ناو هواپیمابر کلاس کوزنتسوف که مشهورترین نمونه آن دریاسالار کوزنتسوف است، یکی از بزرگترین سامانههای مهندسی دریایی روسیه به شمار میرود. این شناور عظیم نهتنها یک ابزار نظامی، بلکه نمونهای پیچیده از کاربرد همزمان چندین شاخه علم فیزیک در مقیاس صنعتی است.
از دیدگاه فیزیک، عملکرد چنین ناوی بر پایه اصول بنیادی مانند مکانیک کلاسیک، دینامیک سیالات، ترمودینامیک، الکترومغناطیس و آیرودینامیک بنا شده است. شناوری آن به اصل ارشمیدس وابسته است، حرکت و پایداری آن تحت قوانین نیوتن و هیدرودینامیک تحلیل میشود، سامانههای پیشران آن بر مبنای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی کار میکنند، و عملیات پرواز جنگندهها مستقیماً به قوانین آیرودینامیک و پایستگی انرژی مربوط است.
در این بررسی، تلاش میشود ناو هواپیمابر کلاس کوزنتسوف نه صرفاً بهعنوان وسیله نظامی، بلکه بهعنوان یک «آزمایشگاه شناور فیزیک کاربردی» تحلیل شود؛ سازهای که در آن نیروها، انرژیها و تعاملات پیچیده ماده و سیال در مقیاسی عظیم بهکار گرفته شدهاند.
بررسی علم فیزیک در ساختار و کارکرد ناو هواپیمابر کلاس کوزنتسوف
ناو هواپیمابر کلاس کوزنتسوف که شاخصترین نمونه آن دریاسالار کوزنتسوف است، نمونهای برجسته از بهکارگیری همزمان چندین شاخهٔ فیزیک در یک سامانهٔ مهندسی عظیم دریایی محسوب میشود. در ادامه، ساختار و کارکرد آن را از منظر فیزیک بررسی میکنیم.
فیزیک در ساختار بدنه (شناوری و پایداری)
الف) اصل ارشمیدس — شناوری
ناو زمانی شناور میماند که نیروی شناوری آب برابر با وزن آن باشد.
بدنه بهگونهای طراحی میشود که با وجود وزن بسیار زیاد (دهها هزار تُن)، حجم جابجایی کافی ایجاد کند.
ب) پایداری و مرکز جرم
پایداری ناو به رابطه بین:
مرکز جرم (CG)
مرکز شناوری (CB)
مرکز متاسنتر (Metacenter)
وابسته است.
اگر متاسنتر بالاتر از مرکز جرم باشد، ناو پس از انحراف به حالت تعادل بازمیگردد.
دینامیک سیالات (حرکت در آب)
حرکت ناو در آب تحت تأثیر:
نیروی پیشران
مقاومت هیدرودینامیکی (Drag)
طراحی بدنه بهگونهای است که:
آشفتگی جریان کاهش یابد
موجسازی کم شود
مصرف سوخت کاهش پیدا کند
ترمودینامیک و سامانه پیشران
در کلاس کوزنتسوف از دیگهای بخار و توربین استفاده میشود.
فرآیند کلی:
انرژی شیمیایی سوخت → انرژی حرارتی → انرژی مکانیکی → حرکت ملخ
این تبدیل انرژی طبق قانون پایستگی انرژی و قوانین ترمودینامیک تحلیل میشود. بازده سامانه وابسته به:
دمای بخار
فشار
اتلاف گرمایی
آیرودینامیک عملیات پرواز
این ناو از رمپ پرتاب (Ski-jump) استفاده میکند.
اصول فیزیکی:
قانون دوم نیوتن
نیروی برا (Lift)
رابطه برنولی در آیرودینامیک
رمپ باعث میشود هواپیما مؤلفه عمودی سرعت بگیرد و زمان بیشتری برای تولید نیروی برا داشته باشد.
الکترومغناطیس و سامانههای راداری
سیستمهای راداری ناو بر پایه:
انتشار امواج الکترومغناطیسی
بازتاب از اهداف
تحلیل فرکانس و زمان بازگشت موج
کار میکنند.
معادلات ماکسول چارچوب نظری این سامانهها را تشکیل میدهند.
مکانیک سازه و تنشها
بدنه ناو تحت اثر:
امواج شدید
ضربه فرود هواپیما
تنش پیچشی در دریاهای متلاطم
تحلیل تنش با مکانیک جامدات و معادلات الاستیسیته انجام میشود.
جمعبندی علمی
ناو هواپیمابر کلاس کوزنتسوف را میتوان ترکیبی از:
مکانیک کلاسیک
دینامیک سیالات
ترمودینامیک
آیرودینامیک
الکترومغناطیس
مکانیک جامدات
دانست؛ سازهای که در آن قوانین بنیادی فیزیک در مقیاس بسیار بزرگ و عملیاتی بهکار گرفته شدهاند.