توضیح مک‌لین درمورد لیفت، چهار مولفه‌ی ضروری وجود دارد: چرخش رو به پایین جریان هوا، افزایش در سرعت جریان هوا، ناحیه‌ای با فشار پایین و ناحیه‌ای با فشار بالا. اما ارتباط بین این چهار عنصر است که جدیدترین و متمایزترین جنبه از توضیح مک‌لین به شمار می‌رود. او می‌نویسد:

آن‌ها در رابطه علی‌و‌معلولی متقابلی از هم پشتیانی می‌کنند و هیچ‌کدامشان بدون دیگری وجود نخواهد داشت. اختلاف فشار باعث اعمال نیروی لیفت روی بال هواپیما می‌شود، درحالی‌که گردش رو به پایین جریان و تغییر در سرعت جریان این اختلاف فشار را حفظ می‌کند.

همین ارتباط متقابل است که پنجمین عنصر لازم توضیح مک‌لین محسوب می‌شود: عمل متقابل بین چهار عنصر دیگر. این چهار مولفه باعث وجود و بقای یکدیگر می‌شوند و هم‌زمان و به‌طور متقابل یکدیگر را خلق کرده و با هم رابطه‌ی علیتی دارند. او در این باره توضیح می‌دهد که این نمونه‌ای از ارتباط «علت و اثر چرخشی» است. چگونه هر عنصر این تعامل می‌تواند خود بماند و تمام عناصر دیگر را تقویت کند؟ چه چیزی موجب این تعامل متقابل و پویا می‌شود؟ مک‌لین پاسخ می‌دهد: قانون دوم نیوتن درمورد حرکت. قانون دوم نیوتن می‌گوید که شتاب یک جسم یا بسته‌ای از یک سیال، متناسب با نیرویی است که بر آن اعمال می‌شود.

قانون دوم نیوتن به ما می‌گوید وقتی اختلاف فشاری نیروی خالصی را روی یک بسته‌ی سیال اعمال کند، سرعت یا جهت (یا هر دو) حرکت بسته تغییر می‌کند. اما متقابلا، اختلاف فشار به خاطر شتاب بسته وجود دارد و به آن نیز بستگی دارد. مک‌لین توضیح می‌دهد که اگر بال درحالت استراحت بود، هیچ بخشی از این مجموعه‌ی تعاملی تقویت‌کننده وجود نداشت. اما این واقعیت که بال‌ در هوا حرکت می‌کند و هر بسته سیال روی موارد دیگر تأثیرگذار است، این عناصر وابسته‌به هم را به وجود می‌آورد و آن‌ها را در طول پرواز حفظ می‌کند.

تعاملی بودن لیفت

بلافاصله پس از انتشار کتاب درک آیرودینامیک، مک‌لین متوجه شد که تمام عناصر حاضر در لیفت آیرودینامیکی را درنظر نگرفته است زیرا به‌طور متقاعدکننده توضیح نداده که چه عاملی موجب می‌شود فشار روی بال از فشار هوای اطراف متفاوت شود. بنابراین، در نوامبر سال ۲۰۱۸، مک‌لین مقاله‌ای دو بخشی را در مجله‌ی The Physics Teacher منتشر کرد که در آن توضیح فیزیکی جامعی درمورد لیفت آیرودینامیکی ارائه کرد. اگرچه این مقاله عمدتا به استدلال قبلی مک‌لین استناد می‌کند، با این حال در تلاش است که توضیح بهتری درمورد آن چه موجب می‌شود میدان فشار غیریکنواخت شود، ارائه دهد. مخصوصا، استدلال جدید وی تعامل متقابلی را در سطح میدان جریان ارائه می‌کند به‌طوری که میدان فشار غیریکنواخت نتیجه‌ای از یک نیروی اعمال‌شده باشد؛ نیروی رو به پایین اعمال‌شده روی هوا به‌وسیله‌ی بال هواپیما.

اینکه آیا آن بخش از کتاب مک‌لین و مقاله‌های پس از آن، در ارائه‌ی توضیحی کامل و درست از لیفت موفق بوده است یا نه، چیزی است که باید مورد تفسیر و بحث قرار گیرد. دلایلی وجود دارد که ارائه‌ی یک توضیح ساده، واضح و رضایت‌بخش از لیفت آیرودینامیکی دشوار است. یکی از دلایل آن است که درک جریان‌های سیال نسبت‌به حرکت اشیاء جامد بسیار پیچیده‌تر و دشوارتر است، مخصوصا جریان‌هایی که در لبه‌ی جلویی بال جدا شده و در امتداد بالا و پایین، در معرض نیروهای فیزیکی متفاوتی قرار می‌گیرد.

