برج إيفل أول مختبر للديناميكا الهوائية في فرنسا

برج إيفل أول مختبر للديناميكا الهوائية في فرنسا : فجر العشرون عشر قرن، استغرق غوستاف إيفل الاستفادة من البرج الجديد لدراسة السقوط الحر ومقاومة الهواء. للمضي قدمًا ، قام ببناء نفق للرياح في الموقع ، مما سمح له بالوصول إلى سرعة هواء لم يسبق دراستها من قبل

منذ افتتاحه في عام 1889 ، ألهم برج إيفل العديد من علماء الفيزياء. حساب شكل البرج كرد فعل للرياح ، استخدام هذا العمل الضخم ، الأول من نوعه ، لدراسات الأرصاد الجوية ، الإنجازات الأولى لـ TSF … الجوانب العلمية الكامنة وراء عمل المهندس العظيم الذي كان غوستاف إيفل متنوعة جدًا لدرجة أن هناك الكثير من الأسباب التي تجعلك مهتمًا بها. ومع ذلك ، فإن بعض الأبحاث غير معروفة جيدًا. هذا هو الحال مع الديناميكيات الهوائية التي نفذها إيفل داخل البرج نفسه. ومع ذلك ، وبفضل تجاربه ، سلط المهندس الضوء على العديد من الظواهر التي لا تزال قيد الاستكشاف حتى اليوم.

في عام 1892 ، بعد ثلاث سنوات من افتتاح البرج ، أجرى باحثان ، لويس بيير كايليت ويوجين كولاردو ، بدعم من الفيزيولوجي والمخترع إتيان جول ماري وجوستاف إيفل ، سلسلة من التجارب تتكون من سقوط من الطابق الثاني من النصب التذكاري (115.7 متر فوق سطح الأرض) أجسام تتساقط بحرية ، ممسوكة بسلك رفيع وخفيف ، عن طريق قياس السرعة عن طريق فك السلك. من خلال تقييم مقاومة الهواء – التي تساوي وزن الجسم في السقوط الحر بمجرد الوصول إلى سرعته القصوى – يحصلون على معامل التناسب بين مربع السرعة وقسم الجسم (بشكل عام مربع أو دائري).

إقرأ أيضا:ما هو الإنكار ؟

جهاز السقوط الحر الموجه

في عام 1893 ، تقاعد إيفل من الحياة المهنية بعد مشاركته المؤسفة في شركة قناة بنما، التي اهتزت بسبب العديد من الفضائح السياسية والمالية التي أدت إلى إجراءات جنائية مختلفة ، والتي برأته في النهاية. عندها قرر أن يكرس نفسه للبحث ، مع التركيز على الرياح والأرصاد الجوية. في عام 1903 ، استأنف تجاربه مع الأجسام المتساقطة من البرج وصمم جهازًا أكثر ذكاءً يسمح بقياس السرعة والقوة اللحظية على الجسم.

يتكون هذا الجهاز من إطار ثقيل يحمل الأسطح المراد اختبارها من نهايته وينزلق بطول كابل عمودي يبلغ ارتفاعه 115 مترًا. يتم زيادة قطر الكابل ، الذي يبلغ ارتفاعه 21 مترًا فوق سطح الأرض ، (“وقف المخروط”) من أجل كبح الجسم ، مما يجعل من الممكن قياس التباين في السرعة أثناء التباطؤ. تسجيل الوقت المنقضي منذ بداية السقوط ، جنبًا إلى جنب مع المسافة التي يقطعها الجهاز والقوة على جسم الاختبار. يتم إجراء هذه القياسات باستخدام شوكة رنانة وأسطوانة تدور بسرعة تتناسب مع سرعة الحركة على الكابل . حيث يسجل القلم القوة المقاسة بواسطة النوابض الديناميكية التي تحمل الجسم.

