Η αεροδυναμική είναι ένα πεδίο γνώσης που μελετά την κίνηση των ροών του αέρα και τις επιπτώσεις τους στα στερεά σώματα. Είναι μια υποενότητα της δυναμικής υδρο- και αερίου. Η έρευνα σε αυτόν τον τομέα χρονολογείται από την αρχαιότητα, από την εποχή της εφεύρεσης των βελών και των λόγχες σχεδίασης, που επέτρεψαν την αποστολή ενός βλήματος περαιτέρω και με μεγαλύτερη ακρίβεια σε έναν στόχο. Ωστόσο, οι δυνατότητες της αεροδυναμικής αποκαλύφθηκαν πλήρως με την εφεύρεση βαρύτερων από τον αέρα οχημάτων ικανών να πετούν ή να γλιστρούν σε σημαντικές αποστάσεις.
Από τα αρχαία χρόνια
Η ανακάλυψη των νόμων της αεροδυναμικής τον 20ο αιώνα συνέβαλε σε ένα φανταστικό άλμα σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας, ειδικά στον τομέα των μεταφορών. Με βάση τα επιτεύγματά του, δημιουργήθηκαν σύγχρονα αεροσκάφη, τα οποία επέτρεψαν να γίνει σχεδόν οποιαδήποτε γωνιά του πλανήτη Γη προσβάσιμη στο κοινό.
Η πρώτη αναφορά σε μια προσπάθεια κατάκτησης του ουρανού βρίσκεται στον ελληνικό μύθο του Ίκαρου και του Δαίδαλου. Πατέρας και γιος έφτιαξαν φτερά σαν πουλιά. Αυτό δείχνει ότι χιλιάδες χρόνια πριν οι άνθρωποι σκέφτηκαν την πιθανότητα να κατέβουν από το έδαφος.
Άλλη μια έκρηξηενδιαφέρον για την κατασκευή αεροσκαφών προέκυψε κατά την Αναγέννηση. Ο παθιασμένος ερευνητής Λεονάρντο ντα Βίντσι αφιέρωσε πολύ χρόνο σε αυτό το πρόβλημα. Είναι γνωστές οι σημειώσεις του που εξηγούν τις αρχές λειτουργίας του απλούστερου ελικοπτέρου.
Νέα εποχή
Η παγκόσμια ανακάλυψη στην επιστήμη (και ειδικότερα στην αεροναυπηγική) έγινε από τον Ισαάκ Νεύτωνα. Άλλωστε, η βάση της αεροδυναμικής είναι μια ολοκληρωμένη επιστήμη της μηχανικής, ο ιδρυτής της οποίας ήταν ένας Άγγλος επιστήμονας. Ο Νεύτωνας ήταν ο πρώτος που θεώρησε το μέσο αέρα ως ένα σύμπλεγμα σωματιδίων, τα οποία, πέφτοντας σε ένα εμπόδιο, είτε κολλάνε σε αυτό είτε ανακλώνται ελαστικά. Το 1726, παρουσίασε τη θεωρία της αντίστασης του αέρα στο κοινό.
Στη συνέχεια, αποδείχθηκε ότι το περιβάλλον αποτελείται πραγματικά από τα μικρότερα σωματίδια - μόρια. Έμαθαν πώς να υπολογίζουν την ανακλαστικότητα του αέρα με μεγάλη ακρίβεια και το φαινόμενο «κολλήματος» θεωρήθηκε αβάσιμη υπόθεση.
Απροσδόκητα, αυτή η θεωρία βρήκε πρακτική εφαρμογή αιώνες αργότερα. Στη δεκαετία του '60, στην αυγή της διαστημικής εποχής, οι Σοβιετικοί σχεδιαστές αντιμετώπισαν το πρόβλημα του υπολογισμού της αεροδυναμικής οπισθέλκουσας των οχημάτων καθόδου ενός "αμβλύ" σφαιρικού σχήματος, που αναπτύσσουν υπερηχητικές ταχύτητες κατά την προσγείωση. Λόγω της έλλειψης ισχυρών υπολογιστών, ήταν προβληματικός ο υπολογισμός αυτού του δείκτη. Απροσδόκητα, αποδείχθηκε ότι είναι δυνατός ο ακριβής υπολογισμός της τιμής οπισθέλκουσας και ακόμη και της κατανομής της πίεσης στο μετωπικό τμήμα χρησιμοποιώντας τον απλό τύπο του Νεύτωνα σχετικά με την επίδραση του "κολλήματος" των σωματιδίων σε ένα ιπτάμενο αντικείμενο.