برخی اختلافات درمورد لیفت شامل خود واقعیت‌ها نمی‌شود بلکه شامل نحوه‌ی تفسیر آن واقعیت‌ها است؛ مثلا مسائلی که حل آن‌ها به‌وسیله‌ی آزمایش غیرممکن است. بااین‌حال، در این مرحله تنها چند موضوع برجسته وجود دارد که نیازمند توضیح است. لیفت، نتیجه‌ای از اختلاف فشار بین قسمت‌های بالا و پایین بال هواپیما است. ما در حال حاضر توضیح قابل‌قبولی درمورد آن‌چه در بخش پایین بال رخ می‌دهد، داریم:

هوای پیش‌رونده هم به‌صورت عمودی (نیروی لیفت تولید می‌کند) و هم افقی (نیروی پسا یا درگ تولید می‌کند) روی بال‌ها فشار می‌آورد. فشار روبه بالا به شکل فشار بالاتر زیر بال وجود دارد و این فشار بالاتر نتیجه‌ای از کنش و واکنش ساده‌ی نیوتنی است. اگرچه، همه‌چیز در بالای بال متفاوت است. در آنجا ناحیه‌ای از فشار پایین وجود دارد که بخشی از نیروی لیفت آیرودینامیکی نیز است. اما اگر نه اصل برنولی و نه قانون سوم نیوتن نتواند آن را توضیح دهد، چه چیزی آن را توضیح می‌دهد؟

ما از خطوط جریان می‌دانیم که هوای بالای بال به انحنای رو به پایین بال می‌چسبد. اما چرا بسته‌های هوا که روی سطح بالای بال جریان دارند، باید از انحنای رو به پایین آن پیروی کنند و از آن جدا نمی‌شوند؟

در آزمایشگاه مکانیک سیالات ایمز ناسا، خطوط جریان رنگ در کانال آب با یک هواپیمای مدل تعامل برقرار می‌کند

مارک درلا، استاد دینامیک سیالات در مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست و نویسنده‌ی کتاب «آیرودینامیک وسیله نقلیه پروازی» پاسخی ارائه می‌دهد: اگر بسته‌ها با سرعت از سطح بالای بال جدا شوند، زیر آن خلاء تشکیل خواهد شد. این خلاء سپس بسته‌های هوا را به‌سمت پایین می‌کشد تا زمانی‌که فضا پر شود، یعنی تا جایی که هوا دوباره با بال هواپیما مماس شود. این همان مکانیسم فیزیکی است که باعث می‌شود بسته‌های هوا در امتداد شکل بال حرکت کنند. مقدار خلاء جزئی نیز باقی می‌ماند تا بسته‌ها را در مسیر انحنا حفظ کند. این دور کردن یا پایین کشیدن بسته‌های هوا از بسته‌های مجاور بالا است که منطقه‌ی فشار پایین را در بالای بال بوجود می‌آورد. اما اثر دیگری نیز همراه این عمل است: سرعت بالاتر جریان هوا بالای بال. درلا می‌گوید:

فشار کاهش‌یافته روی بالی که درحال بالا رفتن است، به‌طور افقی نیز روی بسته‌های هوایی که از بالادست نزدیک می‌شوند، کشیده می‌شود، به‌طوری که وقتی آن‌ها به قسمت بالای بال می‌رسند، سرعت بیشتری دارند. بنابراین، افزایش سرعت در ناحیه‌ی بالای بالی که درحال بالارفتن است، می‌تواند به‌عنوان اثر جانبی کاهش فشار در آن ناحیه درنظر گرفته شود.

اما مثل همیشه، وقتی به توضیح لیفت در سطح غیرفنی می‌رسیم، متخصص دیگری، پاسخ متفاوتی خواهد داشت. بابینسکی می‌گوید:

من از اینکه با نظر همکار محترمم درلا مخالفت کنم، بیزارم اما اگر ایجاد خلاء یک توجیه بود، توضیح اینکه چرا گاهی در همین حال، جریان از سطح جدا می‌شود، دشوار می‌شد. اما در موارد دیگر حق با او است. مسئله این جا است که هیچ توضیح ساده و سریعی وجود ندارد.

خود درلا اعتراف می‌کند که توضیح او از بعضی جهات رضایت‌بخش نیست. او می‌گوید:

یکی از مشکلات بارز آن است که هیچ توضیحی وجود ندارد که همه آن را قبول داشته باشند.

بنابراین ما به چه نتیجه‌ای می‌رسیم؟ درواقع درست همان نقطه‌ی شروع و همان چیزی که اندرسون گفت: هیچ پاسخ ساده یک خطی برای این مسئله وجود ندارد.

ارزان‌ترین فروشنده بلیط هواپیما به تمام مقاصد دنیا را از طریق موتور جستجوی پرواز کجارو بیابید.