HEARA | מערך שיעור משוכתב ומורחב | מדע, פיזיקה ותעופה
מטרת השיעור
הכרת הכוחות הפועלים על גוף הנע באוויר והבנת הדרך שבה צורת הכנפיים משפיעה על תנועתו.
באמצעות בניית רוטוקופטר – דגם פשוט של מסוק מנייר – נגלה כיצד כוח הכבידה, התנגדות האוויר וכוחות אווירודינמיים גורמים לגוף להסתובב סביב עצמו ולרדת באיטיות.
בנוסף, נכיר את עקרון האוטורוטציה, נבחן את הקשר בין הרוטוקופטר למסוק מודרני ונחזור אל אחת ההמצאות המסקרנות של לאונרדו דה וינצ'י: הבורג האווירי.
1. האם אפשר לעוף בלי מנוע?
כשאנחנו חושבים על כלי טיס, אנחנו בדרך כלל מדמיינים מטוס עם מנועים או מסוק עם להבים מסתובבים.
אבל האם כלי טיס חייב מנוע כדי להסתובב באוויר?
התשובה מפתיעה: לא בהכרח!
הרוטוקופטר הוא דגם פשוט המדגים כיצד אפשר לנצל את זרימת האוויר כדי ליצור תנועה סיבובית, ללא מנוע, סוללה או מקור אנרגיה חשמלי.
כאשר משחררים אותו מגובה, הוא אינו נופל כמו אבן. הכנפיים שלו מתחילות להסתובב, והירידה נעשית איטית ומבוקרת יותר.
כדי להבין כיצד זה קורה, עלינו להכיר את הכוחות הפועלים עליו.
2. כוח הכבידה – מה מושך אותנו למטה?
כוח הכבידה הוא הכוח שבו כדור הארץ מושך אליו גופים בעלי מסה.
בזכות כוח הכבידה אנחנו עומדים על הקרקע, גשם יורד מן העננים וחפצים ששומטים נופלים כלפי מטה.
גם הרוטוקופטר שלנו מושפע מכוח הכבידה.
בחלקו התחתון נמצאת משקולת קטנה, המסייעת לשמור על מרכז המסה נמוך ועל גוף הרוטוקופטר בכיוון הרצוי במהלך הנפילה.
חשוב להבין: המשקולת אינה יוצרת את כוח הכבידה. כוח הכבידה פועל על כל חלקי הרוטוקופטר, והוספת המשקולת משנה את המסה ואת חלוקת המשקל שלו.
שאלה למחשבה: מה יקרה אם נשחרר באותו זמן דף נייר שטוח וכדור נייר מקומט מאותו גובה?
שניהם מושפעים מכוח הכבידה, אך התנגדות האוויר משפיעה עליהם בצורה שונה.
3. התנגדות האוויר – הכוח שמאט את הנפילה
האוויר שסביבנו אולי נראה ריק, אבל הוא עשוי מגזים ויש לו מסה.
כשגוף נע באוויר, הוא מפעיל כוח על האוויר, והאוויר מפעיל עליו כוח בחזרה.
אחד הכוחות האלה הוא כוח הגרר, או התנגדות האוויר, שפועל נגד התנועה היחסית של הגוף באוויר.
ככל שצורת הגוף ושטחו מאפשרים לאוויר להפעיל עליו התנגדות גדולה יותר, כך עשויה הנפילה להיות איטית יותר.
למשל, מצנח פתוח יורד לאט הרבה יותר מאותו מצנח כשהוא מקופל, משום ששטח הפנים שלו מאפשר התנגדות אוויר גדולה יותר.
הרוטוקופטר משתמש גם הוא בכוחות האוויר, אבל בשונה ממצנח רגיל, הוא מנצל אותם ליצירת סיבוב.
4. איך הכנפיים גורמות לרוטוקופטר להסתובב?
ברוטוקופטר שתי כנפיים המקופלות לכיוונים מנוגדים.
כאשר הרוטוקופטר מתחיל לרדת, האוויר זורם ביחס לכנפיים מלמטה כלפי מעלה. בגלל זוויות הקיפול, האוויר מפעיל על הכנפיים כוחות שאינם פועלים רק כלפי מעלה, אלא כוללים גם רכיבים היוצרים תנועה סיבובית.
התוצאה היא שהכנפיים מסתובבות סביב הציר המרכזי של הרוטוקופטר.
לתנועה הזאת קוראים סיבוב סביב הציר, ובשפה הפיזיקלית הכוח הגורם לשינוי בתנועה הסיבובית נקרא מומנט כוח.
לאחר שהרוטוקופטר מתחיל להסתובב, תנועת הכנפיים משנה את זרימת האוויר סביבן. הכוחות האווירודינמיים שנוצרים מסייעים להאט את הירידה.
שלושה שלבים בתנועה
שלב ראשון – נפילה
כוח הכבידה גורם לרוטוקופטר להתחיל לרדת.
שלב שני – תחילת סיבוב
כוחות האוויר הפועלים על הכנפיים המקופלות יוצרים מומנט סיבובי.
שלב שלישי – ירידה בסיבוב
הרוטוקופטר מסתובב, וכוחות האוויר מאטים את נפילתו.
5. מהי אוטורוטציה?
