دانلود مقاله چرا توپ گلف را زبر می سازند؟

10 صفحه word

چرا توپ گلف را زبر می سازند؟

در حالیکه بسیاری از افراد اعتقاد دارند که  بازی گلف یکی از ورزشهای کم تماشاگر و جذاب است در عین حال برای مهندسین هوافضا این بازی نه بعنوان ورزش بلکه به لحاظ شک توپ گلف به آن علاقمند هستند.خیلی از افرادی که گلف بازی می کنند حتی نمی دانند که چرا توپ گلف به صورت تورفتگی هایی در سطح آن ساخته می شود.

قبل از توضیح هدف از ایجاد تورفتگیها در سطح توپ بایستی ویژگیهای آئرودینامیکی یک جسم کروی شکل مثل یک توپ پینگ را بدانیم. اگر در یک دنیای فرضی بدون هرگونه اصطکاکی زندگی کنیم، جریان هوا اطراف یک جسم کروی صاف شبیه به آنچه که در شکل (شکل شماره 2) نشان داده شده است رفتار خواهد کرد. در این شکل زاویه q موقعیت امتداد سطح کره را نشان می دهد. لبه ابتدائی کره که شروع برخورد جریان ورودی است در q=0 درجه است درحالیکه لیه انتهایی در q=180 درجه است. موقعیت  q=90 درجه سطح بالای کره، q=270 سطح پائین کره و q=360 درجه گرداگرد سطح پشتی تا لبه شروع کره را نشان می دهد. توجه داشته باشید که در این موقعیت فرضی جریان هوا در اطراف کره یک الگوی کاملا متقارن را ایجاد کرده است. الگوی خطی اطراف سمت جلویی که از 270 درجه تا 90 درجه است، مشابه الگوی جریان در قسمت پشتی کره از 90 درجه تا 270 درجه است.

تصویر پائینی در این شکل توزیع فشار را در گرداگرد سطح کره که از طریق ضریب بدون بعد فشار C_p بیان می شود، نشان می دهد. مقادیر مثبت (+) C_p نشان دهنده وجود فشار بالاست درحالیکه مقادیر منفی C_p فشار پائین را نشان می دهد. بین محدوده های با فشار بالا و محدوده های با فشار پائین اختلاف وجود دارد که باعث ایجاد نیروهای آئرودینامیک بر روی بدنه یک جسم شبیه از جا کندن و کشش می گردد.

هرچند این الگوی جریان فرضی مسائل جالبی را به ما گوشزد می کند. باید توجه داشت که فشار در قسمت جلویی کره یا در q=0  بالاست. وجود این مقدار فشار بالا نشان می دهد که فشرده شدن هوای ورودی در قسمت جلو باعث ایجاد نیروی کشش (نیروی مقاوم) می گردد. با اینحال فشار در قسمت پشت کره یا q=180 نیز بالا بوده و کاملا با فشار قسمت جلوی کره برابر است. وجود چنین فشار بالایی به شکل واقعی باعث ایجاد ضربه یا کشش منفی می گردد که نیروی مقاوم موجود در بخش جلویی کره را خنثی می کند. بعبارت دیگر این وضعیت تئوریکی این موضوع را القا می کند که هیچگونه نیروی کشش بر روی سطح کره وجود ندارد.

این موضوع در اوایل برای محققین آئرودینامیک گیج کننده بود بدلیل اینکه با اندازه گیریهای آزمایشگاهی که نشان دهنده تولید کننده کشش بود دارای تناقض بود.  ناسازگاری بین تئوری و آزمایشات یکی از بزرگترین معماهای اواخر قرن نوزدهم بود که بعنوان پارادکس آلمبرت می شناختند و بخاطر ریاضیدان و فیزیکدان مشهور Jean le Rond d’Alembert (1717-1783)   کسی که برای اولین بار وجود اختلاف را کشف کرد نامگذاری شده است.

دلیل تئوری فرضی آلمبرت برای رد رفتار واقعی آئرودینامیکی از یک جسم کروی اینست که او از تاثیر اصطکاک در محاسباتش صرفنظر کرد. محیط جریان واقعی اطراف یک جسم کروی به نظر خیلی متفاوت تر از پیش بینی های تئوری وی می رسد بدلیل اینکه اصطکاک باعث پدیده شناخته شده ای به نام جدایش جریان می گردد. این اثر را می توان با مطالعه و بررسی نمودار زیر از جریان واقعی اطراف یک جسم کروی صاف بهتر درک نمود. در این جا می توان مشاهده کرد که محیط جریان در اطراف جسم کروی خیلی متقارن نیست. درحالیکه جریان در اطراف کره فرضی در امتداد سطح بیرونی ادامه پیدا می کند، جریان واقعی خیلی طولانی نخواهد بود. وقتی جریان هوا امتداد سطح را طی می کند، می گوئیم که جریان صورت گرفته است. نقطه ای که جریان از سطح جدا می شود، نقطه جدایش نامیده می شود و جریان پائین دست این نقطه بعنوان جریان جدا شده شناخته می شود. محدوده جریان جدا شده  از طریق جریان های چرخشی و غیر ماندگار که باعث ایجاد گرداب می شود شناخته می شود.

عامل این جدایش را می توان قسمت بالای توزیع فشار در اطرف جسم کروی مشاهده کرد. همانطور که جریان به سمت پائین دست از موقعیت  q=90° یا q=270° حرکت می کند با افزایش فشار مواجه می شود. زمانیکه جریان با افزایش فشار همراه است، با یک گرادیان فشار منفی مواجه هستیم. تغییر در فشار معکوس است بدلیل اینکه باعث می شود جریان هوا کند شده و مومنتوم را از دست بدهد. همانطور که افزایش فشار ادامه می یابد، جریان همچنان کن تر شده تا اینکه سرعتش به صفر می رسد. و این بدین دلیل است که جریان مومنتومی را به سمت جلو نداشته و لذا از سطح جدا می شود.

با جدایی جریان از سطح نتیجه توزیع فشار همانند امتداد خط چین نشان داده شده در شکل نخواهد بود. درعوض جریان جدا شده یک محدوده با فشار پائین را بدنبال آن ایجاد می کند. این رفتار را در سمت دیگر جسم کروی از 90° < q < 270° می بینیم. در اینجا، توزیع واقعی فشار، که با خط پیوسته نشان داده شده است، منفی باقی می ماند. فشار در قسمت پیشانی بالا بوده هرچند که برای یک جسم کروی فرضی است. حال که فشار در پیشانی خیلی بیشتر از مقدار آن در بخش پشتی  است، نتیجتا یک نیروی کششی بر جسم کروی وارد می شود. با درنظر گرفتن اثر اصطکاک انطباق تئوری و…