Ανάπτυξη αεροδυναμικής
ΙδρυτήςΟ υδροδυναμικός Daniel Bernoulli περιέγραψε το 1738 τη θεμελιώδη σχέση μεταξύ της πίεσης, της πυκνότητας και της ταχύτητας για ασυμπίεστη ροή, γνωστή σήμερα ως αρχή του Bernoulli, η οποία εφαρμόζεται επίσης στους υπολογισμούς της αεροδυναμικής ανύψωσης. Το 1799 ο Sir George Cayley έγινε ο πρώτος άνθρωπος που εντόπισε τις τέσσερις αεροδυναμικές δυνάμεις της πτήσης (βάρος, ανύψωση, έλξη και ώθηση) και τις σχέσεις μεταξύ τους.
Το 1871, ο Francis Herbert Wenham δημιούργησε την πρώτη αεροδυναμική σήραγγα για να μετρήσει με ακρίβεια τις αεροδυναμικές δυνάμεις. Ανεκτίμητες επιστημονικές θεωρίες που αναπτύχθηκαν από τους Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Το 1889, ο Σαρλ Ρενάρ, ένας Γάλλος μηχανικός αεροναυπηγών, έγινε ο πρώτος άνθρωπος που υπολόγισε επιστημονικά την ισχύ που απαιτείται για συνεχή πτήση.
Από τη θεωρία στην πράξη
Τον 19ο αιώνα, οι εφευρέτες εξέτασαν το φτερό από επιστημονική άποψη. Και χάρη στη μελέτη του μηχανισμού της πτήσης των πτηνών, μελετήθηκε η αεροδυναμική σε δράση, η οποία εφαρμόστηκε αργότερα σε τεχνητά αεροσκάφη.
Ο Otto Lilienthal διέπρεψε ιδιαίτερα στην έρευνα της μηχανικής των πτερυγίων. Ο Γερμανός σχεδιαστής αεροσκαφών δημιούργησε και δοκίμασε 11 τύπους ανεμόπτερα, συμπεριλαμβανομένου ενός διπλάνου. Έκανε επίσης την πρώτη πτήση με μια συσκευή βαρύτερη από τον αέρα. Για μια σχετικά σύντομη ζωή (46 χρόνια), πραγματοποίησε περίπου 2000 πτήσεις, βελτιώνοντας συνεχώς τη σχεδίαση, που έμοιαζε περισσότερο με αιωρόπτερο παρά με αεροπλάνο. Πέθανε κατά την επόμενη πτήση στις 10 Αυγούστου 1896 και έγινε πρωτοπόροςαεροναυπηγική και το πρώτο θύμα αεροπορικού δυστυχήματος. Παρεμπιπτόντως, ο Γερμανός εφευρέτης παρέδωσε προσωπικά ένα από τα ανεμόπτερα στον Nikolai Yegorovich Zhukovsky, πρωτοπόρο στη μελέτη της αεροδυναμικής αεροσκαφών.
Ο Ζουκόφσκι δεν πειραματίστηκε απλώς με σχέδια αεροσκαφών. Σε αντίθεση με πολλούς λάτρεις εκείνης της εποχής, εξέτασε πρωτίστως τη συμπεριφορά των ρευμάτων αέρα από επιστημονική άποψη. Το 1904 ίδρυσε το πρώτο αεροδυναμικό ινστιτούτο στον κόσμο στο Cachino κοντά στη Μόσχα. Από το 1918, ήταν επικεφαλής του TsAGI (Κεντρικό Αεροϋδροδυναμικό Ινστιτούτο).
