Aerodynamik är ett kunskapsområde som studerar luftflödens rörelser och deras effekter på fasta kroppar. Det är en underavdelning av hydro- och gasdynamik. Forskningen på detta område går tillbaka till antiken, till tiden för uppfinningen av pilar och planeringsspjut, vilket gjorde det möjligt att skicka en projektil längre och mer exakt mot ett mål. Men aerodynamikens potential avslöjades fullt ut med uppfinningen av fordon som är tyngre än luft som kan flyga eller glida över avsevärda avstånd.
sedan urminnes tider
Upptäckten av aerodynamikens lagar på 1900-talet bidrog till ett fantastiskt språng inom många områden inom vetenskap och teknik, särskilt inom transportsektorn. Baserat på dess prestationer har moderna flygplan skapats, som gjorde det möjligt att göra praktiskt taget alla hörn av planeten jorden tillgänglig för allmänheten.
Det första omnämnandet av ett försök att erövra himlen finns i den grekiska myten om Ikaros och Daidalos. Far och son byggde fågelliknande vingar. Detta tyder på att människor för tusentals år sedan tänkte på möjligheten att komma igång.
Ännu en ökningintresset för konstruktion av flygplan uppstod under renässansen. Den passionerade forskaren Leonardo da Vinci ägnade mycket tid åt detta problem. Hans anteckningar är kända, som förklarar principerna för driften av den enklaste helikoptern.
Ny era
Det globala genombrottet inom vetenskap (och flygteknik i synnerhet) gjordes av Isaac Newton. När allt kommer omkring är grunden för aerodynamik en omfattande vetenskap om mekanik, vars grundare var en engelsk vetenskapsman. Newton var den första som betraktade luftmediet som ett konglomerat av partiklar, som, som stöter på ett hinder, antingen fastnar vid det eller reflekteras elastiskt. 1726 presenterade han teorin om luftmotstånd för allmänheten.
Sedermera visade det sig att miljön egentligen består av de minsta partiklarna – molekyler. De lärde sig hur man beräknar luftens reflektionsförmåga ganska noggrant, och den "klibbande" effekten ansågs vara ett ohållbart antagande.
Överraskande nog fick denna teori praktisk tillämpning århundraden senare. På 60-talet, vid rymdålderns gryning, stod sovjetiska designers inför problemet med att beräkna det aerodynamiska motståndet för nedstigningsfordon med en "trubbig" sfärisk form, som utvecklar hypersoniska hastigheter vid landning. På grund av bristen på kraftfulla datorer var det problematiskt att beräkna denna indikator. Oväntat visade det sig att det är möjligt att noggrant beräkna dragvärdet och till och med tryckfördelningen över frontdelen med hjälp av Newtons enkla formel angående effekten av att partiklar "fastnar" på ett flygande föremål.
Utveckling av aerodynamik
GrundareHydrodynamikern Daniel Bernoulli beskrev 1738 det grundläggande förhållandet mellan tryck, densitet och hastighet för inkompressibelt flöde, idag känd som Bernoullis princip, som också är tillämplig på beräkningar av aerodynamisk lyftkraft. 1799 blev Sir George Cayley den första personen som identifierade de fyra aerodynamiska flygkrafterna (vikt, lyft, drag och dragkraft) och relationerna mellan dem.
År 1871 skapade Francis Herbert Wenham den första vindtunneln för att noggrant mäta aerodynamiska krafter. Ovärderliga vetenskapliga teorier utvecklade av Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. 1889 blev Charles Renard, en fransk flygingenjör, den första personen som vetenskapligt beräknade kraften som krävs för uthållig flygning.
Från teori till praktik
På 1800-talet tittade uppfinnare på vingen från en vetenskaplig synvinkel. Och tack vare studiet av mekanismen för fågelflyg, studerades aerodynamik i aktion, vilket senare tillämpades på konstgjorda flygplan.
Otto Lilienthal utmärkte sig särskilt i forskningen om vingmekanik. Den tyska flygplansdesignern skapade och testade 11 typer av segelflygplan, inklusive ett biplan. Han gjorde också den första flygningen på en apparat tyngre än luft. Under ett relativt kort liv (46 år) gjorde han cirka 2000 flygningar, och förbättrade hela tiden designen, som var mer som ett hängflygplan än ett flygplan. Han dog under nästa flygning den 10 augusti 1896 och blev pionjärflygteknik, och det första offret för en flygkrasch. Förresten, den tyske uppfinnaren överlämnade personligen ett av segelflygplanen till Nikolai Yegorovich Zhukovsky, en pionjär inom studiet av flygplans aerodynamik.
