مقدمه ای بر پرواز پرندگان (بالزن ۱)

پرواز پرندگان، خفاش­ها  و حشرات در قرنهای مختلف جذابیت خاصی را برای بشر به وجود آورده است. در طرحهای لئوناردو داوینچی این الهام گیری نمایان است. اتولیلنتال نیز با استفاده از این مشاهده و نتیجه گیری هایی که از ساختار بال پرندگان گرفت، موفق به ساخت طرح های گلایدر با بال ثابت شد اما عدم اطلاع او از پایداری جسم پرنده منجر به مرگش شد.

در جهان میلیونها گونه از حشرات وجود دارند که قادر به پروازند. همچنین حدود 13000 گونه مهره دار از پرندگان یافت شده است که قادر به پرواز با بالهای متحرک خود هستند. از نظر مانورپذیری پرندگان و حشرات یکی از بهترین سیستم های حرکتی را در پرواز دارا می باشند. اگرچه صنعت هوانوردی حدود 100 سال است که پا به عرصه وجود گذاشته است اما سیستم پروازی در طبیعت بعد 150 میلیون سال همچنان پرابهت و پیچیده است.

اما این موضوع در یک اندازه گیری نسبی سرعت بین موجودات مختلف خود را نشان داده است، بیشترین سرعتی که انسان می تواند طی کند به اندازه 3 الی 4 برابر طول بدنش بر ثانیه است، اسب مسابقه ای به اندازه 7 برابر طول بدنش بر ثانیه، یوزپلنگ چیتا 18 برابر بدنش بر ثانیه، هواپیمای مافوق صوت SR-71 که در ماخ 3 پرواز می کند حدود 32 برابر طول بدنش بر ثانیه اما یک کبوتر معمولی به راحتی می تواند با سرعت 22.4 متر بر ثانیه پرواز کند یعنی چیزی حدود 75 برابر طول بدنش بر ثانیه. پرنده سار قادر به پرواز با سرعت 120 برابر طول بدنش بر ثانیه می باشد. گونه های مختلف پرستو توانایی پرواز در سرعت های بیش از 140 برابر طول بدنشان را دارا می باشند. مقدار شتاب مثبت توسط هواپیمای GA در اندازه 4 الی 5 g و برای هواپیمایهای جنگنده در حدود 8-10 g می باشد. این درحالیست که خیلی از پرنده ها به راحتی در شتاب  10g و حتی بیش از 14g قرار می گیرند.

پرندگان، حشرات و ماهی ها از مکانیزم مشابهی برای تولید نیروهای لازم برای حرکت بهره می برند. منبع اصلی تولید نیروهای آیرودینامیک در این موجودات، حرکت نوسانی بال هاست که به طور کلی شامل انتقال و دوران با دو درجه آزادی حرکت و یا بیشتر است. به واسطه این حرکت ها دنباله جریان تشکیل می شود که آن نیز به صورت نیروهای آیرودینامیکی ظاهر خواهد شد. روش غالب تولید نیروهای برآ و پیشران در پرواز طبیعی، بال زدن می باشد. همانطور که مثال های فراوان موجود در طبیعت گواهی می دهد، بالزدن یک مکانیزم کارآمد برای پرواز در سرعت یا عدد رینولد پایین است.

در مقایسه با پرندگان بالزن، هواپیماهای معمولی ساختاری ساده دارند. جریان هوا با سرعتی که دارد، به بالهای ثابت هواپیما برخورد می کند و نیروی برآ تولید می شود. همچنین نیروی پیشران از طریق چرخش ملخ، ایجاد می گردد .

اما پرندگان در طبیعت، تنها به صورت افقی و رو بجلو پرواز نمی کنند بلکه توانایی بالا و پایین بردن بالهای خود، شیرجه رفتن و تغییر زاویه عقبگرد بالشان را دارا هستند. در نتیجه لیفت و تراست می توانند در هر لحظه از پرواز به صورت متعادل و کاملا کنترل شده تولید شوند.

عقاب در حال مانور توسط دم

در سال 1934، آنتونی مگنان (حشره شناس)، سخن مهمی را بیان کرد. او در آن سال تصریح کرد که یک هواپیما در ابعاد واقعی که لیفت کافی برای پرواز خود دارد نمی تواند در ابعاد یک حشره، و متناسب با رژیم جریانی که حشره در آن پرواز می­کند، لیفت کافی خود را تامین کند. به عبارت دیگر اگر هواپیما را به اندازه حشره کوچک کنیم، و سرعتی معادل حشره به او دهیم، توانایی پرواز نخواهد داشت.

این موضوع، واقعیتی انکارناپذیر را بیان می کند و آن اینکه تئوری پرواز بال ثابت، توانایی تشریح پرواز پرندگان و حشرات در طبیعت را نخواهد داشت. درواقع تئوری بال ثابت، پرواز پیچیده پرندگان را می تواند در یک لحظه، تحلیل کند، بدون اینکه اثرات آیرودینامیکی و حرکتی بال در قبل و بعد از آن لحظه را در نظر بگیرد.

مرغابی در حال کاهش ارتفاع و فرود

بال­های پرندگان بالزن علاوه بر تولید نیروهای آیرودینامیکی، توانایی بالایی در ایجاد مانورهای حرکتی پیچیده دارند. این مانورها با ویژگی های خاصی که دارند، توسط وسایل پرنده ای که بشر قادر به ساختن آنها بوده، تقریبا ناممکن است. اجزای مختلفی در بدن پرنده وجود دارد که با ترکیب حرکتی آنها توانایی انجام این مانورها را خواهد داشت. پرنده بالزن توسط ترکیب حرکت فرکانسی بالها، تغییر شکل بال (عقبگرد و پیچش آن)، فرم و شکل دادن به بدن و تغییر زاویه دم، قادر است هدف خود را در سرعت های بالا، به دقت رهگیری کند.

بالهای خفاش در حال پرواز

پرندگان و حشرات هر دو از مکانیزم بال زدن به صورت فرکانسی استفاده می کنند. اما از نظر نوع و روش این کار با هم تفاوت هایی دارند و در نتیجه نحوه ایجاد نیروی های آیرودینامیکی برآ و پسا در این دو گونه متفاوت خواهد شد. به صورت کلی این الگوی متفاوت پرواز در دو گونه اصلی به چشم می خورد:

• پرندگان مهره دار
• حشرات بال دار

اگرچه در هر دو گروه امکان دارد استثنائاتی وجود داشته باشد. برای مثال الگوی پروازی مرغ مگسخوار شبیه پرواز حشرات می­باشد.

در آینده سلسله مباحث مفیدی را در زمینه پرواز پرندگان بیان خواهیم کرد. و در نهایت وارد مباحث تخصصی آیرودینامیک بالزن ها خواهیم شد. ضمنا در بخش انجمن نیز معروف ترین نمونه های ساخته شده بالزن ارائه خواهد شد.