פנייה חדה באוויר
08/05/2022
כשמסובבים את ההגה ברכב, הגלגלים פונים, ובעזרת החיכוך של הצמיג עם הכביש גורמים לרכב לסטות ימינה או שמאלה. אך באוויר אין כביש, אז איך נגיע עם המטוס ליעדנו? נסביר לְמה מחובר מוט ההיגוי (הסטִיק) של המטוס, ואיך כלֵי טיס פונים ומסתובבים באוויר.
במטוסי הנוסעים אנחנו ממריאים בכיוון אחד, אך אז מרגישים שהמטוס נוטה ורואים שהוא פונה לכיוון אחר. בצפייה בסרטים על מטוסי קרב אנו רואים שהם מסתובבים לעתים בחדות הצידה ואז פונים. אבל מה גורם להם לנטות? מה קורה למטוס כשהטייס מסיט את מוט ההיגוי?
כאשר אנחנו נוסעים בדרך לעבודה ברור לנו מה גורם לרכב לפנות: אנחנו מסובבים את גלגל ההגה, ההגה בתורו מפנה את הגלגלים על ידי הזזת "המסרק", שהוא מין מוט משונן, ואלה, מפני שצמיגיהם במגע עם הקרקע, מפנים את האוטו. למטוס כאמור אין גלגלים שבאים במגע עם הקרקע, ובמקומם יש לו את משטחי ההיגוי והאוויר.
ראיתם פעם תחרות גלשני רוח באולימפיאדה? הגולש משתמש במפרש כדי לקדם את הגלשן שלו, ומשתמש באותו מפרש כדי לשלוט בכיוון הגלשן. למטוס לעומתו יש משטחים בכנפיים, שעל ידי שינוי הזווית שלהם, פועל כוח שגורם למטוס לפנות. אלה משטחי ההיגוי.
כאשר המטוס באוויר פועל על הכנפיים שלו כוח עילוי שמאזן את משקל המטוס ומשאיר את המטוס באוויר [1]. משטחי ההיגוי הם בעצם כנפיים, שמסוגלות לשנות זווית ובכך לשנות את כוחות העילוי כך שיפנו או יסובבו את המטוס. בדרך כלל יש למטוס חמישה משטחים כאלה, שמאפשרים לו שינוי כיוון בשלושה צירים.
את רוב המטוסים המסחריים ניתן לתאר כצינור, שהוא הגוף העיקרי של המטוס (fuselage), המחובר לכנפיים, ומאחור נמצא, כדרך הטבע, הזנב. הקצה הקדמי של המטוס נקרא "אף" המטוס. המטוס טס קדימה כשהאף, כמובן, מלפנים. (ראו איור 1)
איור 1
כל מי שניסה אי פעם לאזן מזלג על האצבע יודע שיש עליו נקודה, שאם נשים את האצבע מתחתיה המזלג לא ייפול. הנקודה הזו היא מרכז המסה של המזלג. המשקל של כל מה שמצד ימין לנקודה שווה למשקל של כל מה שמצד שמאל לנקודה, ולכן המזלג מאוזן. גם למטוס, כמובן, יש נקודת מרכז מסה, בחלק האמצעי-קדמי של המטוס, מסומנת באיקס באיור 1.
כאשר מפעילים כוח במרכז המסה של גוף קשיח, הגוף יתחיל להאיץ בכיוון הכוח. אבל אם נפעיל כוח על גוף קשיח שלא במרכז המסה, הוא ינוע בכיוון הכוח אבל גם יתחיל להסתובב סביב מרכז המסה שלו, מכיוון שהכוח ייצור מומנט מסביב למרכז המסה. כיוון שמומנט הוא הכוח שמוכפל במרחק מציר הסיבוב, ככל שהכוח פועל רחוק יותר מציר הסיבוב כך המומנט גדול יותר, וכך ה"רצון" של הגוף להסתובב סביב צירו גדל.
