لماذا البوابات والمداخل في السفن والطائرات البيضاوي؟

إذا سافرت على متن طائرة في أي وقت ، فمن المحتمل أن تكون على دراية بأن كل نافذة لطائرة رأيتها ذات تصميم دائري ، سواء كانت دائرة أو بيضاوية. كما اتضح ، هناك تفسير هندسي مثير للاهتمام خلف الشكل الدائري لنوافذ الطائرة. يكفي القول أن التصميم ليس من قبيل الصدفة ويهدف في الواقع إلى المساعدة في الحفاظ على سلامتك في الهواء.

لكن أولاً ، قليل من التاريخ. نوافذ الطائرات لم تكن دائماً مستديرة ، صدق أو لا تصدق. في الخمسينيات من القرن الماضي ، واجهت أول طائرة نفاثة تجارية ، دي هافيلاند كوميت ، حفنة من الحوادث المأساوية التي ارتبطت في نهاية المطاف بتصميم النافذة المربع للطائرة. باختصار ، تكون النوافذ المربعة على متن الطائرة ، إلى جانب كابينة مضغوطة ، عرضة للضغط والتشقق. بالمقابل ، تساعد الزوايا الدائرية على تخفيف مثل هذه الضغوط عن طريق توزيعها حول محيط النافذة بدلاً من تركيزها في زاوية نافذة تبلغ مساحتها 90 درجة.

الآن لماذا هناك ضغوط ، قد تتساءل بشكل معقول؟ حسنًا ، مع ارتفاع الطائرة في السماء ، ينخفض ​​الضغط الجوي الخارجي. عندما ترتفع الطائرة ، يصبح الضغط داخل الطائرة أكبر في نهاية المطاف من الضغط الخارجي ، مما ينتج عنه "فرق الضغط الذي يتسبب في تمدد جسم الطائرة قليلاً".

"المهندسون يمثلون هذا ،" الهندسة الحقيقية تلاحظ قناة YouTube ، "لكن تأثيرات دورات الضغط المتكررة مع مرور الوقت لم تكن معروفة جيدًا في ذلك الوقت. خلال آلاف الدورات ، يبدأ المعدن بالتعب ويصبح من الممكن أن تتشكل الشقوق في أماكن الضغط العالي. "

للحصول على شرح غني بالمعلومات ومزيد من المعلومات حول سبب تقريب نوافذ الطائرات وليس مربعها ، راجع مقطع فيديو YouTube أدناه.

أساسيات

بالنسبة إلى أي مادة ، مثل شريط الصلب في بقية ، ستكون هناك دائمًا قوى داخلية تقاتل نفسها لتحقيق التوازن بين بعضها البعض. عندما تنظر داخل العارضة الفولاذية برؤية مجهرية افتراضية ، يمكنك تصور الروابط الجزيئية مما تعلمته من مدارسك. في الحالة الصلبة ، بالكاد تتحرك هذه الجزيئات. وهي مرتبطة ببعضها البعض بحيث عندما تحاول شق الفولاذ في جزأين ، فإن الجزيئات الموجودة في الجزء العلوي من قضبان الصلب تمسك أيديها ولن تتركها بهذه السهولة ، والجزيئات أدناه تدفع بعضها البعض عن قرب. بمعنى آخر ، الجزء العلوي من قضيب الفولاذ يعاني من التوتر والجزء السفلي يواجه الضغط. هذا التوتر أو الانضغاط لكل وحدة مساحة مستعرضة هو ما نشير إليه تقنيًا باسم إجهاد الشد والضغط المضغوط ، على التوالي.

الثقوب والضغوط

حسنا! توقف عن ثنيها! لا يمكنك كسرها حقًا. دعنا نحفر حفرة صغيرة من الماوس في الشريط الصلب ، تمامًا مثل تلك الموجودة في رسوم توم وجيري الكارتونية. ماذا يحدث الان؟ يتم تقليل القوة التي تحتاج إلى تطبيقها لكسر قضيب الفولاذ تمامًا ، ومع ذلك لا تزال غير قريبة من تقسيمها إلى قسمين. خذ قضيبًا فولاذيًا متطابقًا وقم الآن بإسفين به. مثل قطع عميق. يخبر الحدس أنه يمكن كسر الشريط بسهولة من خلال القطع العميقة الحادة أو الكسر النامي. وذلك لأن الضغوطات حول الكراك ، وهو انقطاع ، ستكون عالية بشكل مفرط إذا ما قورنت بالضغوط الموجودة في المناطق الأخرى دون وجود ثقب أو صدع. في حالة ثقب فتحة الماوس ، يكون هذا أعلى ، وفي حالة الوتد أعلى.

إليك تحليل سريع أجريته على قضبان فولاذية متطابقة في CATIA ، لمساعدتك على تصور مفهوم تركيزات الإجهاد في الإيقافين المذكورين أعلاه.

