Táto sila odporu vzniká v lietadlách v dôsledku krídel alebo zdvíhacieho telesa, ktoré presmerujú vzduch tak, aby spôsobil vztlak, a v automobiloch s krídlami, ktoré presmerujú vzduch, aby spôsobili prítlak. Samuel Langley si všimol, že plochejšie dosky s vyšším pomerom strán mali vyšší zdvih a nižší odpor a boli predstavené v roku 1902. Bez vynálezu aerodynamickej kvality lietadla by moderný dizajn lietadla bol nemožný.
Zdvíhanie a presúvanie
Celková aerodynamická sila pôsobiaca na teleso sa zvyčajne považuje za pozostávajúcu z dvoch zložiek: zdvihu a posunutia. Podľa definície sa zložka sily rovnobežná s protiprúdom nazýva posun, zatiaľ čo zložka kolmá na protiprúd sa nazýva zdvih.
Tieto základy aerodynamiky sú veľmi dôležité pre analýzu aerodynamickej kvality krídla. Vztlak vzniká zmenou smeru prúdenia okolo krídla. Zmeniťsmer vedie k zmene rýchlosti (aj keď nedochádza k žiadnej zmene rýchlosti, ako je vidieť pri rovnomernom kruhovom pohybe), čo je zrýchlenie. Preto, aby sa zmenil smer prúdenia, je potrebné, aby na tekutinu pôsobila sila. Toto je jasne viditeľné na každom lietadle, stačí sa pozrieť na schematické znázornenie aerodynamickej kvality An-2.
Ale nie všetko je také jednoduché. Pokračujúc v téme aerodynamickej kvality krídla, stojí za zmienku, že vytvorenie vztlaku pod ním je pri vyššom tlaku ako je tlak vzduchu nad ním. Na krídle s konečným rozpätím tento tlakový rozdiel spôsobí, že vzduch prúdi z koreňa spodného krídla krídla k základni jeho hornej plochy. Toto letiace prúdenie vzduchu sa kombinuje s prúdiacim vzduchom, čo spôsobuje zmenu rýchlosti a smeru, ktorá krúti prúdenie vzduchu a vytvára víry pozdĺž odtokovej hrany krídla. Vytvorené víry sú nestabilné, rýchlo sa spájajú a vytvárajú krídlové víry. Výsledné víry menia rýchlosť a smer prúdenia vzduchu za odtokovou hranou, odkláňajú ho nadol a tým spôsobujú klapku za krídlom. Z tohto hľadiska má napríklad lietadlo MS-21 vysoký pomer vztlaku a odporu.
Ovládanie prietoku vzduchu
Vortexy zase menia prúdenie vzduchu okolo krídla, čím znižujú schopnosť krídla generovať vztlak, takže to vyžaduje vyšší uhol nábehu pre rovnaký vztlak, čo nakloní celkovú aerodynamickú silu dozadu a zvýši zložku odporu vzduchu. tú silu. Uhlová odchýlka je zanedbateľnáovplyvňuje zdvih. Dochádza však k nárastu odporu, ktorý sa rovná súčinu zdvihu a uhla, v dôsledku ktorého sa odchyľuje. Keďže vychýlenie je samo osebe funkciou zdvihu, dodatočný odpor je úmerný uhlu stúpania, čo je jasne vidieť na aerodynamike A320.
Historické príklady
Obdĺžnikové planetárne krídlo vytvára viac vírivých vibrácií ako kužeľové alebo eliptické krídlo, a preto sú mnohé moderné krídla zúžené, aby sa zlepšil pomer zdvihu a odporu. Eliptický drak lietadla je však efektívnejší, pretože indukované pranie (a tým aj efektívny uhol nábehu) je konštantné po celom rozpätí krídel. Kvôli výrobným komplikáciám má tento plán len málo lietadiel, najznámejšími príkladmi sú Spitfire z druhej svetovej vojny a Thunderbolt. Zúžené krídla s rovnou prednou a zadnou hranou sa môžu priblížiť k eliptickej distribúcii vztlaku. Vo všeobecnosti platí, že rovné, nezúžené krídelká produkujú o 5 % a skosené krídla vytvárajú o 1-2 % vyšší indukovaný odpor ako eliptické krídlo. Preto majú lepšiu aerodynamickú kvalitu.
Proporcionalita
Krídlo s vysokým pomerom strán bude produkovať menší odpor ako krídlo s nízkym pomerom strán, pretože na špičke dlhšieho a tenšieho krídla dochádza k menšiemu rušeniu vzduchu. Preto vyvolanéodpor môže byť nepriamo úmerný proporcionalite, nech to znie akokoľvek paradoxne. Rozloženie vztlaku je možné zmeniť aj vymytím, otočením krídla, aby sa znížil pokles smerom ku krídlam, a výmenou profilu v blízkosti krídel. To vám umožní dostať väčší vztlak bližšie ku koreňu krídla a menej ku krídlu, čo vedie k zníženiu sily vírov krídla a tým k zlepšeniu aerodynamickej kvality lietadla.
