Υπάρχουν πολλά φυσικά φαινόμενα και νόμοι που ανακάλυψε ο άνθρωπος εντελώς τυχαία. Ξεκινώντας από το θρυλικό μήλο που έπεσε στο κεφάλι του Ισαάκ Νεύτωνα, και τον Αρχιμήδη να κάνει ειρηνικά μπάνιο, μέχρι τις τελευταίες ανακαλύψεις στον τομέα της δημιουργίας νέων υλικών και της βιοχημείας. Το φαινόμενο Coanda ανήκει στην ίδια σειρά ανακαλύψεων. Παραδόξως, αλλά η πρακτική εφαρμογή του στην τεχνολογία βρίσκεται ακόμα στο αρχικό στάδιο. Λοιπόν, τι είναι το φαινόμενο Coanda;
Ιστορικό ανακάλυψης
Ο Ρουμάνος μηχανικός Henri Coanda, ενώ δοκίμαζε το πειραματικό του αεροσκάφος, εξοπλισμένο με κινητήρα τζετ, αλλά με ξύλινο σώμα, για να αποτρέψει την ανάφλεξη του σώματος από ρεύμα πίδακα, τοποθέτησε προστατευτικές μεταλλικές πλάκες στις πλευρές του κινητήρες. Ωστόσο, το αποτέλεσμα αυτού αποδείχθηκε ότι ήταν το αντίθετο από αυτό που αναμενόταν. Οι πίδακες που λήγουν, για άγνωστους λόγους, άρχισαν να έλκονται από αυτές τις προστατευτικές πλάκες και οι ξύλινες κατασκευές του πλαισίου του αεροσκάφους που βρίσκονται στην περιοχή της τοποθέτησής τους θα μπορούσαν να αναφλεγούν. Οι δοκιμές κατέληξαν σε ατύχημα, αλλά ο ίδιος ο εφευρέτης δεν το έκανευπέφερε. Όλα αυτά συνέβησαν στις αρχές κιόλας του 20ου αιώνα.
Πειραματική επαλήθευση
Το φαινόμενο Coanda είναι ένα φαινόμενο που μπορείτε να δοκιμάσετε από την άνεση της κουζίνας σας. Εάν ανοίξετε το νερό στη βρύση και φέρετε μια επίπεδη πλάκα στο ρεύμα του νερού, μπορείτε να δείτε αυτό το αποτέλεσμα με τα μάτια σας. Το νερό μετά βίας θα αποκλίνει αισθητά προς το πιάτο. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός ροής του νερού μπορεί να μην είναι πολύ υψηλός. Κατ' αρχήν, αυτό το φαινόμενο παρατηρείται σε οποιοδήποτε μέσο: νερό ή αέρας. Το κύριο πράγμα είναι η παρουσία μιας μέσης ροής και η παρουσία μιας επιφάνειας δίπλα σε αυτή τη ροή στη μία πλευρά.
Με την ευκαιρία, αυτό το φαινόμενο έχει άλλο όνομα - το φαινόμενο του βραστήρα. Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, όταν η τσαγιέρα γέρνει, το νερό από αυτό δεν πέφτει στο κύπελλο, αλλά ρέει κάτω από το στόμιο, πλημμυρίζοντας το τραπεζομάντιλο και μερικές φορές τα γόνατα άλλων. Δεδομένου ότι οι νόμοι της υδροδυναμικής και της αεροδυναμικής στο σύνολό τους, με ελάχιστες εξαιρέσεις, είναι πρακτικά πανομοιότυποι, ώστε να μην επαναληφθούν, στο μέλλον θα ληφθεί υπόψη το φαινόμενο Coanda για το ατμοσφαιρικό περιβάλλον.
Φυσική του φαινομένου
Το φαινόμενο Coanda βασίζεται στην προκύπτουσα διαφορά πίεσης στη ροή παρουσία ενός τοίχου που περιορίζει αυτή τη ροή, εμποδίζοντας την ελεύθερη πρόσβαση του αέρα από τη μία πλευρά. Οποιαδήποτε ροή αέρα αποτελείται από στρώματα με διαφορετικές ταχύτητες. Ταυτόχρονα, έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι η δύναμη τριβής μεταξύ του στρώματος αέρα και της παρακείμενης στερεής επιφάνειας είναι μικρότερη από ότι μεταξύ των επιμέρους στρωμάτων αέρα. Έτσι, η ταχύτητα του στρώματος αέρα που περνά κοντά στην επιφάνεια αποδεικνύεται ότι είναιπάνω από την ταχύτητα του στρώματος του αέρα που απέχει από αυτήν την επιφάνεια.