כדי לסובב את המטוס ימינה ושמאלה נצטרך להפעיל כוח על הזנב (הנקודה הרחוקה ביותר ממרכז המסה) הצידה. הכוח הזה (מסומן באדום באיור 1) ייצור מומנט, שיסובב את המטוס מסביב לנקודת שיווי המשקל. אם נפעיל את הכוח משמאל לזנב, אז הזנב יזוז ימינה והאף יפנה שמאלה. באותו אופן, אם נרצה להרים את האף נפעיל כוח על הזנב כלפי מטה (מסומן בכחול), ולבסוף, אם נרצה להסתובב סביב ציר הגוף נפעיל כוחות על הכנפיים - נדחוף כנף אחת למעלה ואת השנייה למטה, והמטוס יִטה סביב ציר ה"צינור".
איור 2
משטחי ההיגוי מפעילים את הכוחות שתיארנו: על הזנב יש משטח ששמו "הגה הכיוון" (rudder, מסומן באדום באיור 2). הוא יכול לזוז ימינה ושמאלה, ולהסיט את האף שמאלה וימינה. על כנפוני הזנב יש שני משטחים, שנקראים ביחד "הגה גובה" (elevators, מסומנים בכחול באיור 2). הם זזים יחד למעלה ולמטה ומפנים את אף המטוס למטה ולמעלה. לבסוף, על כל כנף יש משטח היגוי. משטחים אלה נקראים "מאזנות" (ailerons, מסומנות בוורוד באיור 2). המטרה של המאזנות היא להפעיל כוחות מנוגדים על הכנפיים ולסובב את המטוס סביב ציר הגוף. המאזנות נעות במנוגד: אחת תעלה למעלה בזמן שהשנייה תרד למטה.
אמרנו קודם שכשמפעילים כוח הגוף מסתובב, אבל גם זז בכיוון הכוח. זה מה שקורה כשמפעילים את משטחי ההיגוי שבזנב: כשמפנים את האף שמאלה עם הגה הכיוון, כל המטוס זז קצת ימינה במה שיכול להיראות כמו "החלקה ימינה". כשמושכים את האף למעלה עם הגה הגובה, המטוס כולו יורד קצת למטה. בנוסף, צריך לקחת בחשבון שכוח העילוי, שמשאיר את המטוס באוויר, תלוי בזווית שבה האוויר פוגש את הכנף. אם פונים עם הגה אחד בלבד, שינוי הזווית של המטוס מול הרוח עלול לגרום לשינוי בגודל ובזווית כוח העילוי, וליצור מומנט נוסף בכיוון לא רצוי. כדי לשמור על המיקום בעת פנייה, וכדי שהפנייה תיקח פחות זמן, כאשר מטוסים משנים כיוון באוויר הם משתמשים בדרך כלל ביותר ממשטח היגוי אחד. לדוגמה, בשביל להפנות את האף ימינה, במקום להשתמש בהגה הכיוון, מטים את המטוס עם המאזנות ואז מושכים את האף בכיוון "מעלה" של המטוס עם הגה הגובה (הטייס מושך את ההגה למעלה ו"מרים" את האף - אבל מפני שהמטוס נוטה לצד, האף פשוט פונה לאותו צד). כך גם מתקבלת הפנייה של מטוסי הקרב שאנחנו רגילים לראות בסרטי האקשן.
הטייס שולט במשטחי ההיגוי בעזרת ה"סטיק" ובעזרת מנופי הרגל (פדלים). כאשר הטייס מטה את הסטיק ימינה ושמאלה, הוא מעלה ומוריד את המאזנות. סיבוב של ההגה ימינה יגרום למטוס להתגלגל ימינה. כאשר הטייס דוחף את הסטיק למטה הוא מעלה את הגה הגובה ודוחף את אף המטוס למטה. ולהפך, כאשר הטייס מושך את הסטיק הוא מוריד את הגה הגובה ומרים את האף. לטייס יש גם שני פדלים שבעזרתם הוא יכול לסובב את הגה הכיוון ימינה ושמאלה.
כעת אתם יודעים איך מטוסים פונים ומסתובבים באוויר!
עריכה: ינון קחטן
איורים: אלמוג נדיר
מקורות:
מרצה במחלקה להנדסת מכונות, במכללה האקדמית להנדסה בראודה בכרמיאל. אלעד דוקטור למערכות אוטונומיות ורובוטיקה, חוקר בינה מלאכותית ואופטימיזציה.
מעצבת גרפית ומאיירת חובבת. בוגרת תואר ראשון בביולוגיה מאוניברסיטת בן גוריון.