Zhukovsky experimenterade inte bara med flygplansdesigner. Till skillnad från många entusiaster på den tiden, betraktade han i första hand luftströmmarnas beteende ur en vetenskaplig synvinkel. 1904 grundade han världens första aerodynamiska institut i Cachino nära Moskva. Sedan 1918 ledde han TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Första plan
Aerodynamik är vetenskapen som tillät människan att erövra himlen. Utan att studera det skulle det vara omöjligt att bygga flygplan som rör sig stabilt i luftströmmar. Det första flygplanet i vår vanliga mening tillverkades och lyftes i luften den 7 december 1903 av bröderna Wright. Denna händelse föregicks dock av ett noggrant teoretiskt arbete. Amerikanerna ägnade mycket tid åt att felsöka designen av flygplanet i en vindtunnel av deras egen design.
Under de första flygningarna lade Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta och Nikolai Zhukovsky fram teorier som förklarade cirkulationen av luftströmmar som skapar lyft. Kutta och Zhukovsky fortsatte att utveckla en tvådimensionell teori om vingen. Ludwig Prandtl är krediterad för att ha utvecklat den matematiska teorin om subtila aerodynamiska krafter och lyftkrafter, samt arbetat med gränsskikt.
Problem och lösningar
Vikten av flygplans aerodynamik ökade när deras hastigheter ökade. Designers började stöta på problem med att komprimera luft med eller nära ljudets hastighet. Skillnader i flöde under dessa förhållanden har lett till flygplanshanteringsproblem, ökat motstånd på grund av stötvågor och hot om strukturella fel på grund av aeroelastiskt fladder. Förhållandet mellan flödeshastighet och ljudhastighet kallades Mach-talet efter Ernst Mach, som var en av de första som undersökte egenskaperna hos överljudsflöde.
William John McQuorn Rankine och Pierre Henri Gougoniot utvecklade oberoende teorin om luftflödesegenskaper före och efter en chockvåg, medan Jacob Akeret gjorde det första arbetet med att beräkna lyftet och motståndet för överljudsprofiler. Theodor von Karman och Hugh Latimer Dryden myntade termen "transonic" för att beskriva hastigheter vid Mach 1-gränsen (965-1236 km/h), när motståndet ökar snabbt. Den första ljudmuren bröts 1947 på ett Bell X-1 flygplan.
nyckelfunktioner
I enlighet med aerodynamikens lagar är det viktigt att veta: för att säkerställa flygning i jordens atmosfär för alla enheter
- Aerodynamiskt motstånd (X-axel) som utövas av luftströmmar på ett objekt. Baserat på denna parameter väljs kraftverket för kraftverket.
- Lyftkraft (Y-axel), som ger stigning och låter enheten flyga horisontellt till jordens yta.
- Moment av aerodynamiska krafter längs tre koordinataxlar som verkar på ett flygande föremål. Viktigast av alltär momentet för sidokraften längs Z-axeln (Mz) riktad över flygplanet (villkorligt längs vinglinjen). Den bestämmer graden av longitudinell stabilitet (om enheten kommer att "dyka" eller lyfta upp nosen när den flyger).
Klassificering
Aerodynamisk prestanda klassificeras efter luftflödesförhållanden och egenskaper, inklusive hastighet, kompressibilitet och viskositet. Extern aerodynamik är studiet av flödet runt fasta föremål av olika former. Exempel är att bedöma ett flygplans lyft och vibrationer, samt de stötvågor som bildas framför en missils nos.
Intern aerodynamik är studiet av luftflöde som rör sig genom öppningar (passager) i fasta föremål. Den omfattar till exempel studiet av flöden genom en jetmotor.
Aerodynamisk prestanda kan också klassificeras efter flödeshastighet:
- Subsonic kallas en hastighet som är lägre än ljudets hastighet.
- Transonic (transonic) - om det finns hastigheter både under och över ljudhastigheten.
- Supersonic - när flödeshastigheten är högre än ljudets hastighet.
- Hypersonisk - flödeshastigheten är mycket högre än ljudets hastighet. Vanligtvis betyder denna definition hastigheter med Mach-tal över 5.
Helikopteraerodynamik
Om principen för flygplansflygning är baserad på lyftkraften under translationsrörelse som utövas på vingen, så skapar helikoptern liksom lyft av sig själv på grund av bladens rotation i det axiella blåsläget (det vill säga utan translationshastighet). Tack vareMed denna funktion kan helikoptern sväva i luften på plats och utföra energiska manövrar runt axeln.
Andra applikationer
Naturligtvis är aerodynamik inte bara tillämplig på flygplan. Luftmotstånd upplevs av alla föremål som rör sig i rymden i ett gas- och flytande medium. Det är känt att vattenlevande invånare - fiskar och däggdjur - har strömlinjeformade former. På deras exempel kan du spåra aerodynamiken i aktion. Med fokus på djurvärlden gör människor också vattentransporter spetsiga eller droppformade. Detta gäller fartyg, båtar, ubåtar.
Fordon upplever betydande luftmotstånd: det ökar när hastigheten ökar. För att uppnå bättre aerodynamik får bilar en strömlinjeformad form. Detta gäller särskilt för sportbilar.