Πρώτα αεροπλάνα
Η αεροδυναμική είναι η επιστήμη που επέτρεψε στον άνθρωπο να κατακτήσει τον ουρανό. Χωρίς να το μελετήσουμε, θα ήταν αδύνατο να κατασκευαστούν αεροσκάφη που κινούνται σταθερά σε ρεύματα αέρα. Το πρώτο αεροσκάφος με τη συνηθισμένη μας έννοια κατασκευάστηκε και ανυψώθηκε στον αέρα στις 7 Δεκεμβρίου 1903 από τους αδελφούς Ράιτ. Ωστόσο, αυτού του γεγονότος είχε προηγηθεί προσεκτική θεωρητική εργασία. Οι Αμερικανοί αφιέρωσαν πολύ χρόνο στον εντοπισμό σφαλμάτων του σχεδιασμού του πλαισίου του αεροσκάφους σε μια αεροδυναμική σήραγγα δικής τους σχεδίασης.
Κατά τις πρώτες πτήσεις, οι Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta και Nikolai Zhukovsky πρότειναν θεωρίες που εξηγούσαν την κυκλοφορία των ρευμάτων αέρα που δημιουργούν ανύψωση. Ο Kutta και ο Zhukovsky συνέχισαν να αναπτύσσουν μια δισδιάστατη θεωρία για το φτερό. Ο Ludwig Prandtl πιστώνεται με την ανάπτυξη της μαθηματικής θεωρίας των λεπτών αεροδυναμικών δυνάμεων και δυνάμεων ανύψωσης, καθώς και την εργασία με οριακά στρώματα.
Προβλήματα και λύσεις
Η σημασία της αεροδυναμικής των αεροσκαφών αυξανόταν όσο αυξάνονταν οι ταχύτητες τους. Οι σχεδιαστές άρχισαν να αντιμετωπίζουν προβλήματα με τη συμπίεση του αέρα με ή κοντά στην ταχύτητα του ήχου. Οι διαφορές στη ροή κάτω από αυτές τις συνθήκες οδήγησαν σε προβλήματα χειρισμού αεροσκαφών, αυξημένη αντίσταση λόγω κρουστικών κυμάτων και κίνδυνο δομικής αστοχίας λόγω αεροελαστικού πτερυγισμού. Ο λόγος της ταχύτητας ροής προς την ταχύτητα του ήχου ονομάστηκε αριθμός Mach από τον Ernst Mach, ο οποίος ήταν ένας από τους πρώτους που ερεύνησαν τις ιδιότητες της υπερηχητικής ροής.
Ο William John McQuorn Rankine και ο Pierre Henri Gougoniot ανέπτυξαν ανεξάρτητα τη θεωρία των ιδιοτήτων ροής αέρα πριν και μετά από ένα κρουστικό κύμα, ενώ ο Jacob Akeret έκανε την αρχική εργασία για τον υπολογισμό της ανύψωσης και της έλξης των υπερηχητικών αεροτομών. Ο Theodor von Karman και ο Hugh Latimer Dryden επινόησαν τον όρο «υπερηχητικό» για να περιγράψουν ταχύτητες στα σύνορα Mach 1 (965-1236 km/h), όταν η αντίσταση αυξάνεται ραγδαία. Το πρώτο ηχητικό φράγμα έσπασε το 1947 σε ένα αεροσκάφος Bell X-1.
Βασικά χαρακτηριστικά
Σύμφωνα με τους νόμους της αεροδυναμικής, για να διασφαλιστεί η πτήση στη γήινη ατμόσφαιρα οποιασδήποτε συσκευής, είναι σημαντικό να γνωρίζετε:
- Αεροδυναμική οπισθέλκουσα (άξονας Χ) που ασκείται από ρεύματα αέρα σε ένα αντικείμενο. Με βάση αυτή την παράμετρο, επιλέγεται η ισχύς του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής.
- Δύναμη ανύψωσης (άξονας Υ), που παρέχει ανάβαση και επιτρέπει στη συσκευή να πετάει οριζόντια στην επιφάνεια της γης.