אחד העקרונות החשובים ביותר שניתן ללמוד מהרוטוקופטר הוא אוטורוטציה (Autorotation).
זוהי תופעה שבה רוטור מסתובב כתוצאה מזרימת האוויר דרכו, ולא בזכות מנוע המסובב אותו ישירות.
בזמן שהרוטוקופטר יורד, זרימת האוויר דרך הכנפיים גורמת להן להמשיך להסתובב.
אותו עיקרון משמש גם במסוקים אמיתיים.
במצבים מסוימים, כאשר מנוע המסוק מפסיק לספק כוח לרוטור, הטייס יכול להיעזר באוטורוטציה כדי להמשיך לסובב את הרוטור בזמן הנמכה ולבצע נחיתת חירום מבוקרת.
זהו הבדל חשוב:
בטיסה רגילה של מסוק: המנוע מסובב את הרוטור, שמייצר את כוח העילוי.
באוטורוטציה: זרימת האוויר בזמן ההנמכה מאפשרת לרוטור להמשיך להסתובב גם ללא כוח מהמנוע.
הרוטוקופטר שלנו הוא דגם קטן ופשוט המדגים את העיקרון הזה.
6. כוח העילוי – כיצד כנפיים פועלות באוויר?
עילוי הוא רכיב של הכוח האווירודינמי, הפועל בכיוון המסייע לגוף להתנגד לכוח הכבידה או להתרומם.
במטוסים, הכנפיים נעות דרך האוויר בזכות תנועת המטוס קדימה.
במסוקים, כנפי הרוטור מסתובבות ונעות דרך האוויר, וכך מייצרות כוח עילוי.
הרוטוקופטר אינו מסוגל להישאר במקום או להתרומם בכוחות עצמו, משום שאין בו מנוע המספק אנרגיה להמשך טיסה.
במקום זאת הוא ממיר חלק מאנרגיית הגובה שלו לתנועה סיבובית ולהנעת האוויר סביבו.
הכוחות הפועלים על כנפיו מאפשרים לו לרדת לאט יותר מנפילה חופשית.
חשוב להבחין: לא כל כוח אווירודינמי כלפי מעלה הוא בהכרח עילוי. הכוחות על כנפי הרוטוקופטר כוללים רכיבי עילוי וגרר, ושניהם משתתפים בתהליך.
7. לאונרדו דה וינצ'י – האיש שחלם על מסוק
5
לפני יותר מ-500 שנה חי באיטליה אדם יוצא דופן בשם לאונרדו דה וינצ'י.
לאונרדו היה צייר, מהנדס, ממציא וחוקר טבע. הוא התעניין במיוחד בשאלה כיצד בני אדם יכולים לעוף.
הוא חקר את מעוף הציפורים, את פעולת הכנפיים ואת תנועת האוויר.
בסביבות שנת 1485 שרטט לאונרדו מכונה שנקראה הבורג האווירי.
המכונה נראתה כמו בורג ענק בעל משטח לולייני, שהיה אמור להסתובב ולדחוף את האוויר כלפי מטה.
לאונרדו שיער שאם המשטח יסתובב במהירות מספקת, המכונה תוכל להתרומם.
התכנון כלל משטח בד מתוח על מבנה תומך, בקוטר של כארבעה מטרים.
הרעיון היה חדשני מאוד לתקופתו, אך לא הייתה אז טכנולוגיה מתאימה שתאפשר למכונה כזאת להמריא ולפעול באופן מעשי.
הבורג האווירי לא היה מסוק מודרני, אבל הוא היה שלב חשוב בהיסטוריה של רעיונות התעופה.
8. הקשר בין הבורג האווירי למסוק המודרני
הבורג האווירי
משטח לולייני שהיה אמור להסתובב ולדחוף את האוויר מטה.
המסוק המודרני
כנפי רוטור מסתובבות ומייצרות עילוי באמצעות זרימת אוויר.
למרות הדמיון הרעיוני, יש הבדל משמעותי בין שתי המכונות.
הבורג האווירי של לאונרדו התבסס על משטח לולייני גדול, ואילו המסוק המודרני משתמש בכנפי רוטור בעלות מבנה אווירודינמי שתוכנן לייצר עילוי ביעילות.
המסוקים המודרניים מצוידים במנועים, מערכות שליטה ומנגנונים המשנים את זווית להבי הרוטור כדי לשלוט בגובה ובתנועה.
הרוטוקופטר שלנו מדגים דווקא מה קורה כאשר האוויר עצמו מניע את הסיבוב.
9. בונים רוטוקופטר
הדגם המעשי של HEARA
לבניית הדגם נשתמש בשבלונה המקורית של המערך.
חומרים לכל תלמיד: שבלונת רוטוקופטר אחת, מספריים ואטב משרדי או משקולת קטנה בהתאם לערכה.
מעבר למערך המקורי ולהורדת השבלונה
שלבי הבנייה
גוזרים את השבלונה לאורך הקווים השחורים הרציפים.
מקפלים את כנף A ואת כנף B לכיוונים מנוגדים.
מקפלים את חלקי הגוף C ו-D פנימה, זה על גבי זה.
מקפלים את הקצה התחתון כלפי מעלה ומחברים את המשקולת בהתאם לשבלונה.
הארה בפייסבוק
