بسیاری از پدیده ها و قوانین فیزیکی وجود دارد که توسط انسان کاملاً تصادفی کشف شده است. شروع از سیب افسانه ای که بر سر اسحاق نیوتن افتاد و ارشمیدس با آرامش حمام کرد تا آخرین اکتشافات در زمینه ایجاد مواد جدید و بیوشیمی. اثر کواندا متعلق به همین سری اکتشافات است. به اندازه کافی عجیب است، اما کاربرد عملی آن در فناوری هنوز در مراحل اولیه است. بنابراین، اثر کواندا چیست؟
تاریخچه کشف
هنری کواندا، مهندس رومانیایی، هنگام آزمایش هواپیمای آزمایشی خود، مجهز به موتور جت، اما دارای بدنه چوبی، به منظور جلوگیری از اشتعال بدنه از جریان جت، صفحات فلزی محافظی را در کناره های هواپیما نصب کرد. موتورها با این حال، نتیجه این امر برعکس آنچه انتظار می رفت بود. جت های در حال انقضا، به دلایل نامعلوم، شروع به جذب این صفحات محافظ کردند و ساختارهای چوبی بدنه هواپیما که در منطقه قرارگیری آنها قرار دارد، ممکن است مشتعل شوند. آزمایش ها به یک تصادف ختم شد، اما خود مخترع این کار را نکردرنج. همه اینها در همان ابتدای قرن بیستم اتفاق افتاد.
تأیید آزمایشی
اثر کوآندا پدیده ای است که می توانید آن را از راحتی آشپزخانه خود آزمایش کنید. اگر آب شیر را باز کنید و یک صفحه صاف به جریان آب بیاورید، می توانید این اثر را با چشمان خود ببینید. آب به سختی به طور قابل توجهی به سمت صفحه منحرف می شود. در عین حال، سرعت جریان آب ممکن است خیلی زیاد نباشد. در اصل، این پدیده در هر محیطی مشاهده می شود: آب یا هوا. نکته اصلی وجود یک جریان متوسط و وجود سطحی در مجاورت این جریان در یک طرف است.
به هر حال، این پدیده نام دیگری دارد - اثر کتری. به لطف همین اثر است که وقتی قوری کج می‌شود، آب آن به فنجان نمی‌ریزد، بلکه از دهانه سرازیر می‌شود و سفره و گاهی زانوهای دیگران را پر می‌کند. از آنجایی که قوانین هیدرودینامیک و آیرودینامیک به طور کلی، به استثنای چند استثنا، عملاً یکسان هستند، بنابراین در آینده اثر کواندا برای محیط هوا در نظر گرفته خواهد شد.
فیزیک پدیده
اثر کواندا بر اساس اختلاف فشار حاصل در جریان در حضور دیواره ای است که این جریان را محدود می کند و از دسترسی آزاد هوا از یک طرف جلوگیری می کند. هر جریان هوا از لایه هایی با سرعت های مختلف تشکیل شده است. در عین حال، به طور تجربی ثابت شده است که نیروی اصطکاک بین لایه هوا و سطح جامد مجاور کمتر از بین لایه‌های هوای منفرد است. بنابراین، سرعت عبور لایه هوا از نزدیک به سطح معلوم می شودبالاتر از سرعت لایه هوا که از این سطح فاصله دارد.
علاوه بر این، در یک فاصله به اندازه کافی بزرگ، سرعت یکی از لایه های هوا نسبت به سطح به طور کلی برابر با صفر خواهد بود. یک میدان غیریکنواخت سرعت در طول ارتفاع جریان به دست می آید. مطابق با قوانین دینامیک گاز، یک اختلاف فشار عرضی در اینجا ایجاد می شود که جریان را به سمت فشار پایین تر منحرف می کند، یعنی به جایی که سرعت لایه هوا بیشتر است - به سمت دیواره مرزی. با انتخاب شکل نازل و سطح، آزمایش فواصل و سرعت، می توان جهت جریان را در محدوده نسبتاً وسیعی تغییر داد.
ریاضی
برای مدت بسیار طولانی، علیرغم واضح بودن و سهولت نسبی تأیید آزمایشی، پدیده توصیف شده به هیچ وجه شناسایی نشد. سپس نیاز به محاسبات نظری نیرو و بردار این نیرو، یعنی محاسبه اثر کوآندا بود. چنین محاسباتی برای انواع مختلف جت ها انجام شد.
فرمول های مشتق شده کاملاً دست و پا گیر هستند و ترکیبی از حساب دیفرانسیل با مثلثات را نشان می دهند. اما این محاسبات پیچیده و چند مرحله ای فقط می تواند نتیجه تقریبی داشته باشد. البته همه اینها بر روی کاغذ محاسبه نمی شود، بلکه با استفاده از الگوریتم های مدرن تعبیه شده در رایانه ها انجام می شود. با این حال، مقادیر واقعی را فقط می توان به صورت تجربی به دست آورد. عوامل بسیار زیادی در این تأثیر نقش دارند و همه آنها را نمی توان با استفاده از فرمول های ریاضی توصیف کرد.
