איך לבנות מקשית מטוס מוזר שעף מדהים?

בניסוי הנוכחי נבנה מטוס בעל צורה מוזרה מאוד שעף באופן מפליא.

ציוד

• קשית שתייה ישרה
• נייר בריסטול/נייר קשיח
• נייר דבק (סלוטייפ)
• עט או עיפרון
• סרגל
• מספריים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הערה – אפשר גם לחבר שתי קשיות יחד ולקבל גוף מטוס ארוך יותר.

הסבר

קודם כל חשוב לדייק במונחים, מה שאנו בונים בניסוי הנוכחי איננו מטוס אלא דאון – כלומר כלי שדואה באוויר בלי מנוע.

כדי שחפץ יוכל לדאות באוויר הוא חייב להיות קל וצריך שיהיה בו אמצעי שיגרום לאוויר להתנגד לנפילה שלו (קצת בדומה לאופן הפעולה של מצנח). דאונים אמיתיים עושים את זה בדרך כלל באמצעות חומרי בנייה מיוחדים (קלים וחזקים) וכנפיים גדולות  המאפשרות היווצרות של כוח עילוי כלפיהן. הדאון שאנו בונים בניסוי הנוכחי משתמש בחומרים קלים במיוחד – קשית ורצועות נייר.

אדם טס בדאון | הצילום לקוח מוויקיפדיה; צולם בידי Akaflieg Stuttgart

בתפקיד הכנפיים שיש בדאון רגיל, ומיצרות כוח עילוי בזמן תנועת הדאון, משמשות רצועות הנייר המעגליות. שימו לב שאורכן של רצועות הנייר ארוך יחסית למשקל הקשית – דבר שמקנה התנגדות רבה לתנועת נפילה (כוח גרר אנכי). הצורה המעגלית הסגורה מעניקה לניירות חוזק ויציבות גדולים יחסית לסתם רצועת נייר פתוחה.
יש לשים לב שבניגוד לאופן פעולת כנפי מטוס/ דאון רגיל, הכנפיים של הדאון שלנו אינם בעל מבנה קמור, ואינן בעלי זווית הגורמת לדחיקת אוויר כלפי מטה בזמן טיסת הדאון (מה שגורם לדחיפת המטוס כלפי מעלה - לכוח עילוי) אלא ישרות לחלוטין ומקבילות לקרקע, ולכן כוח עילוי שיוצרות הכנפיים לא יכול להוות הסבר מלא לתעופת הדאון הזה לאורך מסלול תעופתו (כי הכנפיים מיצרות כוח עילוי רק כאשר הדאון פונה כלפי מעלה).

בנוסף, המבנה של טבעת נייר קטנה מלפנים וטבעת נייר גדולה מאחור מייצב את טיסת הדאון: הטבעת הקדמית הקטנה פועלת כמו ראש חץ שמפלח את האוויר. כשהקשית של הדאון מונחת במקביל לכיוון תנועת הדאון, כלומר כשהדאון עף ישר, החיכוך בין האוויר בכיוון התנועה שלו לבין הטבעות הוא נמוך ביותר – כי הטבעות מפנות לכיוון התנועה של הדאון את הצד הדק של הנייר. כך יכולים הדאון והטבעות שבו לשמור על תנועה יציב בכיוון אחד, בעזרת זרמי האוויר שנעים בצד הפנימי והחיצוני של שתי הטבעות. שימו לב להסבר נוסף לתפקיד המיצב של הטבעות באוויר –בתגובות לכתבה.

דגם המטוס המיוחד הזה הומצא בידי פיליפ וו' סוויפט (Philip W. Swift) מארצות הברית במסגרת תחרות דגמים של מטוסי נייר שערך כתב העת סיינטיפיק אמריקן בשנת 1967.

מעניין לציין

ציפורים גדולות, למשל נשרים, מעדיפות בדרך כלל לדאות וכך לחסוך מעצמן את המאמץ שדורשת תעופה פעילה. ציפורים ודאונים מצליחים לנצל זרמי אוויר (אוויר חם ורוחות) כדי גם להתרומם כלפי מעלה, ולא רק "ליפול באטיות".
במפעלים לתכנון מטוסים משתמשים ב"מנהרת רוח" שמזרימה אוויר מהול בעשן במהירויות גבוהות במיוחד – וכך רואים את זרמי האוויר הנעים סביב הכנפיים של כלי הטייס שהם בונים. בדרך זו הם יכולים לבנות מטוסים יעילים – עם מינימום חיכוך עם האוויר שמגיע מול המטוס ומקסימום התנגדות עם האוויר הנמצא במאונך לקרקע, כלומר בכיוון נפילה של המטוס, וגם מקסימום כוח עילוי – שנגרם בעיקר על ידי אוויר שפוגע בכנפי המטוס וומופנה כלפי מטה (ולכן לפי "החוק השלישי של ניוטון" דוחף את המטוס כלפי בכיוון ההפוך, כלומר כלפי מעלה). נסו לחשוב באיזה כיוון יש להטיס את הדאון בניסוי זה כדי שישיג מקסימום כוח עילוי במהלך טיסתו.

אנו ממליצים לכם לנסות גם את הניסוי בניית מטוס סילון מבלון, שבו בונים מטוס נייר עם כוח מניע: אוויר מתרוקן מבלון.