هذه المناطق الحمراء تمثل تركيزات عالية للغاية من الإجهاد. لاحظ تركيز الضغط حول الطرف الحاد على اليمين. إنها ليست موزعة تمامًا مثل الأولى الصريحة السابقة على اليسار.

يمكن حساب الحد الأقصى من الإجهاد في مثل هذه التخفيضات الدائرية والحادة بدقة معينة باستخدام الصيغة التالية المشتقة من Charles E. Inglis. على الرغم من أنه يستخدم في الشقوق الإهليلجية ، إلا أنه لا يزال دقيقًا بالنسبة لحالتنا.

( large sigma_ text = sigma_ النص اليسار (1 + 2 sqrt < frac > اليمين) )

حيث ( sigma_ النص) هو الضغط ، ( النص) هو طول الكراك أو قطع من سطح المادة و ( النص) هو نصف قطر الطرف (قطع فتحة الفأرة لديه نصف قطر بينما الكراك له نصف قطر لا يكاد يذكر).

المداخل ، النوافذ ، البوابات ليست سوى ثقوب كبيرة في المواد

لذلك إذا كان التصدع في قضيب الفولاذ يسهل من ثني أو كسر المواد ، فكيف يجب تصميم المداخل ، والبوابات في السفن والنوافذ في الطائرات؟ في الواقع ، من خلال القضاء على أي زوايا حادة! كما رأينا أعلاه ، فإن الجروح والزوايا الحادة لديها مزيد من الضغوط تتركز حولها. بالنسبة إلى المداخل الحادة ، يكون نصف قطر الانحناء (نصف قطر الطرف) صغيرًا بشكل غير مهم وكل ما تركناه في الصيغة أعلاه هو طول المدخل. نظرًا لأن هذا ثقب كامل بخلاف ثقب الماوس نصف دائري ، فإن قيمة ( text)) تضاعف ، ثم يتضاعف بعد ذلك الضغط الموجود في المادة. كقيمة ( النص) تتناقص (كلما أصبحت الزوايا أكثر وضوحًا وضوحًا) ، تزداد الضغوط في تلك النقاط المحددة بشكل كبير ، وتتجاوز في النهاية قوة (ضغط الكسر) للمادة وتفشل بشكل كارثي. لذلك ، للحد من هذه الحوادث ، يتم تقريب الزوايا عادة ، وبالتالي الشكل البيضاوي.

تحقق التاليين الرسوم المتحركة التي تشرح هذا المفهوم بصريا. قمت بهذا التحليل من خلال تثبيت كلا الطرفين وتطبيق قوى متساوية ومعاكسة على كلا الوجهين.

المدخل الحاد

مدخل مستدير الزوايا

يمكنك أن ترى بوضوح كيف تتطور الضغوط المحلية في الزوايا ، وكيف تتصرف المواد لكل من الزوايا الحادة والدائرية. هذا يثبت بشكل عملي أن الزوايا الدائرية أكثر فائدة من الناحية الهيكلية من الزوايا الحادة. إلى جانب ذلك ، تخدم الزوايا الدائرية أيضًا غرض إضافة مانعات التسرب للمياه أو البوابات محكمة الإغلاق بكل سهولة واحتمال أقل لتطوير الشقوق ، على عكس زاوية حادة. في المرة القادمة التي تسافر فيها على متن طائرة أو سفينة ، قد يكون هذا موضوعًا جيدًا لبدء محادثة.

تم نشر هذا المنشور لأول مرة في 14 يناير 2016.

لماذا نوافذ الطائرة مستديرة؟

على الرغم من أن الجميع لن يفكروا في الموضوع أثناء التحديق خارج النافذة أثناء الرحلة ، إلا أن السؤال عن سبب تقريب نوافذ الطائرات على الحواف ، على عكس الزاوية الصعبة في منزلك أمر مثير للاهتمام. كما يوضح هذا الفيديو الصغير الذكي ، فإن نوافذ الطائرة المستديرة هي في الواقع ابتكار رئيسي للسلامة يمنع الطائرات من التفكك أثناء الطيران!

على مر السنين ، حققت هندسة الطيران قفزات هائلة في تكنولوجيا الطائرات ، مما يعني أن الطائرات يمكنها حمل المزيد من الركاب والانتقال بسرعة أكبر. غيرت الطائرات أيضًا شكلها لزيادة الأمان - بما في ذلك النوافذ. مع انطلاق الرحلات الجوية التجارية في منتصف القرن العشرين ، بدأت شركات الطيران في الطيران على ارتفاعات أعلى لتوفير المال ، حيث تقل كثافة الهواء هناك ، مما أدى إلى انخفاض عدد الطائرات. ومع ذلك ، تأتي الارتفاعات العالية مع مشاكل ، مثل حقيقة أن البشر لا يستطيعون البقاء على قيد الحياة على ارتفاع 30000 قدم. لجعل ذلك ممكنًا ، تم تغيير المقصورة إلى شكل أسطواني لدعم الضغط الداخلي. ولكن في البداية ، غادر بناة الطائرة في النوافذ المربعة القياسية وهذا التوسع يعني كارثة.

