Ta siła oporu występuje w samolotach ze względu na to, że skrzydła lub korpus windy przekierowują powietrze w celu wywołania siły nośnej oraz w samochodach ze skrzydłami, które przekierowują powietrze w celu wywołania siły docisku. Samuel Langley zauważył, że bardziej płaskie płyty o wyższych wydłużeniach mają większy udźwig i mniejszy opór i zostały wprowadzone w 1902 roku. Bez wynalezienia właściwości aerodynamicznych samolotu, nowoczesne projektowanie samolotów byłoby niemożliwe.
Podnoszenie i przenoszenie
Całkowita siła aerodynamiczna działająca na ciało jest zwykle uważana za składającą się z dwóch elementów: podnoszenia i przemieszczania. Z definicji składowa siły równoległa do przeciwprądu nazywana jest przemieszczeniem, podczas gdy składowa prostopadła do przeciwprądu nazywana jest podniesieniem.
Te podstawy aerodynamiki mają ogromne znaczenie dla analizy jakości aerodynamicznej skrzydła. Podnoszenie powstaje poprzez zmianę kierunku opływu skrzydła. Zmianakierunek powoduje zmianę prędkości (nawet jeśli nie ma zmiany prędkości, jak widać w jednostajnym ruchu okrężnym), co jest przyspieszeniem. Dlatego, aby zmienić kierunek przepływu, konieczne jest przyłożenie siły do płynu. Jest to wyraźnie widoczne na każdym samolocie, wystarczy spojrzeć na schematyczne przedstawienie właściwości aerodynamicznych An-2.
Ale nie wszystko jest takie proste. Kontynuując wątek jakości aerodynamicznej skrzydła, warto zauważyć, że wytworzenie wzniosu powietrza pod nim odbywa się pod wyższym ciśnieniem niż ciśnienie powietrza nad nim. Na skrzydle o skończonej rozpiętości ta różnica ciśnień powoduje przepływ powietrza od nasady dolnej powierzchni skrzydła do podstawy jego górnej powierzchni. Ten przepływ powietrza w locie łączy się z przepływającym powietrzem, powodując zmianę prędkości i kierunku, która skręca strumień powietrza i tworzy wiry wzdłuż krawędzi spływu skrzydła. Powstałe wiry są niestabilne, szybko łączą się, tworząc wiry skrzydłowe. Powstające wiry zmieniają prędkość i kierunek przepływu powietrza za krawędzią spływu, odchylając ją w dół, a tym samym powodując klapę za skrzydłem. Z tego punktu widzenia, na przykład, samolot MS-21 ma wysoki współczynnik udźwigu do oporu.
Kontrola przepływu powietrza
Wiry z kolei zmieniają przepływ powietrza wokół skrzydła, zmniejszając zdolność skrzydła do generowania siły nośnej, więc wymaga wyższego kąta natarcia dla tej samej siły nośnej, co powoduje przechylenie całkowitej siły aerodynamicznej do tyłu i zwiększenie składowej oporu ta siła. Odchylenie kątowe jest znikomewpływa na windę. Jednak następuje wzrost oporu równy iloczynowi windy i kąta, o który się odchyla. Ponieważ ugięcie jest samo w sobie funkcją siły nośnej, dodatkowy opór jest proporcjonalny do kąta wznoszenia, co wyraźnie widać w aerodynamice A320.
Przykłady historyczne
Prostokątne skrzydło planetarne wytwarza więcej wibracji wirowych niż skrzydło stożkowe lub eliptyczne, dlatego wiele nowoczesnych skrzydeł jest zwężanych, aby poprawić stosunek unoszenia do oporu. Jednak eliptyczny płatowiec jest bardziej wydajny, ponieważ wywoływany lot (a tym samym efektywny kąt natarcia) jest stały na całej rozpiętości skrzydeł. Ze względu na komplikacje produkcyjne, niewiele samolotów ma taki plan, a najbardziej znanymi przykładami są Spitfire i Thunderbolt z czasów II wojny światowej. Skrzydła stożkowe z prostymi krawędziami natarcia i spływu mogą zbliżyć się do eliptycznego rozkładu siły nośnej. Zgodnie z ogólną zasadą, proste, niezwężane skrzydła wytwarzają 5%, a zwężające się o 1-2% większy opór indukowany niż skrzydło eliptyczne. Dzięki temu mają lepszą jakość aerodynamiczną.
Proporcjonalność
Skrzydło o wysokim wydłużeniu będzie wytwarzać mniejszy opór niż skrzydło o niskim wydłużeniu, ponieważ na czubku dłuższego i cieńszego skrzydła występują mniejsze zakłócenia powietrza. Dlatego indukowanyOpór może być odwrotnie proporcjonalny do proporcjonalności, bez względu na to, jak paradoksalnie może to brzmieć. Rozkład siły nośnej można również zmienić poprzez wymywanie, obracanie skrzydła wokół skrzydeł, aby zmniejszyć opadanie w kierunku skrzydeł, oraz zmianę profilu w pobliżu skrzydeł. Pozwala to na uzyskanie większej siły nośnej bliżej nasady skrzydła, a mniej do skrzydła, co prowadzi do zmniejszenia siły wirów skrzydła i odpowiednio do poprawy jakości aerodynamicznej samolotu.