V histórii dizajnu lietadiel
Na niektorých raných lietadlách boli plutvy namontované na špičkách chvostov. Neskoršie lietadlá majú iný tvar krídel, aby sa znížila intenzita vírov a dosiahol maximálny pomer vztlaku a odporu.
Palivové nádrže obežného kolesa na streche môžu tiež poskytnúť určitú výhodu tým, že zabraňujú chaotickému prúdeniu vzduchu okolo krídla. Teraz sa používajú v mnohých lietadlách. Aerodynamická kvalita DC-10 bola v tomto smere zaslúžene považovaná za revolučnú. Moderný letecký trh je však už dávno naplnený oveľa pokročilejšími modelmi.
Vzorec pretiahnutia myšou: vysvetlené jednoducho
Pre výpočet celkového odporu je potrebné vziať do úvahy takzvaný parazitný odpor. Pretože indukovaný odpor je nepriamo úmerný druhej mocnine rýchlosti vzduchu (pri danom zdvihu), zatiaľ čo parazitný odpor je priamo úmerný tomu, krivka celkového odporu ukazuje minimálnu rýchlosť. lietadlo,lietanie takou rýchlosťou, pracuje s optimálnymi aerodynamickými vlastnosťami. Podľa vyššie uvedených rovníc rýchlosť minimálneho odporu nastáva pri rýchlosti, pri ktorej sa indukovaný odpor rovná parazitnému odporu. Ide o rýchlosť, pri ktorej sa dosiahne optimálny uhol sklzu pre lietadlá naprázdno. Aby to nebolo neopodstatnené, zvážte vzorec na príklade lietadla:
Pokračovanie vzorca je tiež celkom kuriózne (obrázok nižšie) Let vyššie, kde je vzduch redší, zvýši rýchlosť, pri ktorej dochádza k minimálnemu odporu, a tým umožňuje rýchlejšie cestovanie na rovnakom množstve palivo.
Ak lietadlo letí svojou maximálnou povolenou rýchlosťou, potom nadmorská výška, v ktorej hustota vzduchu mu poskytne najlepšiu aerodynamiku. Optimálna výška pri maximálnej rýchlosti a optimálna rýchlosť pri maximálnej výške sa môžu počas letu zmeniť.
Výdrž
Rýchlosť pre maximálnu výdrž (t. j. čas vo vzduchu) je rýchlosť pre minimálnu spotrebu paliva a nižšia rýchlosť pre maximálny dojazd. Spotreba paliva sa vypočíta ako súčin požadovaného výkonu a špecifickej spotreby paliva na motor (spotreba paliva na jednotku výkonu). Požadovaný výkon sa rovná dobe ťahania.
História
Vývoj modernej aerodynamiky sa začal až v XVIIstoročia, ale aerodynamické sily ľudia používali už tisíce rokov v plachetniciach a veterných mlynoch a obrázky a príbehy o lete sa objavujú vo všetkých historických dokumentoch a umeleckých dielach, ako je napríklad starogrécka legenda o Ikarovi a Daedalovi. Základné koncepty kontinua, odporu a tlakových gradientov sa objavujú v diele Aristotela a Archimeda.
V roku 1726 sa Sir Isaac Newton stal prvým človekom, ktorý vyvinul teóriu odporu vzduchu, čím sa stala jedným z prvých argumentov o aerodynamických vlastnostiach. Holandsko-švajčiarsky matematik Daniel Bernoulli napísal v roku 1738 pojednanie s názvom Hydrodynamica, v ktorom opísal základný vzťah medzi tlakom, hustotou a rýchlosťou prúdenia pre nestlačiteľné prúdenie, dnes známy ako Bernoulliho princíp, ktorý poskytuje jednu metódu na výpočet aerodynamického vztlaku. V roku 1757 Leonhard Euler publikoval všeobecnejšie Eulerove rovnice, ktoré možno použiť na stlačiteľné aj nestlačiteľné prúdy. Eulerove rovnice boli rozšírené tak, aby zahŕňali účinky viskozity v prvej polovici 19. storočia, čím vznikli Navier-Stokesove rovnice. Aerodynamický výkon/aerodynamická kvalita polárky bola objavená približne v rovnakom čase.
Na základe týchto udalostí, ako aj výskumu vykonaného vo vlastnom aerodynamickom tuneli, bratia Wrightovci leteli prvým lietadlom 17. decembra 1903.
Typy aerodynamiky
Aerodynamické problémy sú klasifikované podľa podmienok prúdenia alebo vlastností prúdenia, vrátane charakteristík, ako je rýchlosť, stlačiteľnosť a viskozita. Najčastejšie sa delia na dva typy:
- Vonkajšia aerodynamika je štúdium prúdenia okolo pevných predmetov rôznych tvarov. Príklady vonkajšej aerodynamiky sú hodnotenie vztlaku a odporu lietadla alebo rázové vlny, ktoré sa tvoria pred nosom rakety.
