Aerodynamika je oblasť vedomostí, ktorá študuje pohyb prúdenia vzduchu a jeho účinky na pevné telesá. Ide o podsekciu hydro- a plynovej dynamiky. Výskumy v tejto oblasti siahajú do dávnych čias, do čias vynálezu šípov a plánovacích kopije, ktoré umožňovali poslať projektil ďalej a presnejšie na cieľ. Potenciál aerodynamiky sa však naplno ukázal s vynálezom dopravných prostriedkov ťažších ako vzduch schopných lietať alebo kĺzať na veľké vzdialenosti.
Od staroveku
Objavenie zákonov aerodynamiky v 20. storočí prispelo k fantastickému skoku v mnohých oblastiach vedy a techniky, najmä v sektore dopravy. Na základe jeho úspechov boli vytvorené moderné lietadlá, ktoré umožnili verejnosti sprístupniť prakticky ktorýkoľvek kút planéty Zem.
Prvá zmienka o pokuse dobyť oblohu sa nachádza v gréckom mýte o Ikarovi a Daedalovi. Otec a syn postavili krídla podobné vtákom. To naznačuje, že pred tisíckami rokov ľudia premýšľali o možnosti dostať sa zo zeme.
Ďalší nárastzáujem o stavbu lietadiel vznikol v období renesancie. Vášnivý bádateľ Leonardo da Vinci venoval tomuto problému veľa času. Známe sú jeho poznámky, ktoré vysvetľujú princípy fungovania najjednoduchšieho vrtuľníka.
Nová éra
Globálny prelom vo vede (a najmä v letectve) urobil Isaac Newton. Veď základom aerodynamiky je ucelená veda o mechanike, ktorej zakladateľom bol anglický vedec. Newton bol prvý, kto považoval vzduchové médium za konglomerát častíc, ktoré sa pri narážaní na prekážku buď prilepia, alebo sa elasticky odrážajú. V roku 1726 predstavil verejnosti teóriu odporu vzduchu.
Následne sa ukázalo, že prostredie naozaj pozostáva z najmenších častíc – molekúl. Naučili sa pomerne presne vypočítať odrazivosť vzduchu a efekt „lepenia“sa považoval za neudržateľný predpoklad.
Prekvapivo táto teória našla praktické uplatnenie o stáročia neskôr. V 60-tych rokoch, na úsvite vesmírneho veku, sovietski konštruktéri čelili problému výpočtu aerodynamického odporu zostupových vozidiel „tupého“guľového tvaru, ktoré pri pristávaní vyvíjajú nadzvukovú rýchlosť. Vzhľadom na nedostatok výkonných počítačov bolo problematické vypočítať tento ukazovateľ. Neočakávane sa ukázalo, že je možné presne vypočítať hodnotu odporu a dokonca aj rozloženie tlaku na prednú časť pomocou jednoduchého Newtonovho vzorca týkajúceho sa efektu „prilepenia“častíc na letiaci objekt.
Vývoj aerodynamiky
ZakladateľHydrodynamik Daniel Bernoulli opísal v roku 1738 základný vzťah medzi tlakom, hustotou a rýchlosťou pre nestlačiteľné prúdenie, dnes známy ako Bernoulliho princíp, ktorý je použiteľný aj na výpočty aerodynamického vztlaku. V roku 1799 sa Sir George Cayley stal prvým človekom, ktorý identifikoval štyri aerodynamické sily letu (hmotnosť, vztlak, odpor a ťah) a vzťahy medzi nimi.
V roku 1871 vytvoril Francis Herbert Wenham prvý aerodynamický tunel na presné meranie aerodynamických síl. Neoceniteľné vedecké teórie vyvinuté Jeanom Le Rondom d'Alembertom, Gustavom Kirchhoffom, Lordom Rayleighom. V roku 1889 sa Charles Renard, francúzsky letecký inžinier, stal prvým človekom, ktorý vedecky vypočítal výkon potrebný na trvalý let.
