چرا قانون سوم نیوتن، و نه اصل برنولی، دلیل اصلی پرواز هواپیماست

در ژوئیه ۲۰۰۶، مجله Plane & Pilot پرسشی به‌ظاهر ساده را مطرح کرد که هنوز هم بحث‌های شدیدی را میان مربیان پرواز شعله‌ور می‌کند: «برنولی یا نیوتن: حق با کدام‌یک است؟» هسته اصلی این مناقشه، نیروهای مکانیکی بنیادینی است که یک بوئینگ ۷۷۷ با وزن ۴۰۰ هزار پوند را در تروپوسفر معلق نگه می‌دارد. پاسخ به این پرسش، نحوه آموزش درک آسمان به میلیون‌ها خلبان دانشجو را تعیین می‌کند.[5]

توضیح استاندارد که در «کتابچه راهنمای دانش هوانوردی خلبانان» متعلق به اداره هوانوردی فدرال (FAA) تثبیت شده، به‌شدت بر اصل دینامیک سیالات دانیل برنولی در سال ۱۷۳۸ تکیه دارد. متن FAA توضیح می‌دهد که بال هواپیما — یا همان ایرفویل — در قسمت بالا منحنی و در قسمت پایین نسبتاً صاف است. وقتی یک جت با سرعت ۵۰۰ مایل بر ساعت حرکت می‌کند، هوایی که از روی بال می‌گذرد باید سریع‌تر حرکت کند تا به هوایی که از زیر بال می‌گذرد برسد.[3]

بر اساس این مدل سنتی، هوایی که سریع‌تر حرکت می‌کند، منطقه‌ای از فشار کمتر را در بالای بال ایجاد می‌کند. سپس فشار بیشتر در زیر بال، آن را به سمت بالا و به درون این خلأ نسبی هل می‌دهد. این توضیح ظریف است، به‌راحتی می‌توان آن را رسم کرد و تقریباً در تمام آموزش‌های ابتدایی تدریس می‌شود.[3]

با این حال، یک نقص ریاضی فاحش در این نظریه «زمان عبور برابر» وجود دارد؛ همان‌طور که پژوهشگران در مقاله سال ۲۰۲۳ خود در مجله MDPI با عنوان «سوءتفاهم پرواز بخش ۱: یک قرن ادبیات آموزش پرواز و نیروی برا» به آن اشاره کرده‌اند. هوایی که از روی بال جریان می‌یابد، در واقع در لبه عقبی بال به هوای زیرین نمی‌رسد؛ آزمایش‌های تونل باد ثابت می‌کنند که این هوا بسیار زودتر به مقصد می‌رسد.[2]

علاوه بر این، اگر اختلاف فشار ناشی از انحنا تنها عامل ایجاد نیروی برا بود، موشک‌های کاغذی با بال‌های کاملاً صاف هرگز نمی‌توانستند پرواز کنند. به همین ترتیب، خلبانان بدلکار که با ایرفویل‌های متقارن پرواز می‌کنند، قادر به حفظ پرواز وارونه نبودند، زیرا در تئوری، انحنا باید آن‌ها را به سمت زمین هل می‌داد.[2][7]

توضیح جایگزین — و از نظر مکانیکی غالب — بر قانون سوم حرکت آیزاک نیوتن در سال ۱۶۸۶ تکیه دارد: برای هر عملی، عکس‌العملی برابر و در جهت مخالف وجود دارد. هنگامی که بال با زاویه حمله مشخصی (معمولاً بین ۳ تا ۱۵ درجه در طول پرواز عادی) در هوا حرکت می‌کند، به‌طور فیزیکی حجم عظیمی از هوا را به سمت پایین می‌راند.[1]

این انحراف رو به پایین فقط به این معنا نیست که زیر بال مانند یک گاوآهن در برابر باد عمل می‌کند. هوایی که از روی بال جریان می‌یابد، سطح منحنی را به سمت پایین دنبال می‌کند؛ پدیده‌ای در دینامیک سیالات که به عنوان اثر کواندا شناخته می‌شود. بال با خم کردن جریان هوا به سمت پایین، نیروی پیوسته و رو به پایینی بر اتمسفر وارد می‌کند.[6]

به گفته سازمان ملی هوانوردی و فضایی (NASA)، نیروی واکنش به این شتاب عظیم و رو به پایینِ هوا، یک فشار رو به بالا بر روی بال است. برای معلق نگه‌داشتن یک هواپیمای ۱۵۰ هزار پوندی، بال‌ها باید در هر ثانیه به ۱۵۰ هزار پوند هوا به سمت پایین شتاب دهند. جرم خالص سیالِ جابه‌جاشده، نیروی متقابل لازم را در برابر گرانش فراهم می‌کند.[1]

پروژه دینامیک سیالات FYFD در تحلیلی در سال ۲۰۱۵ از قانون سوم نیوتن خاطرنشان می‌کند: «هوا یک سیال است و جرم دارد.» وقتی یک بال آن جرم را به سمت پایین منحرف می‌کند، نیروی مخالفِ حاصل از آن، همان معیار قابل‌سنجشی است که ما آن را نیروی برا می‌نامیم.[4]

این بحث اغلب به عنوان یک انتخاب صفر و یک مطرح می‌شود، اما متخصصان آیرودینامیک استدلال می‌کنند که این یک دوگانگی کاذب است. مقاله فنی «درهم‌شکستن افسانه برنولی» که توسط SportPilot منتشر شده، روشن می‌کند که هر دو اصل به‌طور هم‌زمان عمل می‌کنند و از نظر ریاضی غیرقابل‌تفکیک هستند. اختلاف فشاری که برنولی توصیف می‌کند، دقیقاً همان مکانیزمی است که هوا را به سمت پایین می‌چرخاند و قوانین نیوتن را برآورده می‌سازد.[7]

با این حال، ادبیات آموزشی از نظر تاریخی بیش از حد بر برنولی تمرکز کرده است، زیرا رسم میدان‌های فشار در نمودارهای کتاب درسی آسان‌تر از نرخ جریان جرم است. این ساده‌سازیِ بیش از حد باعث می‌شود خلبانان دانشجو در درک این موضوع که چگونه یک بال متقارن صرفاً با کج شدن به سمت بالا برای افزایش زاویه حمله خود نیروی برا تولید می‌کند، دچار مشکل شوند.[2]

با ترکیب این مدل‌ها، تحلیل‌های آیرودینامیک مدرن نشان می‌دهند که در حالی که برنولی نحوه انتقال نیرو در سراسر سطح بال را توضیح می‌دهد، نیوتن عمل ماکروسکوپیِ مورد نیاز برای حفظ پرواز را تبیین می‌کند. شما نمی‌توانید بدون انحراف جریان، اختلاف فشار داشته باشید و نمی‌توانید بدون ایجاد اختلاف فشار، جریان را منحرف کنید.[8]

پافشاری بر توضیح صرفاً برنولی، شکافی ماندگار میان فیزیک کاربردی و سنت آموزشی را برجسته می‌کند. دفعه بعد که یک هواپیمای مسافربری تجاری با شیب ۱۰ درجه در آسمان اوج می‌گیرد، صرفاً روی خلأ ناشی از فشار کم شناور نیست. بلکه فعالانه در حال پرتاب صدها تن اتمسفر به سمت زمین است و سوار بر نیروی واکنش، به سوی استراتوسفر بالا می‌رود.[1][8]