خلال الأشهر الماضية، شهد العالم أحداثًا استثنائية ومواقف ليست معتادة علينا، فبسبب جائحة كورونا اضطررنا أن نبقى في منازلنا للحد من انتشار العدوى وحماية أنفسنا وحماية من نحبهم من الإصابة. وللحد من انتشار الشعور بالملل من مكوثنا في المنزل، حاولنا أن نبحث عن عادات أو ممارسات أثناء فترة الحجر المنزلي.
من ضمن هذه العادات أو الممارسات المنتشرة هي الطائرات الورقية، بسبب سهولة وبساطة خطوات تصنيعها، انتشرت هذه الطائرات بين الأطفال والشباب. وفي هذا المقال سنرتكز على ديناميكية الطيران الخاصة بتلك الطائرات الورقية، وكيف يمكن أن تطير بكفاءة وفقًا لقوانين الفيزياء، أما بالنسبة لخطوات تصنيعها فتستطيع أن تشاهد عشرات الفيديوهات التوضيحية بهذا الشق على “اليوتيوب”.
ديناميكية الطيران
قبل معرفة كيفية طيران الطائرات الورقية، علينا معرفة أولًا كيف يطير أي جسم يستطيع الطيران عمومًا.
هناك أربع قوى رئيسية تشارك في الطيران: الرفع، والوزن، والدفع، والسحب.
تخيل نموذج لطائرة أمامك، وأنت تقرأ عن كيفية عمل هذه القوى معًا أثناء الطيران.
1- يحدث الرفع بسبب الاختلافات في الضغط، وذلك عندما يتدفق الهواء فوق وتحت أجنحة الطائرة.
2- يقابل الرفع الوزن، أو قوة الجاذبية التي تسحب الطائرة باستمرار لأسفل.
3- يحدث الدفع نتيجة عمل مراوح الطائرة التي تحرك الطائرة إلى الأمام.
4- يمكن أن تتمثل العلاقة بين القوى الأربعة بالمقارنة:-
– إذا كان الرفع أكبر من الوزن، سترتفع الطائرة.
– إذا كان الدفع أكبر من السحب، فسوف تزداد سرعة الطائرة.
والتفاعل بين هذه القوى الأربع هو الذي يمّكن للطائرة أن تتحرك للأمام.
تم تصميم الطائرات مع وضع هذه القوى في الاعتبار، حيث تحتاج الأجنحة إلى استخدام قوة الرفع لصالحها من خلال تشكيلها بحيث يضطر الهواء إلى الانتقال فوقها لمسافة أطول من تحتها.
ويتم تفسير ذلك من خلال ما يُعرَف بمبدأ برنولي “Bernoulli”، والذي ينص على أن الزيادة في سرعة الهواء (أو أي سائل) تؤدي إلى انخفاض في الضغط. وعندما يضطر الهواء إلى الانتقال لمسافة أبعد فوق الأجنحة، فإنه يتحرك تلقائيًا بشكل أسرع، مما ينتج عنه ضغط أقل فوق جناحي الطائرة. الهواء الذي يسافر لمسافة أقصر تحت الأجنحة يخلق ضغطًا أعلى. يؤدي الضغط الأعلى تحت الجناح إلى دفع الطائرة لأعلى عبر الهواء فوق الجناح، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط. وبمجرد رفع الطائرة، تحتاج إلى الدفع للمضي قدمًا. يتم توفير ذلك من خلال المحرك والمراوح.
إذًا، فكيف تطير الطائرات الورقية؟
تطير الطائرة الورقية بالطريقة نفسها التي تطير بها الطائرة، ولكنها تحتاج إلى رياح لمساعدتها على التحرك أكثر من الطائرة بدلًا من المحرك. فإن حركة أيدي الشخص الذي يسحب خيط الطائرة الورقية وبعض المساعدة من الرياح هو ما يوفر الدفع للطائرة الورقية. ولكي تظل الطائرة الورقية تحلق، يجب أن يكون مقدار الرفع مساويًا لمقدار الوزن، حتى تتوازن هذه القوى مع بعضها البعض. وبالمثل، يجب أن يكون الدفع والسحب متساويين.
