الدفع النفاث

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة
محرك الطائرة النفاثة من طراز بوينغ 787 دريملاينر .
مضخة نفاثة على متن عبّارة.

الدفع النفاث هو دفع جسم ما في اتجاه واحد، عن طريق قذف تيار من السائل في الاتجاه المعاكس. وبحسب قانون نيوتن الثالث ، يندفع الجسم المتحرك في الاتجاه المعاكس لاتجاه التيار. تشمل محركات الدفع النفاث التي تعمل وفق مبدأ الدفع النفاث المحرك النفاث المستخدم في الطائرات ، ومضخة الدفع النفاث المستخدمة في السفن ، ومحرك الصاروخ ودافع البلازما المستخدمان في المركبات الفضائية . كما تستخدم العديد من الحيوانات البحرية الدفع النفاث تحت الماء، بما في ذلك رأسيات الأرجل والسالبيات ، حتى أن الحبار الطائر يُعدّ المثال الوحيد المعروف للطيران الجوي النفاث في عالم الحيوان.

الفيزياء

تُنتج بعض محركات الدفع النفاث أو الحيوانات قوة دفع ناتجة عن تيار سريع الحركة من السائل وفقًا لقوانين نيوتن للحركة . وتكون هذه القوة أكثر فعالية عندما يكون رقم رينولدز مرتفعًا، أي عندما يكون الجسم المُدفع كبيرًا نسبيًا ويمر عبر وسط منخفض اللزوجة. [ 1 ]

في الحيوانات، تكون النفاثات الأكثر كفاءة نبضية وليست مستمرة، [ 2 ] على الأقل عندما يكون رقم رينولدز أكبر من 6. [ 3 ]

النبضة النوعية

الدفع النوعي (يُختصر عادةً بـ Isp ) هو مقياس لكفاءة استخدام الصاروخ للوقود أو كفاءة استخدام المحرك النفاث للوقود. يُعرَّف بأنه إجمالي الدفع (أو التغير في الزخم ) المُولَّد لكل وحدة من الوقود المُستهلك [ 4 ] ، وهو مُكافئ من حيث الأبعاد للدفع المُوَلَّد مقسومًا على معدل تدفق كتلة الوقود أو معدل تدفق وزنه. [ 5 ] إذا استُخدمت الكتلة ( كيلوغرام ، أو رطل-كتلة ، أو سبيكة ) كوحدة للوقود، فإن الدفع النوعي يكون بوحدات السرعة . أما إذا استُخدم الوزن ( نيوتن أو رطل-قوة ) بدلاً من ذلك، فإن الدفع النوعي يكون بوحدات الزمن (ثانية). يُحوِّل ضرب معدل التدفق في تسارع الجاذبية الأرضية القياسي ( g₀ ) الدفع النوعي من أساس الكتلة إلى أساس الوزن. [ 5 ]

يستخدم نظام الدفع ذو الدفع النوعي الأعلى كتلة الوقود بكفاءة أكبر في توليد قوة الدفع الأمامية، وفي حالة الصاروخ، تقل كمية الوقود اللازمة لتحقيق تغيير السرعة (دلتا-في) المحدد ، وفقًا لمعادلة تسيولكوفسكي للصواريخ . [ 4 ] [ 6 ] في الصواريخ، يعني هذا أن المحرك أكثر فعالية في اكتساب الارتفاع والمسافة والسرعة. وتكون هذه الفعالية أقل أهمية في المحركات النفاثة التي تستخدم الأجنحة وتعتمد على الهواء الخارجي للاحتراق، وتحمل حمولات أثقل بكثير من الوقود.

يشمل الدفع النوعي مساهمة الهواء الخارجي المستخدم في الاحتراق والذي يُطرد مع الوقود المستهلك. تستخدم المحركات النفاثة الهواء الخارجي، ولذلك يكون دفعها النوعي أعلى بكثير من محركات الصواريخ. يُقاس الدفع النوعي بدلالة كتلة الوقود المستهلك بوحدة المسافة لكل وحدة زمن، وهي سرعة اصطناعية تُسمى "سرعة العادم الفعالة". هذه السرعة أعلى من سرعة العادم الفعلية لأن كتلة هواء الاحتراق غير محسوبة. تتساوى سرعة العادم الفعلية والفعالة في محركات الصواريخ التي لا تستخدم الهواء.

