Denne modstandskraft opstår i flyvemaskiner på grund af vinger eller et løftelegeme, der omdirigerer luft for at forårsage løft, og i biler med aerofolievinger, der omdirigerer luft for at forårsage nedadgående kraft. Samuel Langley bemærkede, at fladere plader med højere formatforhold havde højere løft og lavere modstand og blev introduceret i 1902. Uden opfindelsen af flyets aerodynamiske kvalitet ville moderne flydesign være umuligt.
Løft og flytning
Den samlede aerodynamiske kraft, der virker på en krop, anses norm alt for at bestå af to komponenter: løft og forskydning. Per definition kaldes kraftkomponenten parallelt med modstrømmen forskydning, mens komponenten vinkelret på modstrømmen kaldes løft.
Disse grundlæggende aerodynamik er af stor betydning for analysen af den aerodynamiske kvalitet af vingen. Lift frembringes ved at ændre strømningsretningen rundt om vingen. Lave omretning resulterer i en hastighedsændring (selvom der ikke er nogen ændring i hastigheden, set i ensartet cirkulær bevægelse), hvilket er acceleration. For at ændre strømningsretningen kræves det derfor, at der påføres en kraft på væsken. Dette er tydeligt synligt på ethvert fly, se bare på den skematiske repræsentation af den aerodynamiske kvalitet af An-2.
Men ikke alt er så simpelt. For at fortsætte temaet om aerodynamisk kvalitet af en vinge er det værd at bemærke, at skabelsen af luftløft under den er ved et højere tryk end lufttrykket over det. På en vinge med begrænset spænd får denne trykforskel luft til at strømme fra roden af den nedre overfladevinge til bunden af dens øvre overflade. Denne flyvende luftstrøm kombineres med strømmende luft for at forårsage en ændring i hastighed og retning, der vrider luftstrømmen og skaber hvirvler langs vingens bagkant. De dannede hvirvler er ustabile, de kombineres hurtigt for at skabe vingehvirvler. De resulterende hvirvler ændrer hastigheden og retningen af luftstrømmen bag bagkanten, afbøjer den nedad og forårsager derved en flap bag vingen. Fra dette synspunkt har MS-21-flyet f.eks. et højt niveau af løft-til-træk-forhold.
Luftstrømskontrol
Hvirvlerne ændrer igen luftstrømmen omkring vingen, hvilket reducerer vingens evne til at generere løft, så det kræver en højere angrebsvinkel for det samme løft, hvilket vipper den samlede aerodynamiske kraft bagud og øger modstandskomponenten af den kraft. Vinkelafvigelsen er ubetydeligpåvirker løft. Der er dog en stigning i modstand svarende til produktet af løftet og vinklen, som det afviger med. Da afbøjning i sig selv er en funktion af løftet, er det ekstra træk proportion alt med stigningsvinklen, hvilket tydeligt kan ses i A320'erens aerodynamik.
Historiske eksempler
En rektangulær planetvinge skaber flere hvirvelvibrationer end en konisk eller elliptisk vinge, hvilket er grunden til, at mange moderne vinger er tilspidsede for at forbedre forholdet mellem løft og træk. Den elliptiske flyskrog er dog mere effektiv, da den inducerede vask (og dermed den effektive angrebsvinkel) er konstant over hele spændvidden af vingerne. På grund af fremstillingskomplikationer har få fly denne planform, de mest berømte eksempler er Spitfire fra Anden Verdenskrig og Thunderbolt. Tilspidsede vinger med lige for- og bagkanter kan nærme sig en elliptisk løftefordeling. Som en generel regel producerer lige, ikke-tilspidsede vinger 5% og tilspidsede vinger producerer 1-2% mere induceret træk end en elliptisk vinge. Derfor har de bedre aerodynamisk kvalitet.
Proportionalitet
En vinge med højt billedformat vil producere mindre induceret modstand end en vinge med lavt billedformat, fordi der er mindre luftforstyrrelser ved spidsen af en længere, tyndere vinge. Derfor er den induceredemodstand kan være omvendt proportional med proportionalitet, uanset hvor paradoks alt det måtte lyde. Løftfordelingen kan også ændres ved at vaske ud, dreje vingen rundt for at mindske faldet mod vingerne og ved at udskifte bærefladen nær vingerne. Dette giver dig mulighed for at få mere løft tættere på vingeroden og mindre på vingen, hvilket fører til et fald i styrken af vingehvirvlerne og følgelig til en forbedring af flyets aerodynamiske kvalitet.