W historii projektowania samolotów
W niektórych wczesnych samolotach płetwy były montowane na końcach ogonów. Później samoloty mają inny kształt skrzydeł, aby zmniejszyć intensywność wirów i osiągnąć maksymalny stosunek siły nośnej do oporu.
Zbiorniki paliwa z wirnikiem dachowym mogą również przynieść pewne korzyści, zapobiegając chaotycznemu przepływowi powietrza wokół skrzydła. Teraz są używane w wielu samolotach. Aerodynamika DC-10 została zasłużenie uznana za rewolucyjną pod tym względem. Jednak współczesny rynek lotniczy od dawna jest uzupełniany znacznie bardziej zaawansowanymi modelami.
Formuła „przeciągnij, aby przeciągnąć”: wyjaśniona w prosty sposób
Aby obliczyć całkowity opór, konieczne jest uwzględnienie tak zwanej odporności pasożytniczej. Ponieważ opór indukowany jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu prędkości lotu (przy danej sile nośnej), podczas gdy opór pasożytniczy jest do niego wprost proporcjonalny, ogólna krzywa oporu pokazuje prędkość minimalną. Samolot,lecąc z taką prędkością, działa z optymalnymi właściwościami aerodynamicznymi. Zgodnie z powyższymi równaniami, prędkość minimalnego oporu występuje przy prędkości, przy której indukowany opór jest równy oporowi pasożytniczemu. Jest to prędkość, przy której osiągany jest optymalny kąt poślizgu dla samolotu na biegu jałowym. Aby nie być bezpodstawnym, rozważ wzór na przykładzie samolotu:
Kontynuacja wzoru jest również dość ciekawa (zdjęcie poniżej) Latanie wyżej, gdzie powietrze jest rzadsze, zwiększy prędkość, przy której występuje minimalny opór, a tym samym umożliwia szybsze podróżowanie na tej samej ilości paliwo.
Jeśli samolot leci z maksymalną dopuszczalną prędkością, to wysokość, na której gęstość powietrza zapewni mu najlepszą aerodynamikę. Optymalna wysokość przy maksymalnej prędkości i optymalna prędkość na maksymalnej wysokości mogą ulec zmianie podczas lotu.
Wytrzymałość
Prędkość dla maksymalnej wytrzymałości (tj. czasu w powietrzu) to prędkość dla minimalnego zużycia paliwa i mniejsza prędkość dla maksymalnego zasięgu. Zużycie paliwa jest obliczane jako iloczyn wymaganej mocy i jednostkowego zużycia paliwa na silnik (zużycie paliwa na jednostkę mocy). Wymagana moc jest równa czasowi przeciągania.
Historia
Rozwój nowoczesnej aerodynamiki rozpoczął się dopiero w XVIIwieki, ale siły aerodynamiczne były używane przez ludzi od tysięcy lat w żaglówkach i wiatrakach, a obrazy i historie lotu pojawiają się we wszystkich historycznych dokumentach i dziełach sztuki, takich jak starożytna grecka legenda o Ikaru i Dedalu. Podstawowe pojęcia kontinuum, oporu i gradientów ciśnienia pojawiają się w pracach Arystotelesa i Archimedesa.
W 1726 r. Sir Isaac Newton jako pierwszy rozwinął teorię oporu powietrza, czyniąc z niej jeden z pierwszych argumentów na temat właściwości aerodynamicznych. Holendersko-szwajcarski matematyk Daniel Bernoulli napisał w 1738 r. traktat pod tytułem Hydrodynamica, w którym opisał fundamentalną zależność między ciśnieniem, gęstością i prędkością przepływu dla przepływu nieściśliwego, znaną dziś jako zasada Bernoulliego, która dostarcza jednej metody obliczania siły nośnej aerodynamicznej. W 1757 Leonhard Euler opublikował bardziej ogólne równania Eulera, które można zastosować zarówno do przepływów ściśliwych, jak i nieściśliwych. Równania Eulera zostały rozszerzone o wpływ lepkości w pierwszej połowie XIX wieku, dając początek równaniom Naviera-Stokesa. Mniej więcej w tym samym czasie odkryto właściwości aerodynamiczne/jakość aerodynamiczną bieguna.
Na podstawie tych wydarzeń, a także badań przeprowadzonych we własnym tunelu aerodynamicznym, bracia Wright polecieli pierwszym samolotem 17 grudnia 1903 r.
Rodzaje aerodynamiki
Problemy aerodynamiczne są klasyfikowane według warunków przepływu lub właściwości przepływu, w tym takich cech jak prędkość, ściśliwość i lepkość. Najczęściej dzieli się je na dwa rodzaje:
- Aerodynamika zewnętrzna to badanie przepływu wokół obiektów stałych o różnych kształtach. Przykładami aerodynamiki zewnętrznej są ocena siły nośnej i oporu samolotu lub fal uderzeniowych, które tworzą się przed nosem pocisku.
