מבחן אווירודינמיקה · שיעור 2 מתוך 10
פיזיקה בסיסית: חומר, כוח, עבודה ומכונות
מקור: FAA-H-8083-30 פרק 3 (Physics for Aviation); פרק 1 (Mathematics)
חומר ואנרגיה
- חומר – כל מה שיש לו מסה ותופס מקום. מצבים: מוצק, נוזל, גז.
- מסה – כמות החומר; לא משתנה עם המקום.
- משקל – הכוח שבו הכבידה מושכת את המסה.
W = m × g. - צפיפות – מסה ליחידת נפח. כובד סגולי – צפיפות ביחס למים (בנוזלים) או לאוויר (בגזים).
- אנרגיה פוטנציאלית – אנרגיה במיקום או במצב (גובה, קפיץ, דלק).
- אנרגיה קינטית – אנרגיה בתנועה:
KE = ½mv²– גדלה עם ריבוע המהירות.
יחידות
| גודל | אמריקאי | מטרי |
|---|---|---|
| אורך | רגל, אינץ׳ | מטר |
| כוח / משקל | ליברה (lb) | ניוטון (N) |
| מסה | סלאג (Slug) | ק״ג |
| לחץ | psi, inHg | פסקל, hPa, בר |
| עבודה | רגל-ליברה | ג׳ול |
| הספק | כוח סוס | ואט |
המרות שימושיות
| המרה | ערך |
|---|---|
| 1 אינץ׳ | 2.54 ס״מ |
| 1 רגל | 0.3048 מ׳ |
| 1 ק״ג | 2.2 ליברות |
| 1 ג׳לון אמריקאי | 3.785 ליטר |
| 1 psi | כ-2.036 inHg / 6.895 kPa |
| 1 קשר | 1.852 קמ״ש / 1.15 מייל לשעה |
| דלק AVGAS | כ-6 ליברות לג׳לון |
| דלק סילון | כ-6.7 ליברות לג׳לון |
| מים | 8.35 ליברות לג׳לון |
חוקי ניוטון
- התמדה: גוף במנוחה נשאר במנוחה, וגוף בתנועה ממשיך בקו ישר, אלא אם פועל עליו כוח.
F = m × a: הכוח שווה למסה כפול התאוצה.- פעולה ותגובה: לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה – הבסיס לדחף.
תנועה
- מהירות (Speed) – מרחק חלקי זמן. וקטור מהירות (Velocity) – כולל כיוון.
- תאוצה – שינוי המהירות ביחידת זמן.
- תנועה מעגלית – כוח צנטריפטלי מושך פנימה; הכוח הצנטריפוגלי – התגובה, ״דוחף״ החוצה.
F = mv²/r.
עבודה והספק
- עבודה:
W = F × d– רק כשהכוח מזיז את הגוף בכיוון הכוח. - הספק:
P = W / t. 1 HP = 550 ft-lb/s = 33,000 ft-lb/min = 746 W.
דוגמה: הרמת 500 ליברות לגובה 20 רגל ב-10 שניות: עבודה 10,000 ft-lb; הספק 1,000 ft-lb/s = כ-1.8 HP.
מכונות פשוטות
יתרון מכני (MA): היחס בין הכוח שמתקבל (העומס) לכוח שמופעל.
MA = Load / Effort = Effort distance / Load distance
אין ״אנרגיה חינם״ – מה שמרוויחים בכוח מפסידים במרחק.
מנוף (Lever)
Effort × Effort arm = Load × Load arm
| סוג | מיקום הציר (Fulcrum) | דוגמה |
|---|---|---|
| סוג 1 | בין הכוח לעומס | מספריים, מוט פריצה |
| סוג 2 | העומס באמצע | מריצה |
| סוג 3 | הכוח באמצע | פינצטה; כני נסע מסוימים – יתרון במהירות, לא בכוח |
דוגמה: מוט באורך 6 רגל, הציר 1 רגל מהעומס של 500 ליברות: Effort × 5 = 500 × 1 → 100 ליברות.
גלגלות (Pulleys)
- גלגלת קבועה – משנה כיוון בלבד,
MA = 1. - גלגלת נעה / מערכת גלגלות –
MA= מספר החבלים שתומכים בעומס הנע.
מישור משופע, בורג, טריז
- מישור משופע:
MA = Length / Height. - בורג: יתרון מכני גבוה מאוד – הסיבוב הופך לתנועה קווית קטנה.
גלגלי שיניים
- יחס הילוכים = מספר שיניים בגלגל המונע חלקי מספר שיניים בגלגל המניע.
- גלגל קטן מניע גדול – מהירות יורדת, מומנט עולה.
- גלגלי שיניים מצמידים – כיוון סיבוב הפוך; גלגל ביניים (Idler) – שומר על הכיוון.
| גלגלי שיניים | שימוש |
|---|---|
| ישרים (Spur) | צירים מקבילים |
| משופעים (Bevel) | צירים בזווית |
| תולעת (Worm) | יחס הפחתה גדול, לא חוזר לאחור – מפעילים |
| כוכביים (Planetary) | הפחתה קומפקטית – תיבות הפחתה למדחף |
מומנט (Torque)
Torque = Force × Arm. רגל-ליברה או אינץ׳-ליברה. 1 ft-lb = 12 in-lb.
חיכוך
- סטטי (לפני תנועה) גדול יותר מקינטי (בתנועה).
- מגלגל – הקטן ביותר; לכן מסבים.
מאמץ ועיבור
- מאמץ (Stress) – כוח ליחידת שטח (psi).
- עיבור (Strain) – השינוי היחסי בממדים.
נקודות למבחן
F = m × a; לכל פעולה תגובה.KE = ½mv²– ריבוע המהירות.1 HP = 33,000 ft-lb/min.- מנוף: כוח × זרוע = עומס × זרוע.
- גלגלות – MA = מספר חבלים תומכים.
- גלגל קטן מניע גדול – מומנט עולה, מהירות יורדת.
1 ft-lb = 12 in-lb.