Aerodynamika to dziedzina wiedzy zajmująca się badaniem ruchu przepływów powietrza i ich wpływu na ciała stałe. Jest to podsekcja dynamiki hydro- i gazowej. Badania w tej dziedzinie sięgają czasów starożytnych, do czasów wynalezienia strzał i włóczni planistycznych, które umożliwiły dalsze i dokładniejsze wysyłanie pocisku na cel. Jednak potencjał aerodynamiki został w pełni ujawniony wraz z wynalezieniem pojazdów cięższych od powietrza, zdolnych do latania lub szybowania na znaczne odległości.
Od czasów starożytnych
Odkrycie praw aerodynamiki w XX wieku przyczyniło się do fantastycznego skoku w wielu dziedzinach nauki i technologii, zwłaszcza w sektorze transportu. W oparciu o jego osiągnięcia stworzono nowoczesne samoloty, które umożliwiły publiczne udostępnienie praktycznie każdego zakątka planety Ziemia.
Pierwsza wzmianka o próbie podbicia nieba znajduje się w greckim micie o Ikara i Dedalu. Ojciec i syn zbudowali skrzydła przypominające ptaki. Wskazuje to, że tysiące lat temu ludzie myśleli o możliwości oderwania się od ziemi.
Kolejny wzrostzainteresowanie budową samolotów powstało w okresie renesansu. Namiętny badacz Leonardo da Vinci poświęcił temu zagadnieniu wiele czasu. Znane są jego notatki, które wyjaśniają zasady działania najprostszego śmigłowca.
Nowa era
Globalnego przełomu w nauce (w szczególności w lotnictwie) dokonał Isaac Newton. Wszak podstawą aerodynamiki jest wszechstronna nauka mechaniki, której założycielem był angielski naukowiec. Newton jako pierwszy potraktował ośrodek powietrzny jako konglomerat cząstek, które wpadając na przeszkodę albo przyklejają się do niej, albo są odbite sprężyście. W 1726 przedstawił społeczeństwu teorię oporu powietrza.
Później okazało się, że środowisko naprawdę składa się z najmniejszych cząstek - molekuł. Dowiedzieli się, jak dość dokładnie obliczyć współczynnik odbicia powietrza, a efekt „przywierania” uznano za założenie nie do utrzymania.
Co zaskakujące, teoria ta znalazła praktyczne zastosowanie wieki później. W latach 60., u zarania ery kosmicznej, radzieccy projektanci stanęli przed problemem obliczania oporu aerodynamicznego pojazdów opadających o „tępym” kształcie kulistym, które po lądowaniu osiągają hipersoniczne prędkości. Ze względu na brak wydajnych komputerów trudno było obliczyć ten wskaźnik. Nieoczekiwanie okazało się, że za pomocą prostego wzoru Newtona dotyczącego efektu „przyklejania się” cząstek do obiektu latającego można dokładnie obliczyć wartość oporu, a nawet rozkład nacisku na przednią część.
Rozwój aerodynamiki
ZałożycielHydrodynamik Daniel Bernoulli opisał w 1738 r. fundamentalną zależność między ciśnieniem, gęstością i prędkością dla przepływu nieściśliwego, znaną dziś jako zasada Bernoulliego, która ma również zastosowanie do obliczeń siły nośnej aerodynamicznej. W 1799 r. Sir George Cayley jako pierwszy zidentyfikował cztery siły aerodynamiczne lotu (masę, siłę nośną, opór i ciąg) oraz zależności między nimi.
W 1871 Francis Herbert Wenham stworzył pierwszy tunel aerodynamiczny do dokładnego pomiaru sił aerodynamicznych. Bezcenne teorie naukowe opracowane przez Jeana Le Ronda d'Alemberta, Gustava Kirchhoffa, Lorda Rayleigha. W 1889 roku Charles Renard, francuski inżynier lotnictwa, jako pierwszy naukowo obliczył moc wymaganą do ciągłego lotu.
Od teorii do praktyki
W XIX wieku wynalazcy spojrzeli na skrzydło z naukowego punktu widzenia. A dzięki badaniu mechanizmu lotu ptaków zbadano aerodynamikę w działaniu, którą później zastosowano w sztucznych samolotach.
Otto Lilienthal celował zwłaszcza w badaniach mechaniki skrzydeł. Niemiecki konstruktor samolotów stworzył i przetestował 11 typów szybowców, w tym dwupłatowiec. Odbył też pierwszy lot na aparacie cięższym od powietrza. Przez stosunkowo krótkie życie (46 lat) wykonał około 2000 lotów, stale ulepszając konstrukcję, która bardziej przypominała lotnię niż samolot. Zginął podczas następnego lotu 10 sierpnia 1896 roku i został pionieremaeronautyka i pierwsza ofiara katastrofy lotniczej. Nawiasem mówiąc, niemiecki wynalazca osobiście przekazał jeden z szybowców Nikołajowi Jegorowiczowi Żukowskiemu, pionierowi w badaniach aerodynamiki samolotów.
Żukowski nie tylko eksperymentował z projektami samolotów. W przeciwieństwie do wielu ówczesnych entuzjastów rozważał zachowanie prądów powietrza przede wszystkim z naukowego punktu widzenia. W 1904 założył pierwszy na świecie instytut aerodynamiki w Cachino pod Moskwą. Od 1918 kierował TsAGI (Centralny Instytut Aerohydrodynamiczny).