- Aerodynamika wewnętrzna to badanie przepływu przez przejścia w ciałach stałych. Na przykład aerodynamika wewnętrzna obejmuje badanie przepływu powietrza przez silnik odrzutowy lub przez komin klimatyzacji.
Problemy aerodynamiczne można również sklasyfikować według prędkości przepływu poniżej lub w pobliżu prędkości dźwięku.
Problem nazywa się:
- subsonic, jeśli wszystkie prędkości w zadaniu są mniejsze niż prędkość dźwięku;
- transoniczny, jeśli występują prędkości zarówno poniżej, jak i powyżej prędkości dźwięku (zwykle, gdy charakterystyczna prędkość jest w przybliżeniu równa prędkości dźwięku);
- naddźwiękowy, gdy charakterystyczna prędkość przepływu jest większa niż prędkość dźwięku;
- hipodźwiękowy, gdy prędkość przepływu jest znacznie większa niż prędkość dźwięku.
Aerodynamicy nie zgadzają się co do dokładnej definicji przepływu hipersonicznego.
Wpływ lepkości na przepływ dyktuje trzecią klasyfikację. Niektóre problemy mogą mieć tylko bardzo małe efekty lepkości, w takim przypadku lepkość można uznać za nieistotną. Aproksymacje tych problemów nazywane są inviscidprądy. Przepływy, dla których nie można pominąć lepkości, nazywane są przepływami lepkimi.
Kompresowalność
Przepływ nieściśliwy to przepływ, w którym gęstość jest stała zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Chociaż wszystkie płyny rzeczywiste są ściśliwe, przepływ jest często aproksymowany jako nieściśliwy, jeśli efekt zmiany gęstości powoduje jedynie niewielkie zmiany w obliczonych wynikach. Jest to bardziej prawdopodobne, gdy natężenie przepływu jest znacznie poniżej prędkości dźwięku. Efekty ściśliwości są bardziej znaczące przy prędkościach bliskich lub wyższych niż prędkość dźwięku. Liczba Macha służy do oceny możliwości nieściśliwości, w przeciwnym razie należy uwzględnić efekty ściśliwości.
Zgodnie z teorią aerodynamiki, przepływ jest uważany za ściśliwy, jeśli gęstość zmienia się wzdłuż linii prądu. Oznacza to, że w przeciwieństwie do przepływu nieściśliwego brane są pod uwagę zmiany gęstości. Generalnie dzieje się tak w przypadku, gdy liczba Macha części lub całości przepływu przekracza 0,3. Wartość Macha 0,3 jest raczej dowolna, ale jest stosowana, ponieważ przepływ gazu poniżej tej wartości wykazuje mniej niż 5% zmian gęstości. Również maksymalna zmiana gęstości o 5% następuje w punkcie stagnacji (punkt na obiekcie, w którym prędkość przepływu wynosi zero), podczas gdy gęstość wokół reszty obiektu będzie znacznie mniejsza. Wszystkie przepływy transsoniczne, naddźwiękowe i naddźwiękowe są ściśliwe.
Wniosek
Aerodynamika jest obecnie jedną z najważniejszych nauk na świecie. Ona nam zapewniabudowanie wysokiej jakości samolotów, statków, samochodów i komiksowych wahadłowców. Odgrywa ogromną rolę w rozwoju nowoczesnych rodzajów broni – rakiet balistycznych, dopalaczy, torped i dronów. Wszystko to byłoby niemożliwe, gdyby nie nowoczesne, zaawansowane koncepcje jakości aerodynamicznej.
W ten sposób wyobrażenia na temat artykułu zmieniły się z pięknych, ale naiwnych fantazji na temat Ikara, w funkcjonalny i naprawdę działający samolot, który powstał na początku ubiegłego wieku. Dziś nie wyobrażamy sobie naszego życia bez samochodów, statków i samolotów, a pojazdy te wciąż ulepszają się dzięki nowym przełomom w aerodynamice.
Aerodynamika szybowców była w swoim czasie prawdziwym przełomem. Początkowo wszystkie odkrycia w tej dziedzinie dokonywane były za pomocą abstrakcyjnych, niekiedy oderwanych od rzeczywistości, obliczeń teoretycznych, które dokonywali w swoich laboratoriach matematycy francuscy i niemieccy. Później wszystkie ich wzory zostały wykorzystane do innych, bardziej fantastycznych (jak na standardy XVIII wieku) celów, takich jak obliczenie idealnego kształtu i prędkości przyszłego samolotu. W XIX wieku zaczęto budować te urządzenia w dużych ilościach, zaczynając od szybowców i sterowców, Europejczycy stopniowo przestawiali się na budowę samolotów. Te ostatnie były początkowo wykorzystywane wyłącznie do celów wojskowych. Asy I wojny światowej pokazały, jak ważna dla każdego kraju jest kwestia dominacji w powietrzu, a inżynierowie okresu międzywojennego odkryli, że takie samoloty są skuteczne nie tylko dla wojska, ale także dla ludności cywilnej.cele. Z biegiem czasu lotnictwo cywilne mocno wkroczyło w nasze życie i dziś żadne państwo nie może się bez niego obejść.
