نخستین ماشین های پرواز

سِر جورج کایلی: پیشگام در هوانوردی

«پرنده وسیله ای است که طبق قوانین ریاضی کار می کند؛ وسیله ای که انسان توانایی تقلید از آن را دارد»
لئوناردو داوینچی
بیش از یک قرن بود که انسان با بالون در هوا پرواز می کرد. اما اوتو لیلینتال در حال آزمایش وسیله ی دیگری بود. او روی پرواز با ماشینی سنگینتر از هوا کار می کرد.
سابقه کار در این زمینه نیز به سالها قبل می رسید. پس از موفقیت نخستین پروازهای بالون، یک بارونت انگلیسی به نام سِر جورج کایلی، رشته آزمایشهایی را برای درک اصول پرواز شروع کرد و همین نقطه ی آغاز کار روی پرواز با ماشینهای سنگینتر از هوا بود. او ابتدا روی فرفره ی چینی، همان بازیچه ی سحرآمیز دوران کودکی برادران رایت، تحقیق کرد. در سال 1796 نوع پیشرفته ی این فرفره ها را ساخت که تا ارتفاع 27 متر از زمین بلند می شد. سپس این سؤال به ذهنش رسید که اصولاً اجسام چگونه در هوا پرواز می کنند.
ابتدا به بررسی پرندگان پرداخت. سپس در سال 1804 گلایدر مدلی طراحی کرد که در ساخت آن همان اصول ساخت بادبادک کاغذی رعایت شده بود؛ این گلایدر در حدود هجده متر در هوا پرواز می کرد. سپس گلایدری با اندازه ی واقعی ساخت که بدون سرنشین، با موفقیت از فراز تپه ای به پرواز درآمد. مدتها بعد مدل پیشرفته ای از آن ساخت و به کالسکه ران وحشت زده ی خود دستور داد سوار گلایدر شود تا ببیند چگونه پرواز می کند. کالسکه ران زنده ماند، اما به محض اینکه پایش به زمین رسید از شغل خود استعفا داد.

توازن، وزن و هوا

در سال 1809 کایلی نتیجه ی تحقیقات خود را منتشر کرد. او در مقاله ای با عنوان در باب ناوبری هوایی پرواز با ماشینهای سنگینتر از هوا را در جمله ای توصیف کرد که بعدها مشهور شد. او نوشت که مسئله به اینجا منتهی می شود: وادار کردن یک سطح به «تحمل وزنی مفروض از طریق به کارگیری نیروی مقاومت هوا».
او برای توضیح منظور خود بالهای پرنده را مثال می زند. وقتی پرنده به سمت جلو پرواز می کند، هوا با زاویه ای کوچک به بالهایش برخورد می کند. باد که در امتداد افقی حرکت می کند روی این سطح شیبدار چنان اثر می کند که پرنده در هوا بلند می شود. این سطح وزن پرنده را تحمل می کند و پرنده در آسمان اوج می گیرد.
علاقه ی کایلی به پرواز با ماشینی سنگینتر از هوا نظر ویلیام هنسون، مهندس نساجی، را به خود جلب کرد. هنسون در سال 1842 افکار کایلی را واضحتر از خود او جمع بندی کرد. او نوشت:« اگر جسمی سبک و تخت، یا تقریباً تخت، در امتداد لبه و با زاویه ی شیب اندکی پرتاب شود، در هوا بالا می رود تا نیروی وارد بر آن کاملاً مصرف شود».
تا زمانی که این دو شرط تأمین شوند، جسم به بالا رفتن در هوا ادامه می دهد. لبه ی جلو جسم باید بالاتر از لبه ی عقب باشد و توانی که آن را به طرف جلو می راند به نحوی تأمین شود.
هنسون چنین استدلال کرد که آنچه توان ماهیچه ای برای پرنده انجام می دهد، بخار می تواند برای انسان انجام دهد. او در دهه ی 1840 طرحی از «کالسکه ی بخار هوایی» تهیه کرد که ساختمانی شبیه بدن پرنده داشت. تهیه این طرح گامی به جلو بود، زیرا برخلاف بالون، بالهایی داشت که با نیروی بخار کار می کرد و می توانست پرواز پرندگان را تقلید کند.
طرح هنسون در عمل کار نکرد و هنسون که نومید شده بود ‌آزمایشهای خود را رها کرد و به ایالات متحده ی آمریکا مهاجرت کرد. اما شریک او، جان استرینگ فلو، کار را دنبال کرد و در 1848 مدل آزمایشی جدیدی ساخت.
فاصله ی نوک بالهای این مدل سه متر بود و با بخار کار می کرد. قرار بود آن را به کمک کشش کابل محکمی، پرتاب کنند.
این مدل در یک کارخانه ی توربافی قدیمی آزمایش شد؛ ماشین استرینگ فلو به کمک کابل پرتاب شد، تا انتهای کابل جلو رفت و تحت اثر توان خود حرکت به طرف بالا را ادامه داد تا عاقبت به چادر برزنتی رسید که برای گرفتن آن نصب شده بود. این نخستین باری بود که یک هواپیمای مدل موتوردار می توانست پرواز آزاد انجام دهد.

