تأثير كواندا

التاريخ

علاوةً على ذلك، استُخدم تأثير كواندا كذلك في تصميم "الأطباق الطائرة" مثل طائرة أفرو كندا VZ-9AV أفروكار. واليوم توجد تطبيقات تقنية لهذا التأثير في مجال الطيران، وسباقات الفورمولا ١ ومجالات أخرى.

وفي هذا الصدد، في عام ١٩١٠ بنى "هنري كواندا" أول طائرة له، وهي طائرة كواندا-١٩١٠. كان من المفترض أن تعمل بمحرك نفاث حراري، وهو مزيج من ضاغط يعمل بمحرك مكبسي وغرفتي احتراق. رُكّب المحرك في مقدمة جسم الطائرة، وصُمم لدفع نفاثتي الدفع بشكل مائل إلى الخلف/الخارج. مع ذلك، لاحظ كواندا خلال الاختبارات الأولية أن الغازات الساخنة تتبعت انحناءات جسم الطائرة وتدفقت على طولها. دُمرت الطائرة خلال هذه الاختبارات، ولم تُجرى أي تجارب عملية أخرى على المحركات النفاثة لمدة ٣٠ عامًا على وجه التقريب.

تدفقت السوائل

وفي السياق ذاته، يعود التصاق السوائل بالمواد الصلبة أثناء تدفق السوائل عليها إلى تفاعلات جزيئية على السطح، مثل تفاعل فان دير فالس. ويتسبب هذا التفاعل كذلك في التصاق السوائل بالسطح السفلي للأسطح الأفقية. لذا فإن انحراف تيار الماء في هذه الحالة لا يعود إلى تأثير كواندا، الذي يعتمد على تفاعل تيار الماء مع رقيقة الماء الملاصقة له وبالسطح الصلب المجاور.

تطبيقات

إضافةً إلى ذلك، من التطبيقات الأخرى طائرة الهليكوبتر NOTAR، التي تُغني عن الحاجة إلى مروحة الذيل: حيث يُدفع الهواء على ذراعها الأنبوبي الدائري حول تيار الهواء الهابط للمروحة في منطقة هذا التيار، مما يُعاكس جزئيًا عزم الدوران المعاكس للمروحة. مع ذلك، يلزم وجود فوهة تحكم متغيرة في نهاية الذراع. تكمن المزايا في التخلص من الأجزاء الميكانيكية الثقيلة والمعقدة، وزيادة الأمان بشكل ملحوظ. أما المقابل فهو الحاجة إلى منفاخ داخلي إضافي لتوليد تدفق الهواء عند ذراع الذيل. ومن النماذج الأولية طائرة MD Explorer.

من جانب آخر، يُوضع المحرك فوق الجناح مباشرةً، ويتم توجيه قوة دفعه إلى الأسفل بواسطة نظام رفرف على الجناح، مما يُحدث تأثيرًا شفطيًا. وبطبيعة الحال، لا يتحقق هذا التأثير إلا في مساحة صغيرة جدًا من الجناح؛ أما باقي الجناح فيعمل في تدفق هواء "طبيعي". كان من أوائل تطبيقاته الطائرات السوفيتية أنتونوف An-32، وAn-72، وAn-74، وفي طائرة بوينغ YC-14، المرشحة لمشروع النقل المتقدم متوسط الإقلاع والهبوط القصير (AMST) التابع لسلاح الجو الأمريكي. لكي يكون هذا التصميم مفيدًا، فإنه يتطلب قوة محرك هائلة؛ كما يجب أن تكون رفارف الجناح في منطقة محرك الدفع قوية ومحمية بشكل خاص. وهناك كذلك مشاكل كبيرة تتعلق بالتحكم والسلامة (مثلًا، في حالة تعطل المحرك).

ومن ناحية أخرى، في عام ٢٠١٢، شقّ هذا المبدأ طريقه كذلك إلى سباقات الفورمولا ١: إذ تستعمل أنظمة العادم هذا التأثير لتوليد قوة ضغط سفلية أكبر عن طريق توجيه غازات العادم إلى الفجوة بين العجلات الخلفية والأرضية، وبالتالي حماية المشتت من تدفق الهواء الجانبي.

تيارات الغاز

علاوةً على ذلك، على النقيض، يمكن كذلك باستخدام سطح "متحرك" إثبات كيفية "تعلقه" تيار غاز بدلا من سائل. توضح التجربة البسيطة التالية ذلك:

وفي هذا الصدد، من الآثار الجانبية لظاهرة "تعليق" كرة تنس الطاولة في تيار هواء مائل: فبسبب تأثير كواندا، لا ينفصل تدفق الهواء عن الكرة، بل يحيط بها (على وجه التقريب) بشكل كامل دون انفصال. ولأن الكرة معلقة أسفل مركز تدفق الهواء بقليل، فإن التدفق حولها غير متناظر. ينحرف المزيد من الهواء إلى الأسفل، لأن سرعة التدفق ومساحة المقطع العرضي أقل في أسفل الكرة مقارنةً بأعلاها. ونتيجةً لذلك، تتعرض الكرة لقوة دافعة للأعلى. يحدث هذا بالتزامن مع تأثير ماغنوس (دوران الكرة). كلا التأثيرين - كلٌ على حدة - يمنع الكرة من السقوط إلى الأسفل، بل يجعلها "تنزلق" على طول الجانب السفلي من تدفق الهواء. تحافظ مقاومة الكرة لتدفق الهواء على مسافة بينها وبين الفوهة، وتمنعها الجاذبية من الانجراف بعيدًا. وهكذا، يمكن للكرة أن تحوم في وضع مستقر إلى حد ما.

