Aerodynamik er et vidensfelt, der studerer luftstrømme og deres virkninger på faste kroppe. Det er en undersektion af hydro- og gasdynamik. Forskning på dette område går tilbage til oldtiden, til tiden for opfindelsen af pile og planlægningsspyd, som gjorde det muligt at sende et projektil længere og mere præcist mod et mål. Imidlertid blev aerodynamikkens potentiale fuldt ud afsløret med opfindelsen af tungere end luftfartøjer, der er i stand til at flyve eller glide over betydelige afstande.
Siden oldtiden
Opdagelsen af aerodynamikkens love i det 20. århundrede bidrog til et fantastisk spring inden for mange områder af videnskab og teknologi, især i transportsektoren. Baseret på dets resultater er der skabt moderne fly, som gjorde det muligt at gøre stort set ethvert hjørne af planeten Jorden tilgængeligt for offentligheden.
Den første omtale af et forsøg på at erobre himlen findes i den græske myte om Ikaros og Daedalus. Far og søn byggede fuglelignende vinger. Dette indikerer, at folk for tusinder af år siden tænkte på muligheden for at komme i gang.
Endnu en stigninginteresse for konstruktion af fly opstod under renæssancen. Den passionerede forsker Leonardo da Vinci brugte meget tid på dette problem. Hans noter er kendte, som forklarer principperne for driften af den enkleste helikopter.
Ny æra
Det globale gennembrud inden for videnskab (og luftfart i særdeleshed) blev lavet af Isaac Newton. Når alt kommer til alt er grundlaget for aerodynamik en omfattende videnskab om mekanik, hvis grundlægger var en engelsk videnskabsmand. Newton var den første til at betragte luftmediet som et konglomerat af partikler, som, der løber ind i en forhindring, enten klæber til det eller reflekteres elastisk. I 1726 præsenterede han teorien om luftmodstand for offentligheden.
Efterfølgende viste det sig, at miljøet reelt består af de mindste partikler – molekyler. De lærte, hvordan man beregner luftens reflektivitet ret præcist, og den "klæbende" effekt blev betragtet som en uholdbar antagelse.
Overraskende nok fandt denne teori praktisk anvendelse århundreder senere. I 60'erne, ved begyndelsen af rumalderen, stod sovjetiske designere over for problemet med at beregne den aerodynamiske modstand af nedstigningskøretøjer med en "stump" sfærisk form, som udvikler hypersoniske hastigheder ved landing. På grund af manglen på kraftfulde computere var det problematisk at beregne denne indikator. Uventet viste det sig, at det er muligt nøjagtigt at beregne modstandsværdien og endda trykfordelingen over frontdelen ved hjælp af Newtons simple formel vedrørende effekten af at "klæbe" partikler til et flyvende objekt.
Udvikling af aerodynamik
GrundlæggerHydrodynamiker Daniel Bernoulli beskrev i 1738 det grundlæggende forhold mellem tryk, tæthed og hastighed for inkompressibel strømning, kendt i dag som Bernoullis princip, som også er anvendeligt til beregninger af aerodynamisk løft. I 1799 blev Sir George Cayley den første person til at identificere de fire aerodynamiske flyvekræfter (vægt, løft, træk og stød) og forholdet mellem dem.
I 1871 skabte Francis Herbert Wenham den første vindtunnel til nøjagtigt at måle aerodynamiske kræfter. Vurderlige videnskabelige teorier udviklet af Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. I 1889 blev Charles Renard, en fransk luftfartsingeniør, den første person til videnskabeligt at beregne den kraft, der kræves til vedvarende flyvning.
Fra teori til praksis
I det 19. århundrede så opfindere på vingen fra et videnskabeligt synspunkt. Og takket være studiet af fugleflyvningens mekanisme blev aerodynamik i aktion studeret, som senere blev anvendt på kunstige fly.
Otto Lilienthal udmærkede sig især inden for forskning i vingemekanik. Den tyske flydesigner skabte og testede 11 typer svævefly, inklusive en biplan. Han foretog også den første flyvning på et apparat, der var tungere end luft. I et relativt kort liv (46 år) foretog han omkring 2000 flyvninger, og forbedrede konstant designet, som mere lignede et dragefly end et fly. Han døde under den næste flyvning den 10. august 1896 og blev pionerluftfart, og det første offer for et flystyrt. Den tyske opfinder overdrog i øvrigt personligt et af svæveflyene til Nikolai Yegorovich Zhukovsky, en pioner inden for studiet af flyaerodynamik.