النبضة النوعية تتناسب عكسيًا مع استهلاك الوقود النوعي (SFC) من خلال العلاقة I sp = 1/( g o ·SFC) لـ SFC بالكيلوجرام/(نيوتن·ثانية) و I sp = 3600/SFC لـ SFC بالرطل/(رطل·ساعة).

قوة الدفع

من تعريف قوة الدفع النوعية في وحدات النظام الدولي للوحدات (SI):

F=م˙Vهـ{\displaystyle F={\dot {m}}V_{e}}

حيث V e هي سرعة العادم الفعالة وم˙{\displaystyle {\dot {m}}}هو معدل تدفق الوقود الدافع.

أنواع محركات التفاعل

تنتج محركات التفاعل قوة الدفع عن طريق طرد كتلة التفاعل الصلبة أو السائلة ؛ أما الدفع النفاث فينطبق فقط على المحركات التي تستخدم كتلة التفاعل السائلة.

محرك نفاث

المحرك النفاث هو محرك تفاعلي يستخدم الهواء المحيط كسائل عامل، ويحوله إلى غاز ساخن عالي الضغط، ثم يتمدد عبر فوهة واحدة أو أكثر . من الناحية الفنية، تُصنف معظم المحركات النفاثة ضمن التوربينات الغازية ، وتعمل وفق دورة برايتون . يستخدم نوعان من المحركات النفاثة، وهما المحرك النفاث التوربيني والمحرك التوربيني المروحي ، ضواغط محورية أو طاردة مركزية لرفع الضغط قبل الاحتراق ، وتوربينات لتوليد الضغط. تعمل المحركات النفاثة الضاغطة فقط عند سرعات طيران عالية، لأنها لا تستخدم الضواغط والتوربينات، وتعتمد بدلاً من ذلك على الضغط الديناميكي الناتج عن السرعة العالية (المعروف بالضغط الضاغط). كما لا تستخدم المحركات النفاثة النبضية الضواغط والتوربينات، ولكنها قادرة على توليد قوة دفع ثابتة، ولها سرعة قصوى محدودة.

محرك صاروخي

إن الصاروخ قادر على العمل في فراغ الفضاء لأنه يعتمد على المركبة التي تحمل مؤكسدها الخاص بدلاً من استخدام الأكسجين الموجود في الهواء، أو في حالة الصاروخ النووي ، يقوم بتسخين مادة دافعة خاملة (مثل الهيدروجين السائل ) عن طريق دفعها عبر مفاعل نووي .

محرك البلازما

تعمل محركات البلازما على تسريع البلازما بوسائل كهرومغناطيسية .

مضخة نفاثة

تستخدم المضخة النفاثة، المستخدمة في الدفع البحري ، الماء كسائل عامل، يتم ضغطه بواسطة مروحة أنبوبية أو مضخة طرد مركزي أو مزيج من الاثنين.

حيوانات تعمل بالدفع النفاث

تستخدم رأسيات الأرجل، كالحبار، الدفع النفاث للهروب السريع من المفترسات ؛ كما تستخدم آليات أخرى للسباحة البطيئة. وينتج الدفع النفاث عن طريق قذف الماء عبر سيفون ، يضيق عادةً إلى فتحة صغيرة لتوليد أقصى سرعة زفير. يمر الماء عبر الخياشيم قبل الزفير، محققًا بذلك غرضي التنفس والحركة. [ 1 ]

حركة السباحة في رخويات البحر Notarchus punctatus [ 7 ]

تستخدم الأرانب البحرية ( بطنيات الأقدام ، خلفيات الخياشيم ) طريقة مماثلة، ولكن بدون الآلية العصبية المعقدة لرأسيات الأرجل وغياب الزعانف لتوجيه حركاتها، فإنها تتنقل بشكل أقل دقة. [ 7 ]

تتكون دورة السباحة من مرحلتين: (أ) مرحلة الدفع، حيث يقوم الحيوان بقذف تيار من الماء للتحرك، و(ب) مرحلة التدحرج، حيث يقوم بشقلبة لإعادة ضبط موضعه. [ 7 ]