ماذا عن الرياح؟
الرياح عبارة عن هواء يتحرك عبر الغلاف الجوي (طبقات من الهواء تحيط بكامل الأرض). عندما تسخن الأرض بفعل الشمس، فإنها لا تسخن بالتساوي في كل مكان بسبب الاختلافات التي تسببها الأرض والمياه. هذا يعني أن هناك درجات حرارة مختلفة باستمرار للهواء تتحرك في الغلاف الجوي. الهواء الدافئ له ضغط مختلف عن الهواء البارد. يرتفع الهواء الدافئ وينخفض الهواء البارد. عندما تتفاعل درجات حرارة الهواء المختلفة، تتشكل الرياح.
تُقاس الرياح بسرعتها واتجاهها، حيث نقيس سرعة الرياح بالعقد، أو بالأميال في الساعة (أو كيلومترات في الساعة)، ونقيس اتجاه الرياح وفقًا للاتجاه الذي تأتي منه، وليس اتجاه هبوبها (على سبيل المثال: الرياح الغربية هي الرياح القادمة من الغرب، وليست الرياح التي تهب باتجاه الغرب).
هناك العديد من أنماط الرياح في جميع أنحاء الأرض، والتي تلعب دورًا كبيرًا في شكل الطقس في أماكن مختلفة حول العالم خلال المواسم المختلفة. بالطبع لا يمكن التنبؤ بالرياح دائمًا، ويمكن أن تتغير بسرعة، لكن أنماط الرياح تساعد مراسلي الطقس في إجراء تنبؤات أكثر دقة.
الرياح كمصدر للكهرباء
إلى جانب القدرة على إبقاء الطائرة الورقية تحلق عاليًا، يمكن أيضًا استخدام الرياح كمصدر للكهرباء. إنه خيار جيد لأنه لا ينتج سمومًا أو مواد كيميائية ضارة، وهناك كمية غير محدودة منه، هناك دائمًا رياح في مكان ما! تستخدم طواحين الهواء (أو التوربينات) لتجميع الطاقة من الرياح. تدور شفرات الطاحونة عندما تهبها الرياح؛ مما يؤدي بدوره إلى إنشاء مولد داخل الطاحونة يعمل على توليد الكهرباء.
هندسة الطائرات الورقية
جزء من متعة الهندسة هو حرية تحسين ما تم بناؤه بالفعل، ولكن إعادة تصميم طائرة ورقية يجب أن يتم بشكل مدروس. تطير الطائرات الورقية لأعلى عندما يكون الرفع أكبر من أو يساوي الوزن، ويكون السحب والدفع في حالة توازن. ونظرًا لأن الديناميكيات التي تؤثر على طيران الطائرة الورقية معقدة، فمن الجيد معرفة المتغيرات (على سبيل المثال، موقع مركز الضغط، ومركز الجاذبية، والنقطة التي يرتبط بها خط التحكم) التي تؤثر على القوى الرئيسية للرحلة، وإجراء التعديلات بناءًا على تلك المتغيرات.
ولأن الفيزياء هو العلم الذي يدخل في جميع تفاصيل حياتنا اليومية، حتى في هواياتنا. يقول دكتور الفيزياء الشهير “والتر ليوين” (Walter Lewin) “المعلمون الذين يجعلون الفيزياء مملة هم مجرمون”. عليك أن تكون فضوليًا نحو معرفة ما وراء كل شيء في هذا العالم، شغوفًا حول معرفة معلومات جديدة في جميع المجالات، على الأقل سوف تجد ما تقوله لأحفادك لكي تجعلهم منبهرين بعد زمن طويل.
كتابة: أحمد مغربي
مراجعة: سارة صلاح
تحرير: إسراء وصفي