I flydesignets historie
På nogle tidlige fly var finnerne monteret på halespidserne. Senere fly har en anden vingeform for at reducere intensiteten af hvirvlerne og opnå maksim alt løft-til-træk-forhold.
Brændstoftanke i taghjulet kan også give en vis fordel ved at forhindre kaotisk luftstrøm rundt om vingen. Nu bruges de i mange fly. Den aerodynamiske kvalitet af DC-10 blev fortjent betragtet som revolutionerende i denne henseende. Det moderne luftfartsmarked er dog længe blevet fyldt op med meget mere avancerede modeller.
Træk-til-træk-formel: forklaret i enkle vendinger
For at beregne den samlede modstand er det nødvendigt at tage hensyn til den såkaldte parasitære modstand. Da induceret luftmodstand er omvendt proportional med kvadratet af lufthastigheden (ved et givet løft), mens parasitmodstand er direkte proportional med det, viser den overordnede luftmodstandskurve minimumshastigheden. Fly,flyver med en sådan hastighed, opererer med optimale aerodynamiske kvaliteter. Ifølge ovenstående ligninger sker hastigheden af minimumsmodstanden ved en hastighed, hvormed den inducerede modstand er lig med den parasitære modstand. Dette er den hastighed, hvormed den optimale glidevinkel nås for inaktive fly. For ikke at være ubegrundet, overvej formlen på eksemplet med et fly:
Fortsættelsen af formlen er også ret underlig (billedet nedenfor) At flyve højere, hvor luften er tyndere, vil øge hastigheden, hvormed det mindste luftmodstand opstår, og dermed tillader det hurtigere rejse på samme mængde brændstof.
Hvis et fly flyver med sin maksim alt tilladte hastighed, så vil den højde, hvor lufttætheden vil give det den bedste aerodynamiske kvalitet. Optimal højde ved maksimal hastighed og optimal hastighed ved maksimal højde kan ændre sig under flyvning.
Stamina
Hastighed for maksimal udholdenhed (dvs. tid i luften) er hastigheden for minimum brændstofforbrug og mindre hastighed for maksimal rækkevidde. Brændstofforbrug beregnes som produktet af den nødvendige effekt og det specifikke brændstofforbrug pr. motor (brændstofforbrug pr. effektenhed). Den nødvendige effekt er lig med træktiden.
Historie
Udviklingen af moderne aerodynamik begyndte først i XVIIårhundreder, men aerodynamiske kræfter er blevet brugt af mennesker i tusinder af år i sejlbåde og vindmøller, og billeder og historier om flyvning optræder i alle historiske dokumenter og kunstværker, såsom den antikke græske legende om Ikaros og Daedalus. De grundlæggende begreber kontinuum, modstand og trykgradienter optræder i Aristoteles og Arkimedes' arbejde.
I 1726 blev Sir Isaac Newton den første person, der udviklede teorien om luftmodstand, hvilket gjorde den til et af de første argumenter om aerodynamiske kvaliteter. Den hollandsk-schweiziske matematiker Daniel Bernoulli skrev en afhandling i 1738 kaldet Hydrodynamica, hvori han beskrev det grundlæggende forhold mellem tryk, tæthed og strømningshastighed for inkompressibel strømning, kendt i dag som Bernoullis princip, som giver én metode til at beregne aerodynamisk løft. I 1757 udgav Leonhard Euler de mere generelle Euler-ligninger, som kan anvendes på både komprimerbare og inkompressible strømme. Euler-ligningerne blev udvidet til at omfatte virkningerne af viskositet i første halvdel af 1800-tallet, hvilket gav anledning til Navier-Stokes-ligningerne. Aerodynamisk ydeevne/aerodynamisk kvalitet af polaren blev opdaget omkring samme tid.
Baseret på disse begivenheder, samt forskning udført i deres egen vindtunnel, fløj Wright-brødrene det første fly den 17. december 1903.
Typer af aerodynamik
Aerodynamiske problemer klassificeres efter strømningsforhold eller strømningsegenskaber, herunder karakteristika såsom hastighed, kompressibilitet og viskositet. De er oftest opdelt i to typer:
- Ekstern aerodynamik er studiet af flow omkring faste genstande med forskellige former. Eksempler på ekstern aerodynamik er vurderingen af løft og modstand på et fly eller de stødbølger, der dannes foran et missils næse.