- Ροπές αεροδυναμικών δυνάμεων κατά μήκος τριών αξόνων συντεταγμένων που δρουν σε ένα ιπτάμενο αντικείμενο. το πιο σημαντικόείναι η ροπή της πλευρικής δύναμης κατά μήκος του άξονα Z (Mz) που κατευθύνεται κατά μήκος του αεροσκάφους (υπό όρους κατά μήκος της γραμμής των φτερών). Καθορίζει τον βαθμό διαμήκους σταθερότητας (αν η συσκευή θα «βουτήξει» ή θα σηκώσει τη μύτη της προς τα πάνω όταν πετάει).
Ταξινόμηση
Η αεροδυναμική απόδοση ταξινομείται με βάση τις συνθήκες και τις ιδιότητες ροής αέρα, συμπεριλαμβανομένης της ταχύτητας, της συμπιεστότητας και του ιξώδους. Η εξωτερική αεροδυναμική είναι η μελέτη της ροής γύρω από στερεά αντικείμενα διαφόρων σχημάτων. Παραδείγματα είναι η αξιολόγηση της ανύψωσης και των κραδασμών ενός αεροσκάφους, καθώς και των κρουστικών κυμάτων που σχηματίζονται μπροστά από τη μύτη ενός πυραύλου.
Εσωτερική αεροδυναμική είναι η μελέτη της ροής αέρα που κινείται μέσα από ανοίγματα (διόδους) σε στερεά αντικείμενα. Για παράδειγμα, καλύπτει τη μελέτη των ροών μέσω ενός κινητήρα τζετ.
Η αεροδυναμική απόδοση μπορεί επίσης να ταξινομηθεί ανάλογα με την ταχύτητα ροής:
- Υποηχητικό ονομάζεται ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του ήχου.
- Υπερηχητικό (υπερηχητικό) - εάν υπάρχουν ταχύτητες κάτω και πάνω από την ταχύτητα του ήχου.
- Υπερηχητικό - όταν η ταχύτητα ροής είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου.
- Υπερηχητικό - η ταχύτητα ροής είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου. Συνήθως αυτός ο ορισμός σημαίνει ταχύτητες με αριθμούς Mach πάνω από 5.
Αεροδυναμική ελικοπτέρου
Εάν η αρχή της πτήσης του αεροσκάφους βασίζεται στη δύναμη ανύψωσης κατά τη μεταφορική κίνηση που ασκείται στο φτερό, τότε το ελικόπτερο, όπως ήταν, δημιουργεί από μόνο του ανύψωση λόγω της περιστροφής των πτερυγίων στη λειτουργία αξονικής εμφύσησης (δηλαδή χωρίς μεταφραστική ταχύτητα). Χάρη σεΜε αυτό το χαρακτηριστικό, το ελικόπτερο μπορεί να αιωρείται στον αέρα στη θέση του και να εκτελεί ενεργητικούς ελιγμούς γύρω από τον άξονα.
Άλλες εφαρμογές
Φυσικά, η αεροδυναμική δεν ισχύει μόνο για αεροσκάφη. Η αντίσταση του αέρα παρουσιάζεται από όλα τα αντικείμενα που κινούνται στο διάστημα σε αέριο και υγρό μέσο. Είναι γνωστό ότι οι υδρόβιοι κάτοικοι - ψάρια και θηλαστικά - έχουν απλοποιημένα σχήματα. Στο παράδειγμά τους, μπορείτε να εντοπίσετε την αεροδυναμική σε δράση. Εστιάζοντας στον κόσμο των ζώων, οι άνθρωποι κάνουν επίσης τη μεταφορά νερού μυτερή ή σε σχήμα δακρύου. Αυτό ισχύει για πλοία, σκάφη, υποβρύχια.
Τα οχήματα παρουσιάζουν σημαντική αντίσταση αέρα: αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ταχύτητα. Για να επιτευχθεί καλύτερη αεροδυναμική, δίνεται στα αυτοκίνητα ένα βελτιωμένο σχήμα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα σπορ αυτοκίνητα.