جاء دي هافيلاند المذنب في الأزياء في 1950s. بفضل المقصورة المضغوطة ، كانت قادرة على الارتفاع وأسرع من الطائرات الأخرى. ومع ذلك ، كان للطائرة نوافذ مربعة وفي عام 1953 ، تحطمت ثلاث طائرات في الهواء ، مما أسفر عن مقتل 43 شخصًا. سبب تحطم الطائرة؟ النوافذ. حيث يوجد ركن ، هناك نقطة ضعف. تحتوي النوافذ ، التي تحتوي على أربعة أركان ، على أربع نقاط ضعيفة محتملة ، مما يجعلها عرضة للانهيار تحت الضغط - مثل ضغط الهواء. عن طريق تقويس النافذة ، يتم توزيع الضغط الذي سيؤدي في النهاية إلى كسر زاوية النافذة وتقل احتمالية كسرها. الأشكال الدائرية هي أيضًا تشوه أقوى ومقاومة ، وبالتالي يمكنها التغلب على الفروق الشديدة في الضغط بين داخل الطائرة وخارجها.

لحسن الحظ ، اكتشف المصممون عيوب التصميم بسرعة كبيرة. الآن لدينا نوافذ طائرات مدورة لطيفة يمكنها تحمل ضغط الارتفاع. يعطي القدرة على النظر من نافذتك إلى العالم من 35000 قدم نظرة جديدة كاملة ، أليس كذلك؟

تشرح قناة Real Engineering على موقع YouTube المزيد عن رفض الإطارات المربعة في الطائرات في الفيديو أدناه:

أدخل العصر النفاث

في أوائل الخمسينيات ، كان هناك صوت جديد في السماء. استخدمت المحركات النفاثة لأول مرة على متن طائرات نقل الركاب. كان دي هافيلاند المذنب مفهوم جديد جذري في سفر الركاب. مع محركاتها النفاثة الأربعة المدفونة في جذور الجناح ، كانت طائرة ذات مظهر أنيق للغاية لهذه الفترة. عرض المذنب أوقات سفر أسرع مقارنة بأسلاف المروحة ، ويعزى ذلك جزئيًا إلى قدرته على الطيران أعلى في الهواء الرقيق ، والتي لم تكن محركات الدفع قادرة على القيام بها.

لمدة عام ، تمتع المذنب بنجاح هائل. كانت تحظى بشعبية لدى المسافرين لأن الرحلات الجوية المرتفعة لا تعني فقط أوقات سفر أسرع ولكن أيضًا طيران أكثر سلاسة نظرًا لقدرة Comet على الطيران فوق معظم الأحوال الجوية المضطربة ، حيث اضطرت الطائرات المروحية إلى الطيران

في عامي 1953 و 1954 ، شارك المذنب في العديد من الحوادث المميتة. تضمنت الحوادث الانهيار التام للطائرة مع فقد جميع الأرواح على متنها.

سبب هذه الحوادث قد حير المحققين. مع استرداد جميع القطع من الحطام ، يمكنهم التأكد من أن الطائرة عانت من فشل هيكلي كارثي. في نهاية المطاف ، تمكنوا من تحديد مصدر الانقسام إلى نقطة في سقف جسم الطائرة. استغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يخلصوا في النهاية إلى السبب الجذري.

آثار ارتفاع علو الطيران.

كما ذكرنا سابقًا ، تقتصر الطائرات المروحية على مدى ارتفاع الطائرة. هذا يعني أن تأثير الطيران على ارتفاعات عالية ليس في الحقيقة عاملاً في التشغيل اليومي. لننظر ، مع ذلك ، إلى الطائرات النفاثة. هذه الطائرات تطير أعلى بكثير ، في كثير من الأحيان مرتين أعلى من أبناء عمومة يحركها المروحة.

نموذج طائرة ركاب دي هافيلاند النموذجي في هاتفيلد إنجلترا. يمكنك ملاحظة الشكل المربّع للنوافذ مقارنةً بتلك التي اعتدنا عليها اليوم. كان هذا هو ما تم فعله على الطائرات التي كانت تقودها المروحيات في الماضي ، ولكن كان ذلك قاتلاً في عصر الطائرات النفاثة.