تشير دراسة أجراها مازاريللي (1893) إلى أن سرطان البحر من نوع دروميا قد يكون مفترسًا لسرطان البحر نوتارخوس . ففي حوض مغلق يحتوي على كمية قليلة من مياه البحر، اختنق أرنبان بحريان بعد أن أمسك بهما سرطان البحر بإحكام لساعات، على الرغم من عدم وجود أي إصابات ظاهرة عند تشريحهما. من غير الواضح ما إذا كان هذا السلوك يحدث في البرية، ولكن قد يتمكن نوتارخوس من الهرب ببساطة عن طريق السباحة إذا سمحت المساحة بذلك. [ 7 ] [ 8 ]

طورت بعض الأسماك العظمية قدرة على الدفع النفاث، حيث تمرر الماء عبر الخياشيم لتكملة الحركة التي تحركها الزعانف. [ 9 ] [ 10 ]

في بعض يرقات اليعسوب ، يتم تحقيق الدفع النفاث عن طريق طرد الماء من تجويف متخصص عبر فتحة الشرج. ونظرًا لصغر حجم الكائن الحي، فإنه يحقق سرعة كبيرة. [ 11 ]

تستخدم المحار والقلبيات [ 12 ] ، والسيفونوفورات [ 13 ] ، والغلاليات (مثل السالب ) [ 14 ] [ 15 ] ، وبعض قناديل البحر [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] الدفع النفاث. وتُعد السالب أكثر الكائنات كفاءة في الدفع النفاث، [ 14 ] إذ تستهلك طاقة أقل بعشر مرات (لكل كيلوغرام لكل متر) من الحبار. [ 19 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 باكارد، أ. (1972). "رأسيات الأرجل والأسماك: حدود التقارب". المراجعات البيولوجية . 47 (2): 241-307 . doi : 10.1111/j.1469-185X.1972.tb00975.x . S2CID 85088231 . 
  2. ↑ ساذرلاند، ك. ر.؛ مادين، ل. ب. (2010). "بنية أثر النفاثات وأداء السباحة لدى السالبا" (ملف PDF) . مجلة علم الأحياء التجريبي . 213 (الجزء 17): 2967-2975 . doi : 10.1242/jeb.041962 . PMID 20709925 . 
  3. ↑ دابيري، ج. أ.؛ غريب، م. (2005). "دور التكوين الأمثل للدوامات في نقل السوائل البيولوجية" . وقائع الجمعية الملكية ب: العلوم البيولوجية . 272 ​​(1572): 1557-1560 . doi : 10.1098/rspb.2005.3109 . PMC 1559837. PMID 16048770 .  
  4. 1 2 "ما هو الدافع النوعي؟" . مجموعة التفكير النوعي. مؤرشف من الأصل في 4 يوليو 2016. تم الاسترجاع في 22 ديسمبر 2009 .
  5. 1 2 بنسون، توم (11 يوليو 2008). "الدفع النوعي" . ناسا . مؤرشف من الأصل في 24 يناير 2010. تم الاسترجاع في 22 ديسمبر 2009 .
  6. ↑ هاتشينسون، لي (14 أبريل 2013). "محرك صاروخي جديد من طراز F-1B يُحسّن تصميمًا من عصر أبولو بقوة دفع تبلغ 1.8 مليون رطل" . آرس تكنيكا . تاريخ الاسترجاع: 15 أبريل 2013. يُطلق على مقياس فعالية وقود الصاروخ اسم الدفع النوعي (يُختصر بـ "ISP" - أو بشكل أدق Isp).... "يصف الدفع النوعي الكتلي فعالية توليد الدفع لتفاعل كيميائي، ويمكن تصوره بسهولة على أنه مقدار قوة الدفع الناتجة عن كل رطل (كتلة) من الوقود ومؤكسد الوقود المحترق في وحدة زمنية. وهو أشبه بمقياس الأميال لكل جالون (mpg) للصواريخ."
  7. 1 2 3 4 مارتن، راينر (1966). على سلوك السباحة وبيولوجيا Notarchus punctatus Phillipi (Gastropoda، Opisthobranchia) . Publicazioni della Stazione Zoologica di Napoli. المجلد. 35. ص 61 – 75.  