Επιπλέον, σε αρκετά μεγάλη απόσταση, η ταχύτητα ενός από τα στρώματα του αέρα σε σχέση με την επιφάνεια θα είναι γενικά ίση με μηδέν. Αποδεικνύεται ένα μη ομοιόμορφο πεδίο ταχυτήτων κατά μήκος του ύψους ροής. Σύμφωνα με τους νόμους της δυναμικής του αερίου, προκύπτει μια εγκάρσια διαφορά πίεσης, η οποία εκτρέπει τη ροή προς χαμηλότερη πίεση, δηλαδή εκεί όπου η ταχύτητα του στρώματος αέρα είναι υψηλότερη - προς τον οριοθετημένο τοίχωμα. Επιλέγοντας το σχήμα του ακροφυσίου και της επιφάνειας, πειραματιζόμενοι με τις αποστάσεις και την ταχύτητα, είναι δυνατό να αλλάξετε την κατεύθυνση ροής σε αρκετά μεγάλο εύρος.
Μαθηματικά
Για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, το περιγραφόμενο φαινόμενο δεν αναγνωρίστηκε καθόλου, παρά το προφανές του και τη σχετική ευκολία της πειραματικής επαλήθευσης. Τότε χρειάστηκε να γίνουν θεωρητικοί υπολογισμοί της δύναμης και του διανύσματος αυτής της δύναμης, δηλαδή να υπολογιστεί το φαινόμενο Coanda. Τέτοιοι υπολογισμοί έγιναν για διαφορετικούς τύπους πίδακες.
Οι παραγόμενοι τύποι είναι αρκετά περίπλοκοι και αντιπροσωπεύουν έναν συνδυασμό διαφορικού λογισμού με τριγωνομετρία. Αλλά αυτοί οι πολύπλοκοι και πολυσταδικοί υπολογισμοί μπορούν να δώσουν μόνο ένα κατά προσέγγιση αποτέλεσμα. Φυσικά, όλα αυτά δεν υπολογίζονται στα χαρτιά, αλλά χρησιμοποιώντας σύγχρονους αλγόριθμους ενσωματωμένους σε υπολογιστές. Ωστόσο, οι πραγματικές τιμές μπορούν να ληφθούν μόνο πειραματικά. Πάρα πολλοί παράγοντες συμβάλλουν σε αυτό το αποτέλεσμα και δεν μπορούν όλοι να περιγραφούν χρησιμοποιώντας μαθηματικούς τύπους.
Από τι εξαρτάται αυτό το φαινόμενο
Αφήνοντας κατά μέρος την περίπλοκη ανάλυση των τύπων, η οποία απαιτεί εξαιρετική δεξιοτεχνία, η ισχύς του φαινομένου Coanda εξαρτάται από την ταχύτητα ροής, τον λόγο της διαμέτρου ροής και την καμπυλότητα του τοίχου. Πειράματα έδειξαν ότι η θέση και η διάμετρος του ακροφυσίου, η τραχύτητα της επιφάνειας του τοίχου, η απόσταση μεταξύ της ροής και του τοίχου που το περιορίζει, καθώς και το σχήμα του ίδιου του τοίχου, έχουν μεγάλη σημασία. Σημειώνεται επίσης ότι το φαινόμενο Coanda είναι πιο έντονο στην τυρβώδη ροή.
Τι άλλο σκέφτηκε ο ανακάλυψε
Μετά την ανακάλυψη του φαινομένου, ο A. Coanda άρχισε να το αναπτύσσει και να αναζητά πρακτικές εφαρμογές. Το αποτέλεσμα των προσπαθειών του ήταν μια πατέντα για την εφεύρεση μιας ιπτάμενης ομπρέλας. Εάν εγκατασταθούν ακροφύσια στο κέντρο του ημισφαιρίου παρόμοια με μια ομπρέλα, που εκτοξεύουν ένα ρεύμα αερίων, τότε, σύμφωνα με το φαινόμενο Coanda, αυτό το ρεύμα θα πιεστεί στην επιφάνεια του ημισφαιρίου και θα ρέει προς τα κάτω, δημιουργώντας μια περιοχή χαμηλού πίεση πάνω από την ομπρέλα, σπρώχνοντάς την προς τα πάνω. Ο ίδιος ο εφευρέτης το ονόμασε το φτερό ενός αεροσκάφους, τυλιγμένο σε δακτύλιο.
Οι προσπάθειες να γίνει πράξη αυτή η εφεύρεση δεν ήταν επιτυχείς. Ο λόγος είναι η αστάθεια της συσκευής στον αέρα. Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα του ευφυούς ελέγχου ασταθών δομών στον αέρα, η λεγόμενη αρχή Fly by Wire, δίνουν ελπίδες για την εμφάνιση αυτού του εξωτικού αεροσκάφους.