Pierwsze samoloty
Aerodynamika to nauka, która pozwoliła człowiekowi podbić niebo. Bez jej zbadania niemożliwe byłoby zbudowanie samolotu, który stabilnie poruszałby się w prądach powietrza. Pierwszy samolot w naszym zwykłym znaczeniu został wykonany i wzniesiony w powietrze 7 grudnia 1903 roku przez braci Wright. Wydarzenie to poprzedziła jednak wnikliwa praca teoretyczna. Amerykanie poświęcili dużo czasu na debugowanie konstrukcji płatowca w tunelu aerodynamicznym własnej konstrukcji.
Podczas pierwszych lotów Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta i Nikołaj Żukowski wysunęli teorie wyjaśniające cyrkulację prądów powietrza, które tworzą siłę nośną. Kutta i Zhukovsky nadal rozwijali dwuwymiarową teorię skrzydła. Ludwigowi Prandtlowi przypisuje się opracowanie matematycznej teorii subtelnych sił aerodynamicznych i sił nośnych, a także pracę z warstwami granicznymi.
Problemy i rozwiązania
Znaczenie aerodynamiki samolotów rosło wraz ze wzrostem ich prędkości. Projektanci zaczęli mieć problemy ze sprężaniem powietrza z prędkością lub zbliżoną do prędkości dźwięku. Różnice w przepływie w tych warunkach doprowadziły do problemów z obsługą samolotów, zwiększonego oporu spowodowanego falami uderzeniowymi i zagrożenia uszkodzeniem konstrukcji z powodu trzepotania aeroelastycznego. Stosunek prędkości przepływu do prędkości dźwięku nazwano liczbą Macha na cześć Ernsta Macha, który jako jeden z pierwszych badał właściwości przepływu naddźwiękowego.
William John McQuorn Rankine i Pierre Henri Gougoniot niezależnie opracowali teorię właściwości przepływu powietrza przed i po fali uderzeniowej, podczas gdy Jacob Akeret wykonał wstępne prace nad obliczeniem siły nośnej i oporu naddźwiękowych profili. Theodor von Karman i Hugh Latimer Dryden ukuli termin „transoniczny”, aby opisać prędkości na granicy Mach 1 (965-1236 km/h), gdy opór gwałtownie wzrasta. Pierwsza bariera dźwięku została przełamana w 1947 roku na samolocie Bell X-1.
Kluczowe funkcje
Zgodnie z prawami aerodynamiki, aby zapewnić lot w atmosferze ziemskiej dowolnego urządzenia, ważne jest, aby wiedzieć:
- Opór aerodynamiczny (oś X) wywierany przez prądy powietrza na obiekt. Na podstawie tego parametru wybierana jest moc elektrowni.
- Siła podnoszenia (oś Y), która zapewnia wznoszenie i pozwala urządzeniu na poziomy lot do powierzchni ziemi.
- Momenty sił aerodynamicznych wzdłuż trzech osi współrzędnych działających na obiekt latający. najważniejszyjest momentem siły bocznej wzdłuż osi Z (Mz) skierowanej w poprzek samolotu (warunkowo wzdłuż linii skrzydła). Określa stopień stabilności wzdłużnej (czy urządzenie „nurkuje”, czy podnosi nos podczas lotu).
Klasyfikacja
Wydajność aerodynamiczna jest klasyfikowana według warunków i właściwości przepływu powietrza, w tym prędkości, ściśliwości i lepkości. Aerodynamika zewnętrzna to badanie przepływu wokół obiektów stałych o różnych kształtach. Przykładem jest ocena siły nośnej i wibracji samolotu, a także fal uderzeniowych, które tworzą się przed nosem pocisku.
Aerodynamika wewnętrzna to badanie przepływu powietrza przechodzącego przez otwory (przejścia) w ciałach stałych. Na przykład obejmuje badanie przepływów przez silnik odrzutowy.
Wydajność aerodynamiczną można również klasyfikować według prędkości przepływu:
- Subsonic nazywa się prędkością mniejszą niż prędkość dźwięku.
- Transonic (transonic) - jeśli występują prędkości zarówno poniżej, jak i powyżej prędkości dźwięku.
- Naddźwiękowy - gdy prędkość przepływu jest większa niż prędkość dźwięku.
- Hysoniczny - prędkość przepływu jest znacznie większa niż prędkość dźwięku. Zwykle ta definicja oznacza prędkości z liczbami Macha powyżej 5.
Aerodynamika śmigłowca
Jeżeli zasada lotu samolotu opiera się na sile nośnej podczas ruchu postępowego wywieranego na skrzydło, to śmigłowiec niejako sam wytwarza siłę nośną dzięki obrotowi łopatek w trybie nadmuchu osiowego (to znaczy bez prędkości translacyjnej). DziękiDzięki tej funkcji helikopter może unosić się w powietrzu w miejscu i wykonywać energiczne manewry wokół osi.
Inne aplikacje
Oczywiście aerodynamika ma zastosowanie nie tylko do samolotów. Opór powietrza odczuwają wszystkie obiekty poruszające się w przestrzeni w środowisku gazowym i ciekłym. Wiadomo, że mieszkańcy wód - ryby i ssaki - mają opływowe kształty. Na ich przykładzie można prześledzić działanie aerodynamiki. Koncentrując się na świecie zwierząt, ludzie wykonują również transport wodny spiczasty lub w kształcie łzy. Dotyczy to statków, łodzi, łodzi podwodnych.
Pojazdy doświadczają znacznego oporu powietrza: wzrasta wraz ze wzrostem prędkości. Aby uzyskać lepszą aerodynamikę, samochody otrzymują opływowy kształt. Dotyczy to szczególnie samochodów sportowych.