برج إيفل أول مختبر للديناميكا الهوائية في فرنسا : قياس مقاومة الهواء في برج إيفل

من عام 1903 إلى عام 1906 ، أجرى جوستاف إيفل سلسلة كاملة .من التجارب على برج إيفل لدراسة مقاومة الهواء “على الأسطح ذات الأشكال المختلفة. والتي تتحرك في خط مستقيم بسرعات تتراوح بين 15 مترًا و 40 مترًا في الثانية. يشرح في عام 1907 في أطروحته البحث التجريبي حول مقاومة الهواء الذي تم إجراؤه في برج إيفل. ويتابع: “هذا البحث له أهمية عملية بشكل أكبر حيث يصعب تحقيق سرعات من 30 إلى 40 مترًا ، وفي الحقيقة لم يتم الحصول عليها بعد في بحث من هذا النوع. درس المجربون بشكل أساسي السرعات التي تقل عن 10 أمتار. ومع ذلك ، فإن السرعات العالية هي الأكثر اهتمامًا باستقرار الهياكل ومقاومة الهواء للمركبات السريعة. “

إقرأ أيضا:هل هي فكرة جيدة أن تستثمر

للقيام بذلك ، صمم جهاز السقوط الحر الموجه

بعد تركه من الطابق الثاني من البرج ، ينزلق متحرك على طول كابل رأسي “ويسقط كما لو كان في حالة سقوط حر”. سرعته ، صفر في البداية ، على ارتفاع 115 مترًا . تزداد باستمرار حتى 40 مترًا في الثانية عند نقطة الكبح ، ويتحقق ذلك عن طريق زيادة قطر الكابل على ارتفاع 21 مترًا فوق سطح الأرض. يدفع الهاتف المتحرك الجسم ليتم اختباره أمامه (صفيحة موضوعة في S في الرسم البياني أعلاه) ، عن طريق النوابض r. أثناء سقوطه ، يشد الجسم الينابيع. يسجل قلم متصل بالينابيع عبر شوكة رنانة (د) تحركاتها على أسطوانة دوارة C مغطاة بكربون أسود ، والتي نستنتج منها قوة التوتر الزنبركية f . بفضل المبدأ الأساسي للديناميكيات ، تم تجهيز غوستاف إيفل بـf من وزن الموبايل وسرعته تستنتج مقاومة الهواء R.

تتراوح سرعة السقوط U بين 15 و 40 مترًا في الثانية (السرعة القصوى) ، مما يسمح لإيفل بقياس معامل المقاومة بدقة (يُعرَّف بأنه النسبة بين قوة المقاومة لكل وحدة مساحة طبيعية للإزاحة والضغط الديناميكي ρ الهواء U 2 / 2 ، حيث ρ الهواء هو كثافة الهواء) وتغيره مع السرعة على الأجسام ذات الأشكال الهندسية المختلفة .(المجالات والأقماع ونصف الكرة والألواح والأقراص المائلة). في عام 1907 ، نشر نتائجه في مذكرات طويلة بعنوان الأبحاث التجريبية حول مقاومة الهواء، مما يضمن الاتصال الدولي السريع لنتائجها العلمية. وفقًا لمؤرخة العلوم كلودين فونتانون ، أصبح جهاز السقوط والبرج أول مختبر إيروديناميكي.

إقرأ أيضا:كيف تعتني بقطتك

برج إيفل أول مختبر للديناميكا الهوائية في فرنسا : نفق إيفل الهوائي

هذا البحث المنهجي والدقيق يشجع إيفل على الذهاب أبعد من ذلك. مدفوعًا بالاحتياجات التكنولوجية للطيران الناشئ ، يسعى إلى إجراء تجارب على مقاومة الهواء عالي السرعة في الأشكال الهندسية التي يمكن الوصول إليها أكثر من تلك الموجودة في الآلة المتساقطة.