این پدیده به چه چیزی بستگی دارد
با کنار گذاشتن تجزیه و تحلیل دقیق فرمول ها، که به مهارت فوق العاده ای نیاز دارد، قدرت اثر کواندا به سرعت جریان، نسبت قطر جریان و انحنای دیوار بستگی دارد. آزمایشات نشان داده است که محل و قطر نازل، ناهمواری سطح دیوار، فاصله بین جریان و دیوار محدود کننده آن و همچنین شکل خود دیوار از اهمیت بالایی برخوردار است. همچنین اشاره شده است که اثر کواندا در جریان آشفته بارزتر است.
کاشف چه چیز دیگری به دست آورد
پس از کشف این پدیده، A. Coanda شروع به توسعه آن و جستجو برای کاربردهای عملی کرد. نتیجه تلاش او ثبت اختراع چتر پرنده بود. اگر در مرکز نیمکره نازل هایی شبیه به چتر نصب شده باشد که جریانی از گازها را خارج می کند، آنگاه مطابق با اثر کواندا، این جریان بر روی سطح نیمکره فشرده می شود و به سمت پایین جریان می یابد و ناحیه ای کم را ایجاد می کند. فشار بالای چتر، فشار دادن آن به بالا. خود مخترع آن را بال هواپیما نامید که به شکل حلقه در آمده است.
تلاش برای عملی کردن این اختراع موفقیت آمیز نبوده است. دلیل آن ناپایداری دستگاه در هوا است. با این حال، پیشرفت‌های اخیر در زمینه کنترل هوشمند سازه‌های ناپایدار در هوا، به اصطلاح Fly by Wire، به ظهور این هواپیمای عجیب امید می‌دهد.
آنچه انجام شد
اگرچه بلند کردن چتر مخترع به هوا ممکن نبود، اثر کواندا درهوانوردی استفاده می شود، اما، به طور نسبی، در مناطق ثانویه. از برجسته ترین نمونه ها، می توان به هلیکوپتر بدون روتور دمی که در دهه 40 توسعه یافت، اشاره کرد که عملکرد آن برای جبران چرخش روتور اصلی توسط یک فن نصب شده در عقب و نازل ها با راهنماهای ویژه انجام می شد. همین سیستم امکان کنترل هلیکوپتر را در حالت انحراف و گام فراهم کرد. این روی MD 520N، MD 600N و MD Explorer اعمال شده است.
در هواپیماها، اثر کواندا، اول از همه، افزایش بار توسط جریان هوای اضافی از موتور به سطح بالایی بال است، که حداکثر اثر را در هنگام آزاد شدن مکانیزاسیون، یعنی زمانی که بال دارای بیشترین مشخصات "محدب" است که به جریان اجازه می دهد تقریباً به صورت عمودی به سمت پایین خارج شود. این در هواپیماهای شوروی An-72، An-74 و An-70 اجرا شده است. همه این ماشین‌ها ویژگی‌های برخاست و فرود را بهبود بخشیده‌اند و امکان استفاده از خطوط کوتاه برخاست و فرود را فراهم می‌کنند.
از فناوری آمریکایی، می توان "بوئینگ C-7" را با استفاده از همین اصل و همچنین تعدادی ماشین آزمایشی نام برد. در دوره پس از جنگ، تلاش های زیادی برای ایجاد یک هواپیما بر اساس اصول اثر کواندا انجام شد. همه آنها به شکل بشقاب پرنده بودند و همه آنها پس از مدتی به دلیل مشکلات فنی تعطیل شدند. این امکان وجود دارد که این کارها در حال حاضر به صورت کاملاً محافظت شده در حال انجام باشد.
از بهشت تا زمین و زیر آب
برای افزایش چسبندگی چرخ ها با مسیر، از افکت کواندا استفاده شد.و در طرح های خودروهای فرمول 1. این دستگاه ها مجهز به دیفیوزرها و فیرینگ ها هستند که جریان گازهای خروجی در برابر آنها فشرده می شود و اثر مورد نظر را ارائه می دهد. تصویر بالا حرکت گازهای خروجی را نشان می دهد که به خطوط می چسبند، علیرغم اینکه خود لوله اگزوز به سمت بالا است.
علاوه بر حمل و نقل زمینی، کارهای آزمایشی مرتبط با استفاده از این پدیده بر روی زیردریایی ها انجام شده و در حال انجام است. به طور خاص، یک دوچرخه زیر آب نسبتا عجیب و غریب در سن پترزبورگ ایجاد شد، به دلایلی به نام انگلیسی - فضای آبی، به عنوان "فضای آبی" ترجمه شده است. چیزی که او برای حرکت به اطراف استفاده می کند، اثر کواندا است. فیرینگ ها در جلوی "دوچرخه زیر آب" نصب می شوند که در آن غلتک های پارویی سوار می شوند و آب را از طریق شکاف های مخصوص مک می کنند. سپس آب بر روی سطح بدنه دستگاه رانده می شود و باعث ایجاد نیروی رانش در سطح آن می شود. آب در اطراف کل بدنه جریان دارد، دوباره به شکاف در عقب مکیده می شود و به بیرون رانده می شود.