نحن نعلم أننا كبشر لا يمكننا البقاء إلا تحت ارتفاع معين إذا لم نكن نستسلم لآثار نقص الأكسجة. هذا ، بعبارات بسيطة ، يعني أننا بحاجة إلى وجود كمية معينة من الأكسجين في الهواء الذي نتنفسه أو نفقد وعينا ونهلك في النهاية. يدرك مصنعو الخطوط الجوية هذا الموقف ، ونتيجة لذلك ، تم الضغط عليهم في كابينات الطائرات عندما يُتوقع أن ترتفع هذه الطائرة فوق الارتفاع المقبول.

في الماضي ، قدمت معظم الطائرات ضغطًا في المقصورة وهو ما يعادل تقريبًا الضغط عند ارتفاع 10000 قدم فوق مستوى سطح البحر. في الطائرات الأكثر حداثة اليوم مثل Airbus A350 أو Boeing 787 Dreamliner ، يكون الضغط المعروض أقرب من الضغط الموجود على ارتفاع 6000 قدم فوق مستوى سطح البحر. من الواضح أنه كلما كان ارتفاع الضغط منخفضًا ، زاد راحة الركاب لأنه أقرب إلى ما اعتادوا عليه على الأرض.

مصنوعة طائرات اليوم من سبائك معدنية مختلفة ولها نسبة عالية جدا من القوة لوزن. على الرغم من ذلك ، لا يزال هناك بعض النمو والانكماش المتوقعين لجسم الطائرة في كل مرة تتسلق فيها الطائرة وتهبط. يُعرف كل إقلاع وتسلق ونزول وهبوط بالدائرة. الطائرات التي تحتوي على كميات كبيرة من الدورات هي تلك التي تستخدم في القفزات المنزلية القصيرة بدلاً من تلك التي تقوم برحلات طويلة عبر القارات أو عبر المحيطات. يتم فحص هذه الطائرة بدقة بحثًا عن أي تشققات أو تعب معدني ناتج عن العديد من الدورات التي يكون فيها جسم الطائرة عرضة للعديد من أحداث التوسيع والانكماش.

قبل ظهور العصر النفاث ، لم يكن فهم آثار الدورات والتعب المعدني مفهومًا لأنها لم تنطبق على الطائرات التي استخدمت حتى الآن. لم يكن حتى المذنب طار أعلى بكثير وتحمل العديد من الدورات التي تحطمت الأشياء. لا يزال المذنب يطير في القفزات القصيرة إلى حد ما وفقًا لمعايير اليوم ، تمامًا مثل طائرات المروحة اليوم. تشمل الرحلة من لندن إلى سنغافورة العديد من محطات التوقف مثل لندن وروما والقاهرة وكراتشي وكالكوتا ورانغون وسنغافورة. هذا هو 6 دورات لرحلة واحدة.

نوافذ مربعة

كما ذكر أعلاه ، كان محققو تحطم المذنب قادرين على تحديد مصدر الفشل الهيكلي إلى حد ما في سقف جسم الطائرة. يبدو كما لو أن صدعًا قد فتح على طول أحد الوصلات بين قطع من الجلد الألومنيوم. بعد مرور بعض الوقت والاختبار ، تبين أن الكراك قد بدأ في زاوية أحد النوافذ.

تم تصميم المذنب بنوافذ مربعة تمامًا مثل أسلافه التي تحركها المروحة. على عكس أسلافها التي تحركها المروحة ، واجهت المذنب فرقًا أكبر بكثير في الضغوط حيث ارتفعت أعلى بكثير. أظهرت الاختبارات أن الضغوط الهيكلية ستجد دائمًا أضعف نقطة ، والتي كانت في هذه الحالة زاوية نافذة مربعة. بدلاً من امتصاص الضغط بالتساوي في جميع أنحاء الهيكل ، وجد أن نافذة النافذة هي أضعف نقطة أصبحت محور الضغط.

دان إير لندن كوميت G-AYWX. واصلت دي هافيلاند المذنب مع نوافذ مدورة إلى 30 عاما من الخدمة الناجحة. نرى هنا نموذج Comet 4C الأكبر الذي تضمن نوافذًا مستديرة وأقراصًا جانبية لمزيد من الوقود.

تم تأسيس المذنب لمدة عامين أثناء إجراء البحث وإجراء تصحيحات على التصميم. في حين أن علامة Comet لم تطير أبدًا مرة أخرى وتأثرت المبيعات بشدة بالإصدارات التالية ، إلا أنها استمرت في النجاح لمدة 30 عامًا مع نوافذ مدورة.

فلماذا قمنا بتدوير النوافذ على الطائرات؟ هو الحفاظ على السلامة الهيكلية وتوزيع القوى الكبيرة المطبقة على جسم الطائرة بالتساوي.

إذا كنت تحبنا ، يرجى مشاركتها مع متابعيك.

شاهد الفيديو: مداخل البوابات السبع (شهر فبراير 2020).