قام ببناء ، في Champ de Mars ، في كوخ عند سفح البرج ، نفقًا مفتوحًا للرياح (“طريقة النفق”) مما جعل من الممكن الحصول ، في قسم مربع طوله 1.5 متر ، على سرعة 1 الهواء 18 مترا في الثانية. يتم إنتاج هذا التيار في غرفة يتم فيها سحب الهواء بواسطة محرك بقوة 50 حصانًا (36.8 كيلووات) مدعوم من المولدات الكهربائية للبرج ، مما يجعل هذا النفق أقوى نفق رياح في العالم. مزود بميزان ديناميكي هوائي ابتكره إيفل .

بالإضافة إلى جهاز مخصص لتحديد مراكز الدفع (“ريشة الطقس”) . والتي ستكون مفيدة جدًا لدراسة ثبات أجنحة الطائرة وعلى وجه الخصوص لنلاحظ كيف يظهر ، من ميل معين ، إزاحة مفاجئة لمركز الضغط من الأمام إلى الخلف.

تبنت العديد من مختبرات الديناميكا الهوائية في العالم هذا النموذج

وبسرعة ، تبنت العديد من مختبرات الديناميكا الهوائية في العالم هذا النموذج من “نفق إيفل الهوائي”. نموذج آخر واسع الانتشار وفعال للغاية هو نموذج المهندس الألماني Ludwig Prandtl ، الذي بنى في عام 1908 نفقًا للرياح ذات دائرة مغلقة في مختبره في جوتنجن.

سيتم إجراء أكثر من 5000 اختبار في هذا التثبيت على Champ de Mars ، الذي تم افتتاحه في عام 1909 ، ثم تم تدميره في عام 1911 بسبب التلوث الضوضائي .

وتجديد المنطقة. في عمر 79 عامًا ، أعاد Gustave Eiffel بناء نفق هوائي في Auteuil من خلال توسيع مسار الاختبار إلى قسم مربع بطول 2 متر ، وبالتالي تحسين كفاءة التركيب بفضل تصميم موزع الهواء الذي يسمح له بالوصول إلى سرعات تصل إلى 30 مترًا في الثانية.

تقع هذه المروحة في 67 شارع Boileau ، في الدائرة السادسة عشر بباريس ، ولا تزال تعمل ويمكن زيارتها. تم إدراجه كنصب تاريخي ، وهو ينتمي حاليًا إلى المركز العلمي والتقني للمبنى ويضم أيضًا جهاز السقوط الأصلي.

برج إيفل أول مختبر للديناميكا الهوائية في فرنسا : “أزمة السحب”

من بين آلاف نتائج القياسات التي حصل عليها إيفل حول مقاومة الأجسام الموجودة في الهواء . يستحق البعض اهتمامًا خاصًا ، وفي وقتهم أثار الجدل. هذه تجارب على مقاومة الكرات المتحركة بسرعة عالية. في عام 1912 ، شك أوتو فوبل ، الباحث في غوتنغن . في منشور .أن القيم التي يقيسها إيفل لمعامل مقاومة الكرات قد شابها أخطاء “واضحة” ، لأن القياسات التي أجريت .في غوتنغن تظهر قيمًا مرتين كما كبيرة. استجاب إيفل في العام نفسه في مذكرة للتقارير الأسبوعية لجلسات أكاديمية العلوم أنه إذا . بالنسبة للسرعات التي تقل عن سرعة حرجة معينة ، فإن القيم الموجودة في حد ذاتها تتوافق جيدًا مع تلك التي تم قياسها .في Göttingen . للحصول على سرعات أكبر ، نجد التأثير المتناقض المتمثل. في انخفاض السحب بمقدار النصف تقريبًا . وهي قيم لا يستطيع المرء الحصول عليها في غوتنغن ، حيث كان تدفق نفق الرياح أقل سرعة مما كان عليه في باريس!