  8. ^ مازاريلي، ج. (1893). "Monografia delle Aplysiidae del Golfo di Napoli" . Memorie della Società Italiana delle Scienze . 9 : 1 – 222.
  9. ↑ ويك، إم إتش (1993). "الجمجمة كعضو حركي". في هانكن، جيمس؛ هول، برايان ك. (محرران). علم الجمجمة: فهم الجمجمة . المجلد 3. مطبعة جامعة شيكاغو . ص 201. doi : 10.1126/science.263.5154.1779 . ISBN  978-0-226-31573-7.
  10. ↑ ليندسي، سي سي (1978). هوار؛ راندال (محرران). الشكل والوظيفة وعادات الحركة في الأسماك . فسيولوجيا الأسماك. المجلد 7. دار النشر الأكاديمية. الصفحات 1-100 . doi : 10.1016/S1546-5098(08)60163-6 . ISBN   978-0-12-350407-4ISSN 1546-5098​​ 
  11. ↑ ميل، بي جيه؛ بيكارد، آر إس (1975). "الدفع النفاث في يرقات اليعسوب من رتبة أنيسوبتيرا". مجلة علم وظائف الأعضاء المقارن . 97 (4): 329-338 . doi : 10.1007/BF00631969 . S2CID 45066664 . 
  12. ^ تشامبرلين جونيور، جون أ. (1987). "32. حركة نوتيلوس ". في سوندرز، البنك الدولي. لاندمان، NH (محرران). نوتيلوس: علم الأحياء وعلم الأحياء القديمة للحفريات الحية . رقم ISBN 9789048132980.
  13. ↑ بون، كيو؛ ترويمان، إي آر (2009). "الدفع النفاث لدى السيفونوفورات من نوع كاليكوفوران، تشيلوفيس وأبيلوبسيس " . مجلة الجمعية البيولوجية البحرية للمملكة المتحدة . 62 (2): 263-276 . doi : 10.1017/S0025315400057271 . S2CID 84754313 . 
  14. 1 2 بون، كيو؛ ترويمان، إي آر (2009). "الدفع النفاث في السالبا (الغلاليات: الثاليات)". مجلة علم الحيوان . 201 (4): 481-506 . doi : 10.1111/j.1469-7998.1983.tb05071.x .
  15. ↑ بون، كيو؛ ترويمان، إي. (1984). "الدفع النفاث في دوليولوم (الغلاليات: ثالياسيا)". مجلة علم الأحياء البحرية التجريبي والبيئة . 76 (2): 105-118 . doi : 10.1016/0022-0981(84)90059-5 .
  16. ↑ ديمونت، إم. إدوين؛ جوسلين، جون إم. (1 يناير 1988). "ميكانيكا الدفع النفاث في قنديل البحر الهيدروميدوسا، بوليورشيس بيكسيلاتوس : 1. الخصائص الميكانيكية للبنية الحركية" . مجلة علم الأحياء التجريبي . 134 (134): 313-332 . رمز Bibcode : 1988JExpB.134..313D . doi : 10.1242/jeb.134.1.313 .
  17. ↑ ديمونت، إم. إدوين؛ جوسلين، جون إم. (1 يناير 1988). "ميكانيكا الدفع النفاث في قنديل البحر الهيدروميدوسا، بوليورشيس بيكسيلاتوس : الجزء الثاني. طاقة دورة الدفع النفاث" . مجلة علم الأحياء التجريبي 134 (134): 333-345 . رمز Bibcode : 1988JExpB.134..333D . doi : 10.1242/jeb.134.1.333 .
  18. ↑ ديمونت، إم. إدوين؛ جوسلين، جون إم. (1 يناير 1988). "ميكانيكا الدفع النفاث في قنديل البحر الهيدروميدوسا، بوليورشيس بيكسيلاتوس : الجزء الثالث. جرس رنين طبيعي؛ وجود وأهمية ظاهرة الرنين في بنية الحركة" . مجلة علم الأحياء التجريبي . 134 (134): 347-361 . doi : 10.1242/jeb.134.1.347 .
  19. ↑ مادين، إل بي (1990). "جوانب الدفع النفاث في السالبا". المجلة الكندية لعلم الحيوان . 68 (4): 765-777 . doi : 10.1139/z90-111 .