Zhukovsky eksperimenterede ikke kun med flydesign. I modsætning til mange entusiaster på den tid overvejede han primært luftstrømmenes opførsel ud fra et videnskabeligt synspunkt. I 1904 grundlagde han verdens første aerodynamiske institut i Cachino nær Moskva. Siden 1918 har han ledet TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Første fly
Aerodynamik er videnskaben, der tillod mennesket at erobre himlen. Uden at studere det ville det være umuligt at bygge fly, der stabilt bevæger sig i luftstrømme. Det første fly i vores sædvanlige forstand blev lavet og løftet i luften den 7. december 1903 af Wright-brødrene. Denne begivenhed blev dog forudgået af omhyggeligt teoretisk arbejde. Amerikanerne brugte meget tid på at fejlfinde designet af flyskrammen i en vindtunnel efter deres eget design.
Under de første flyvninger fremsatte Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta og Nikolai Zhukovsky teorier, der forklarede cirkulationen af luftstrømme, der skaber løft. Kutta og Zhukovsky fortsatte med at udvikle en todimensionel teori om vingen. Ludwig Prandtl er krediteret for at udvikle den matematiske teori om subtile aerodynamiske kræfter og løftekræfter samt arbejdet med grænselag.
Problemer og løsninger
Vigtigheden af flyaerodynamik steg, efterhånden som deres hastigheder steg. Designere begyndte at løbe ind i problemer med at komprimere luft ved eller tæt på lydens hastighed. Forskelle i flow under disse forhold har ført til flyhåndteringsproblemer, øget modstand på grund af chokbølger og truslen om strukturelt svigt på grund af aeroelastisk flagren. Forholdet mellem strømningshastighed og lydens hastighed blev kaldt Mach-tallet efter Ernst Mach, som var en af de første til at undersøge egenskaberne ved supersonisk strømning.
William John McQuorn Rankine og Pierre Henri Gougoniot udviklede uafhængigt teorien om luftstrømsegenskaber før og efter en chokbølge, mens Jacob Akeret lavede det indledende arbejde med at beregne løft og modstand af supersoniske bæreflader. Theodor von Karman og Hugh Latimer Dryden opfandt udtrykket "transonisk" for at beskrive hastigheder ved Mach 1-grænsen (965-1236 km/t), når modstanden er hurtigt stigende. Den første lydmur blev brudt i 1947 på et Bell X-1 fly.
Nøglefunktioner
I henhold til aerodynamikkens love er det vigtigt at vide: for at sikre flyvning i jordens atmosfære af enhver enhed
- Aerodynamisk modstand (X-akse) udøvet af luftstrømme på et objekt. Baseret på denne parameter vælges kraftværkets effekt.
- Løftekraft (Y-akse), som giver stigning og tillader enheden at flyve vandret til jordens overflade.
- Momenter af aerodynamiske kræfter langs tre koordinatakser, der virker på et flyvende objekt. mest vigtigeer momentet for den laterale kraft langs Z-aksen (Mz) rettet hen over flyet (betinget langs vingelinjen). Det bestemmer graden af langsgående stabilitet (om enheden vil "dykke" eller løfte næsen op, når den flyver).
Klassificering
Aerodynamisk ydeevne er klassificeret efter luftstrømsforhold og egenskaber, herunder hastighed, kompressibilitet og viskositet. Ekstern aerodynamik er studiet af flow omkring faste genstande af forskellige former. Eksempler er vurdering af et flys løft og vibrationer samt de stødbølger, der dannes foran et missils næse.
Intern aerodynamik er studiet af luftstrøm, der bevæger sig gennem åbninger (passager) i faste genstande. For eksempel dækker det studiet af strømninger gennem en jetmotor.
Aerodynamisk ydeevne kan også klassificeres efter flowhastighed:
- Subsonic kaldes en hastighed, der er mindre end lydens hastighed.
- Transonic (transonic) - hvis der er hastigheder både under og over lydens hastighed.
- Supersonic - når flowhastigheden er større end lydens hastighed.
- Hypersonisk - flowhastigheden er meget større end lydens hastighed. Norm alt betyder denne definition hastigheder med Mach-tal over 5.
Helikopteraerodynamik
Hvis princippet for flyflyvning er baseret på løftekraften under translationel bevægelse, der udøves på vingen, så skaber helikopteren sådan set løft af sig selv på grund af rotationen af bladene i den aksiale blæsetilstand (det vil sige uden translationshastighed). Tak tilMed denne funktion er helikopteren i stand til at svæve i luften på plads og udføre energiske manøvrer rundt om aksen.
Andre applikationer
Naturligvis kan aerodynamik ikke kun anvendes på fly. Luftmodstand opleves af alle genstande, der bevæger sig i rummet i et gas- og flydende medium. Det er kendt, at akvatiske indbyggere - fisk og pattedyr - har strømlinede former. På deres eksempel kan du spore aerodynamikken i aktion. Med fokus på dyreverdenen gør folk også vandtransport spids eller dråbeformet. Dette gælder for skibe, både, ubåde.
Køretøjer oplever betydelig luftmodstand: den stiger, når hastigheden stiger. For at opnå bedre aerodynamik får biler en strømlinet form. Dette gælder især for sportsvogne.