تسليط الضوء على “أزمة السحب”

في عام 1912 ، في نفق الرياح Auteuil الجديد الخاص به . قاس Gustave Eiffel معامل السحب K للكرة التي يبلغ قطرها 16.2 سم كدالة لسرعة الرياح V ( K = R / SV 2 . حيث R هي المقاومة الكلية و S لاحظ أن نظام التدفق يتغير لسرعة حرجة تبلغ حوالي 12 مترًا في الثانية . وتنخفض هذه السرعة الحرجة مع زيادة قطر الكرة.

يُظهر تجميع التجارب المماثلة الحديثة أيضًا وجود أنظمة مختلفة تعتمد على رقم رينولدز Re (سرعة بلا أبعاد).

كان إيفل قد اكتشف للتو تأثير “أزمة السحب” ، التي لوحظت على الأجسام المتحركة من قيمة حرجة معينة للسرعة. من حيث السرعة التي لا أبعاد لها والتي يعبر عنها رقم رينولدز .Re (Re = UL / ν ، حيث U و L هما السرعة والحجم المميزان للجسم و هي اللزوجة الحركية للسائل) . تتجلى هذه الظاهرة عندما يكون Re .حوالي 300000 كرة (أي ما يعادل سرعة 20 مترًا في الثانية لكرة القدم).

بعد أن قام برانتل وزميله المجري ثيودور فون كارمان بزيارة أوتويل في أكتوبر 1913 . أرسل إيفل الخطط الخاصة بمراوحه الحلزونية إلى برانتل. وبالتالي ، قام الأخير بتعديل نفق الرياح .الخاص به في جوتنجن ، مما يسمح له بزيادة السرعة من 10 إلى 23 مترًا في الثانية . وبالتالي إجراء تجارب جديدة تؤكد وجود أزمة السحب في المجالات.

علاوة على ذلك ، فإن برانتل هو الذي يشرح فينومينولوجيا الانتقال الملحوظ من التغير في طبيعة “الطبقة الحدودية”. هذا المصطلح ، الذي قدمه قبل بضع سنوات ، يحدد منطقة الواجهة بين الجسم والسائل المتحرك بعيدًا عنه. تحدث أزمة السحب عندما يصبح التدفق في هذه الطبقة مضطربًا ، فوق سرعة حرجة معينة للسائل بالنسبة للجسم.

برج إيفل أول مختبر للديناميكا الهوائية في فرنسا : تكون الطبقة الحدودية رقائقية

في النظام دون الحرج ، تكون الطبقة الحدودية رقائقية. ينفصل التدفق عن الجسم بزاوية في المركز عن نقطة الركود (أعلى نقطة في اتجاه التيار في الجسم . حيث تكون سرعة السائل صفراً) بحوالي 90 درجة. في النظام فوق الحرج ، تزداد زاوية الفصل بشكل حاد إلى ما يقرب من 130 درجة.يحدث الفصل بعيدًا عن نقطة الركود. ويرافق هذا التغيير انخفاض ملحوظ في حجم منطقة إعادة الدوران.

المنطقة التي يخرج منها السائل من الجسم – والسحب. تم الإبلاغ عن انخفاض بالفعل من قبل إيفل في مذكرته لعام 1912.”يمكننا أن ندرك هذه الحالات الشاذة .ونلاحظ أن هناك بالفعل نظامين للتدفق ، من خلال فحص مسار الشباك حول الكرة باستخدام خيط خفيف .يحمله قضيب رفيع جدًا. أقل من السرعة الحرجة ، في الخلف ، يتشكل مخروط من المنخفضات . بطول يساوي تقريبًا قطر الكرة ، ومماثل لتلك التي تحدث في الجزء الخلفي من الصفائح التي تضربها الرياح عادة. وفوق هذه السرعة الحرجة . هناك النظام الجديد الذي اختفى من أجله هذا المخروط وتم استبداله بمنطقة يكون الهواء فيها غير مضطرب نسبيًا. “