- Intern aerodynamik er studiet af flow gennem passager i faste genstande. For eksempel dækker intern aerodynamik studiet af luftstrøm gennem en jetmotor eller gennem en klimaanlægs skorsten.
Aerodynamiske problemer kan også klassificeres efter strømningshastigheder under eller tæt på lydens hastighed.
Problemet hedder:
- subsonisk, hvis alle hastigheder i problemet er mindre end lydens hastighed;
- transonisk, hvis der er hastigheder både under og over lydens hastighed (norm alt når den karakteristiske hastighed er omtrent lig med lydens hastighed);
- supersonisk, når den karakteristiske strømningshastighed er større end lydens hastighed;
- hypersonisk, når strømningshastigheden er meget større end lydens hastighed.
Aerodynamikere er uenige om den nøjagtige definition af hypersonisk flow.
Viskositetens effekt på flowet dikterer en tredje klassificering. Nogle problemer kan kun have meget små tyktflydende virkninger, i hvilket tilfælde viskositeten kan betragtes som ubetydelig. Tilnærmelser til disse problemer kaldes inviscidstrømme. Strømme, for hvilke viskositeten ikke kan negligeres, kaldes viskøse strømme.
Kompressibilitet
Et inkompressibelt flow er et flow, hvor tætheden er konstant både i tid og rum. Selvom alle reelle væsker er komprimerbare, er flow ofte tilnærmet som inkompressibelt, hvis virkningen af en ændring i densitet kun forårsager små ændringer i de beregnede resultater. Dette er mere sandsynligt, når strømningshastigheden er et godt stykke under lydens hastighed. Effekterne af kompressibilitet er mere signifikante ved hastigheder tæt på eller højere end lydens hastighed. Mach-tallet bruges til at evaluere muligheden for inkompressibilitet, ellers skal kompressibilitetseffekter inkluderes.
Ifølge teorien om aerodynamik anses flowet for at være komprimerbart, hvis tætheden ændres langs strømlinjen. Det betyder, at der i modsætning til et inkompressibelt flow tages højde for ændringer i tætheden. Generelt er dette tilfældet, når Mach-tallet for en del af eller hele flowet overstiger 0,3. Mach-værdien på 0,3 er ret vilkårlig, men den bruges, fordi en gasstrøm under denne værdi udviser mindre end 5 % tæthedsændringer. Også den maksimale tæthedsændring på 5 % sker ved stagnationspunktet (det punkt på objektet, hvor strømningshastigheden er nul), mens tætheden omkring resten af objektet vil være meget lavere. Transoniske, supersoniske og hypersoniske strømme er alle komprimerbare.
Konklusion
Aerodynamik er en af de vigtigste videnskaber i verden i dag. Hun giver osbygge kvalitetsfly, skibe, biler og tegneserier. Det spiller en stor rolle i udviklingen af moderne typer våben - ballistiske missiler, boostere, torpedoer og droner. Alt dette ville være umuligt, hvis det ikke var for moderne avancerede koncepter af aerodynamisk kvalitet.
Således ændrede ideer om artiklens emne sig fra smukke, men naive fantasier om Ikaros, til funktionelle og virkelig fungerende fly, der opstod i begyndelsen af forrige århundrede. I dag kan vi ikke forestille os vores liv uden biler, skibe og fly, og disse køretøjer bliver ved med at blive bedre med nye gennembrud inden for aerodynamik.
De aerodynamiske kvaliteter af svævefly var et sandt gennembrud på deres tid. Til at begynde med blev alle opdagelser på dette område gjort ved hjælp af abstrakte, nogle gange adskilt fra virkeligheden, teoretiske beregninger, som blev udført af franske og tyske matematikere i deres laboratorier. Senere blev alle deres formler brugt til andre, mere fantastiske (efter standarder fra det 18. århundrede) formål, såsom at beregne den ideelle form og hastighed for fremtidige fly. I det 19. århundrede begyndte disse enheder at blive bygget i store mængder, begyndende med svævefly og luftskibe, europæerne skiftede gradvist til konstruktion af fly. Sidstnævnte blev først udelukkende brugt til militære formål. Første Verdenskrigs esser viste, hvor vigtigt spørgsmålet om dominans i luften er for ethvert land, og ingeniørerne fra mellemkrigstiden opdagede, at sådanne fly er effektive ikke kun for militæret, men også for civile.mål. Med tiden er civil luftfart gået stærkt ind i vores liv, og i dag kan ikke en eneste stat undvære det.