Τι επιτεύχθηκε
Αν και δεν ήταν δυνατό να σηκωθεί η ομπρέλα του εφευρέτη στον αέρα, το φαινόμενο Coanda στοη αεροπορία χρησιμοποιείται, αλλά, σχετικά, σε δευτερεύοντες τομείς. Από τα πιο σημαντικά παραδείγματα, μπορεί κανείς να αναφέρει ένα ελικόπτερο χωρίς ουραίο ρότορα που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του '40, του οποίου οι λειτουργίες για την αντιστάθμιση της περιστροφής του κύριου ρότορα πραγματοποιήθηκαν από έναν ανεμιστήρα εγκατεστημένο στο πίσω μέρος και ακροφύσια με ειδικούς οδηγούς. Το ίδιο σύστημα κατέστησε δυνατό τον έλεγχο του ελικοπτέρου σε εκτροπή και πίσσα. Αυτό έχει εφαρμοστεί στα MD 520N, MD 600N και MD Explorer.
Στα αεροπλάνα, το φαινόμενο Coanda είναι, πρώτα απ 'όλα, μια αύξηση της ανύψωσης με πρόσθετη ροή αέρα από τον κινητήρα στην επάνω επιφάνεια του πτερυγίου, η οποία δίνει το μέγιστο αποτέλεσμα όταν απελευθερώνεται η μηχανοποίηση, δηλαδή όταν το φτερό έχει το πιο «κυρτό» προφίλ, επιτρέποντας στη ροή να φεύγει σχεδόν κάθετα προς τα κάτω. Αυτό έχει εφαρμοστεί σε σοβιετικά αεροσκάφη An-72, An-74 και An-70. Όλα αυτά τα μηχανήματα έχουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά απογείωσης και προσγείωσης, επιτρέποντας τη χρήση σύντομων λωρίδων απογείωσης και προσγείωσης.
Από την αμερικανική τεχνολογία, μπορούμε να ονομάσουμε το "Boeing C-7", χρησιμοποιώντας την ίδια αρχή, καθώς και μια σειρά από πειραματικά μηχανήματα. Στη μεταπολεμική περίοδο έγιναν πολλές προσπάθειες να δημιουργηθεί ένα αεροσκάφος με βάση τις αρχές του φαινομένου Coanda. Όλα είχαν σχήμα ιπτάμενου δίσκου και όλα μετά από αρκετή ώρα έκλεισαν λόγω τεχνικών δυσκολιών. Είναι πιθανό ότι αυτές οι εργασίες εκτελούνται υπό αυστηρά φυλασσόμενη μορφή αυτή τη στιγμή.
Από τον ουρανό στη γη και κάτω από το νερό
Για να αυξηθεί η πρόσφυση των τροχών με την πίστα, άρχισε να χρησιμοποιείται το εφέ Coandaκαι στα σχέδια των μονοθεσίων της Formula 1. Τα μηχανήματα είναι εξοπλισμένα με διαχυτές και φέρινγκ, πάνω στα οποία πιέζεται η ροή των καυσαερίων, παρέχοντας το επιθυμητό αποτέλεσμα. Η παραπάνω εικόνα δείχνει την κίνηση των καυσαερίων που κολλάνε στα περιγράμματα, παρά το γεγονός ότι ο ίδιος ο σωλήνας εξάτμισης είναι στραμμένος προς τα πάνω.
Εκτός από τις χερσαίες μεταφορές, έχουν γίνει και πραγματοποιούνται πειραματικές εργασίες σχετικά με τη χρήση αυτού του φαινομένου σε υποβρύχια. Συγκεκριμένα, ένα αρκετά εξωτικό υποβρύχιο ποδήλατο δημιουργήθηκε στην Αγία Πετρούπολη, για κάποιο λόγο που ονομάζεται στα αγγλικά - Blue Space, που μεταφράζεται ως "μπλε χώρος". Αυτό που χρησιμοποιεί για να κινείται είναι το φαινόμενο Coanda. Μπροστά από το «υποβρύχιο ποδήλατο» εγκαθίστανται φέρινγκ, στο οποίο τοποθετούνται κύλινδροι κωπηλασίας, ρουφώντας νερό μέσω ειδικών υποδοχών. Στη συνέχεια, το νερό ωθείται στην επιφάνεια του σώματος του μηχανήματος, δημιουργώντας ώθηση στην επιφάνειά του. Το νερό ρέει γύρω από ολόκληρο το κύτος, αναρροφάται πίσω στην υποδοχή στην πρύμνη και σπρώχνεται προς τα έξω.