من جهة ثانية، نفترض مسك ورقة في يدنا ونقوم بنفخ الهواء فوقها؛ فيحدث أن ترتفع صفحة الورقة إلى أعلى.

وفي هذا السياق، تتكون فقاعة على السطح العلوي (المحدب) للورقة. تُرفع الفقاعة، فتلتصق الورقة بتيار الهواء وتبقى معلقة. بما أن الورقة خفيفة الوزن، فتحدث حالة توازن: سطح الورقة (أو الجناح) قابل للحركة، لذلك يمكنه "الانثناء" إلى أعلى بسبب تدفق الهواء، وينحرف التدفق بشكل طفيف فقط - بالقدر اللازم للتغلب على وزن الورقة.

التفسير

وفي السياق ذاته، يسار: ينفصل التدفق بسرعة نسبية – يمين: يتبع النفاث السطح (تأثير كواندا)

علاوةً على ذلك، يزداد فهم تأثير كواندا صعوبةً عند تفاعله مع تأثيرات أخرى في تجارب مختلفة، مثل تجربة كرة تنس الطاولة المذكورة سابقًا، حيث يؤدي تأثير ماغنوس إلى تأخير الانفصال.

علاوةً على ذلك، يصبح فهم تدفق كواندا أكثر صعوبة في الفضاء ثلاثي الأبعاد، لأن الانفصال لا ينتج فقط عن السكون (من الخلف)، بل يحدث كذلك على جانبي الشعاع نتيجة التسارع الجانبي، مما يؤدي إلى تضييق الشعاع وزيادة سمكه.

علاوةً على ذلك، وصف كواندا ما يلي: يتدفق نفاث الغاز - أي التدفق المحصور مكانيًا والذي يختلف اختلافًا كبيرًا عن محيطه (الساكن عادةً) - على طول سطح ما. إذا تراجع السطح بالنسبة لاتجاه التدفق الأصلي، فإن التدفق لا يستمر في خط مستقيم بل يتبع السطح. قبل هذه الملاحظة، كان كواندا قد أجرى بالفعل تجارب مكثفة على التدفقات "العادية" (أي ليست نفاثات) وكان على دراية تامة بأن التدفقات العادية لا يمكنها إلا أن تتبع منحنى محدب إلى حد محدود ثم تنفصل.

الظروف التي تعيق فهم تأثير كواندا:

علاوةً على ذلك، في التدفق العادي ينطبق مبدأ برنولي خارج الطبقة الحدية. ويُطبق كما يلي: جناح محدب متراجع ← مساحة أكبر للتدفق ← تباطؤ التدفق بحسب قانون حفظ الكتلة ← زيادة الضغط بحسب مبدأ برنولي. في الرسم التوضيحي يُصوَّر تدرج الضغط بتأثيره الكابح - أي تـأثيره السلبي (-∇p هو التغير السلبي في الضغط p) . في الطبقة الحدية، تنتقل الزيادة في الضغط من التدفق غير المضطرب إلى الجناح دون تغيير. عندها يتباطأ التدفق ليس فقط بفعل الاحتكاك، بل كذلك بفعل ارتفاع الضغط، مما يؤدي سريعًا إلى الركود والانفصال.

وفي السياق ذاته، يتكون كلا نوعي التدفقين من طبقة حدية احتكاكية رقيقة جدًا بالقرب من الجدار (باللون الرمادي الداكن في الرسم التوضيحي)، وفي المناطق الأبعد، يوجد جريان لا يتأثر باحتكاك الجدار. تحدد الطبقة الحدية الظروف التي يتوقف عندها التدفق على الجناح في محيطه المباشر، ثم يمكنه فيما بعد مغادرة الجناح (انظر انفصال التدفق).

وعلى صعيد آخر، يكمن الاختلاف الرئيسي عن تدفق كواندا في أن تدفق كواندا يتميز بتدفق تيار هوائي على طول الجدار (تأثير تيار الجدار). يتكون تدفق كواندا بالتالي من طبقة حدية، وطبقة رقيقة نسبيًا غير مضطربة (التيار الهوائي)، ثم طبقة احتكاكية أخرى مع الكتل الهوائية "الخارجية" (موضحة باللون الرمادي الفاتح في الرسم التخطيطي). يكون الهواء الخارجي ساكنًا؛ لذا لا يوجد ارتفاع في الضغط بحسب مبدأ برنولي. وبالتالي يغيب السبب الرئيسي للانفصال في الطبقة الحدية مع الجدار (الجناح) . لذلك يلتصق تدفق كواندا بالجدار لفترة أطول من التدفق العادي. الأحتكاك هو ما يؤدي في النهاية إلى انفصال تدفق كواندا (← إجهاد القص)، وقوة الطرد المركزي (I، والتي عادةً ما تكون ضئيلة في التدفق العادي).

ومن جهة أخرى، بما أن تدفق الهواء النفاث في عمليات الطيران العادية لا يمتد على طول الأجنحة، بل يتدفق تدفقًا طبيعيًا ينطبق فيه قانون برنولي في كل مكان خارج الطبقة الحدية، ويزداد فيه الضغط p، فلا يمكن استخدام تدفق كواندا لتفسير توليد قوة الرفع.

إضافةً إلى ذلك، في هذا السياق نتم مقارنة تدفق يُظهر تأثير كواندا (يُشار إليه هنا اختصارًا بـ "تدفق كواندا") بتدفق عادي، مثلًا تدفق على جناح طائرة. إن قدرة تدفق كواندا الأكبر بكثير على تتبع سطح محدب وعدم الانفصال أمرٌ لافت للنظر. لذا فمن المفيد تسليط الضوء على الاختلاف بين جريان كواندا والجريان العادي، إلى جانب أوجه التشابه بينهما.