- Vnútorná aerodynamika je štúdium prúdenia cez priechody v pevných objektoch. Napríklad vnútorná aerodynamika zahŕňa štúdium prúdenia vzduchu cez prúdový motor alebo cez komín klimatizácie.
Aerodynamické problémy možno klasifikovať aj podľa rýchlosti prúdenia pod alebo blízko rýchlosti zvuku.
Problém sa volá:
- subsonické, ak sú všetky rýchlosti v probléme menšie ako rýchlosť zvuku;
- transonic, ak existujú rýchlosti pod aj nad rýchlosťou zvuku (zvyčajne, keď sa charakteristická rýchlosť približne rovná rýchlosti zvuku);
- nadzvukový, keď je charakteristická rýchlosť prúdenia väčšia ako rýchlosť zvuku;
- hypersonické, keď je rýchlosť prúdenia oveľa väčšia ako rýchlosť zvuku.
Aerodynamici nesúhlasia s presnou definíciou hypersonického prúdenia.
Vplyv viskozity na tok diktuje tretiu klasifikáciu. Niektoré problémy môžu mať len veľmi malé viskózne účinky, v takom prípade sa viskozita môže považovať za zanedbateľnú. Aproximácie týchto problémov sa nazývajú inviscidprúdy. Toky, pri ktorých nemožno zanedbať viskozitu, sa nazývajú viskózne toky.
Stlačiteľnosť
Nestlačiteľný tok je tok, v ktorom je hustota konštantná v čase aj priestore. Hoci všetky skutočné tekutiny sú stlačiteľné, prúdenie sa často aproximuje ako nestlačiteľné, ak účinok zmeny hustoty spôsobí len malé zmeny vo vypočítaných výsledkoch. To je pravdepodobnejšie, keď je prietok výrazne pod rýchlosťou zvuku. Účinky stlačiteľnosti sú výraznejšie pri rýchlostiach blízkych alebo vyšších ako rýchlosť zvuku. Machovo číslo sa používa na vyhodnotenie možnosti nestlačiteľnosti, inak musia byť zahrnuté efekty stlačiteľnosti.
Podľa teórie aerodynamiky sa prúdenie považuje za stlačiteľné, ak sa hustota mení pozdĺž prúdnice. To znamená, že na rozdiel od nestlačiteľného prúdenia sa berú do úvahy zmeny hustoty. Vo všeobecnosti je to prípad, keď Machovo číslo časti alebo celého toku presiahne 0,3 Machova hodnota 0,3 je skôr ľubovoľná, ale používa sa, pretože prúd plynu pod touto hodnotou vykazuje menej ako 5 % zmeny hustoty. Tiež maximálna zmena hustoty 5% nastáva v bode stagnácie (bod na objekte, kde je rýchlosť prúdenia nulová), zatiaľ čo hustota okolo zvyšku objektu bude oveľa nižšia. Transsonické, nadzvukové a nadzvukové toky sú všetky stlačiteľné.
Záver
Aerodynamika je dnes jednou z najdôležitejších vied na svete. Poskytuje námstavanie kvalitných lietadiel, lodí, áut a komiksových raketoplánov. Zohráva obrovskú úlohu pri vývoji moderných typov zbraní – balistických rakiet, boosterov, torpéd a bezpilotných lietadiel. To všetko by bolo nemožné, keby nebolo moderných vyspelých konceptov aerodynamickej kvality.
Predstavy o téme článku sa tak zmenili z krásnych, no naivných predstáv o Ikarovi, na funkčné a skutočne fungujúce lietadlá, ktoré vznikli začiatkom minulého storočia. Dnes si nevieme predstaviť svoj život bez áut, lodí a lietadiel a tieto vozidlá sa neustále zdokonaľujú vďaka novým objavom v aerodynamike.
Aerodynamické vlastnosti vetroňov boli vo svojej dobe skutočným prelomom. Najprv sa všetky objavy v tejto oblasti robili pomocou abstraktných, niekedy od reality oddelených, teoretických výpočtov, ktoré realizovali francúzski a nemeckí matematici vo svojich laboratóriách. Neskôr boli všetky ich vzorce použité na iné, fantastickejšie (podľa štandardov 18. storočia) účely, ako napríklad na výpočet ideálneho tvaru a rýchlosti budúcich lietadiel. V 19. storočí sa tieto zariadenia začali stavať vo veľkom, počnúc klzákom a vzducholoďami, Európania postupne prešli ku konštrukcii lietadiel. Tie sa najskôr používali výlučne na vojenské účely. Esá prvej svetovej vojny ukázali, aká dôležitá je otázka dominancie vo vzduchu pre ktorúkoľvek krajinu, a inžinieri medzivojnového obdobia zistili, že takéto lietadlá sú účinné nielen pre armádu, ale aj pre civilistov. Ciele. Civilné letectvo postupom času pevne vstúpilo do našich životov a dnes sa bez neho nezaobíde ani jeden štát.