مشغله ی ذهنی لیلینتال

در دهه ی 1860، پسری به نام اوتو لیلینتال به جمع مشتاقان پرواز پیوست. او به اتفاق برادرش بالهایی از جنس چوب ساخت که به آسانی باز و بسته می شد. حاصل کار موفقیت آمیز نبود، اما اوتو کار خود را ادامه داد. وقتی بزرگ شد، تلاش برای پرواز مهمترین مشغله ی ذهنی او شد.
اوتو که مهندس طراحی شده بود به این نتیجه رسید که همه مخترعان یک ویژگی مشترک دارند. آنها اطلاعات زیادی در مورد پرواز داشتند یا می پنداشتند که چنین اطلاعاتی دارند. پرواز فعالیتی عملی بود. استدلال اوتو این بود که برای آموختن فعالیتهای عملی باید آنها را انجام داد. راه حل معمای پرواز، رفتن به هوا بود.

منحنی گوژپشت

«مقاومت هر جسم در برابر هوا با مقاومت هوا در برابر آن جسم، مساوی است».
لئوناردو داوینچی
لیلینتال، مانند کایلی، بررسی پرندگان را آغاز کرد. در سال 1889، نتایج تحقیقات خود را به صورت کتابی منتشر کرد که امروزه قدیمیترین کتاب درباره ی پرواز مکانیکی به شمار می رود. یکی از مهمترین نکاتی که او دریافت به شکل بال پرنده مربوط بود؛ به شکل سطح مقطع بال، نه به شکل طولی آن. مقطع بال پرنده مستقیم نیست، بلکه «قوز» دارد. بال پرنده منحنی گوژپشت کم ارتفاعی را دنبال می کند که شیب آن در یک طرف تندتر از طرف دیگر است. این شکل را «برگه ی هوابر» یا «مقطع بال» می نامند و پرواز مکانیکی بر همین شکل استوار است.
وقتی یک برگه ی هوابر، یا به عبارتی مقطع بال هواپیما، در حال پرواز است هوا هم از زیر و هم از روی آن عبور می کند. چون سطح رویی مقطع بال از سطح زیری آن وسیعتر است هوایی که از روی بال عبور می کند مسافت بیشتری را باید بپیماید و در نتیجه سریعتر حرکت می کند.
اصل برنولی، که یکی از اصول فیزیک است، می گوید که وقتی سرعت گاز یا مایع در حال حرکت افزایش یابد، فشاری که بر سطوح اطراف خود وارد می کند، کاهش می یابد. هوایی که از روی بال هواپیما عبور می کند، در مقایسه با هوایی که از زیر بال می گذرد، بر سطح بال فشار کمتری وارد می کند.
این فشار کمتر در بالای بال اثر مکشی ایجاد می کند و این اثر را «برآ» می نامند. در نتیجه هوایی که از روی سطح بال می گذرد، در جهت بالا کشیدن بال عمل می کند. نیروی برآ نیرویی است که با بیشتر شدن سرعت حرکت بال به طرف جلو، افزایش می یابد. بنابراین هرچه سرعت هواپیما بیشتر شود، نیروی بالابرنده ی وارد بر بالهای آن بیشتر می شود. در عین حال هوای زیر بال نیز آن را به طرف بالا هل می دهد.

برآ و پسا

نیروی گرانی همیشه در برابر پرواز هواپیما مقاومت می کند و سعی دارد آن را به طرف زمین بکشاند. نیروی دیگری که با حرکت هواپیما به طرف جلو مقابله می کند، نیروی «پسا» نام دارد. نیروی پسا اصطکاک حاصل از برخورد هواپیما با هواست. این نیرو نیز، مانند نیروی برآ، با افزایش سرعت بال، افزایش می یابد. بنابراین اگرچه هوا سعی دارد هواپیما را بالا بکشد، در عین حال سعی می کند آن را به عقب براند.
در اینجاست که زاویه ی برخورد هوا با بال، یعنی شیب مختصر به طرف بالا، اهمیت پیدا می کند. بهترین نمونه ی برخورد زاویه ای است که بیشترین نیروی برآ و کمترین نیروی پسا را ایجاد کند. این زاویه، بسته به سرعت حرکت بال، همواره در حال تغییر است. اگر این زاویه بسیار کم شود و بال به حالت افقی نزدیک شود، نیروی برآ کاهش و نیروی پسا افزایش می یابد. اگر این زاویه بیش از حد تند شود، اوضاع خطرناک می شود، زیرا نیروی برآ کاهش و نیروی پسا افزایش می یابد و هواپیما از پرواز باز می ماند.
منبع: اسپراول، آنا؛ (1385)، برادران رایت: تولد هوانوردی مدرن، محمدرضا افضلی، تهران، مؤسسه فرهنگی فاطمی، چاپ دوم.