Od teórie k praxi
V 19. storočí sa vynálezcovia pozerali na krídlo z vedeckého hľadiska. A vďaka štúdiu mechanizmu letu vtákov bola študovaná aerodynamika v akcii, ktorá bola neskôr aplikovaná na umelé lietadlá.
Otto Lilienthal vynikal najmä vo výskume mechaniky krídel. Nemecký letecký konštruktér vytvoril a otestoval 11 typov vetroňov vrátane dvojplošníka. Uskutočnil aj prvý let na prístroji ťažšom ako vzduch. Za relatívne krátky život (46 rokov) vykonal asi 2 000 letov, pričom neustále zdokonaľoval dizajn, ktorý pripomínal skôr závesný klzák než lietadlo. Zomrel pri ďalšom lete 10. augusta 1896 a stal sa priekopníkomletectva a prvou obeťou leteckého nešťastia. Mimochodom, nemecký vynálezca osobne odovzdal jeden z vetroňov Nikolajovi Jegorovičovi Žukovskému, priekopníkovi v štúdiu aerodynamiky lietadiel.
Žukovskij neexperimentoval len s návrhmi lietadiel. Na rozdiel od mnohých vtedajších nadšencov zvažoval predovšetkým správanie vzdušných prúdov z vedeckého hľadiska. V roku 1904 založil v Cachine pri Moskve prvý aerodynamický inštitút na svete. Od roku 1918 viedol TsAGI (Centrálny aerohydrodynamický inštitút).
Prvé lietadlá
Aerodynamika je veda, ktorá umožnila človeku dobyť oblohu. Bez jeho preštudovania by nebolo možné postaviť lietadlá, ktoré sa stabilne pohybujú vo vzdušných prúdoch. Prvé lietadlo v našom obvyklom zmysle vyrobili a vyzdvihli do vzduchu 7. decembra 1903 bratia Wrightovci. Tejto udalosti však predchádzala starostlivá teoretická práca. Američania venovali veľa času ladeniu konštrukcie draku lietadla v aerodynamickom tuneli vlastnej konštrukcie.
Počas prvých letov Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta a Nikolai Zhukovsky predložili teórie, ktoré vysvetľovali cirkuláciu vzdušných prúdov, ktoré vytvárajú vztlak. Kutta a Žukovskij pokračovali vo vývoji dvojrozmernej teórie krídla. Ludwig Prandtl sa zaslúžil o rozvoj matematickej teórie jemných aerodynamických a vztlakových síl, ako aj o prácu s hraničnými vrstvami.
Problémy a riešenia
Význam aerodynamiky lietadiel rástol so zvyšujúcou sa ich rýchlosťou. Konštruktéri začali narážať na problémy so stláčaním vzduchu rýchlosťou zvuku alebo blízkou rýchlosti zvuku. Rozdiely v prúdení za týchto podmienok viedli k problémom s ovládaním lietadla, zvýšenému odporu v dôsledku rázových vĺn a hrozbe zlyhania konštrukcie v dôsledku aeroelastického kmitania. Pomer rýchlosti prúdenia k rýchlosti zvuku sa nazýval Machovo číslo podľa Ernsta Macha, ktorý ako jeden z prvých skúmal vlastnosti nadzvukového prúdenia.
William John McQuorn Rankine a Pierre Henri Gougoniot nezávisle vyvinuli teóriu vlastností prúdenia vzduchu pred a po rázovej vlne, zatiaľ čo Jacob Akeret vykonal počiatočnú prácu na výpočte zdvihu a odporu nadzvukových profilov. Theodor von Karman a Hugh Latimer Dryden vymysleli termín „transonic“na opis rýchlosti na hranici Mach 1 (965 – 1236 km/h), keď odpor rýchlo rastie. Prvá zvuková bariéra bola prelomená v roku 1947 na lietadle Bell X-1.
Kľúčové funkcie
Na zabezpečenie letu v zemskej atmosfére akéhokoľvek zariadenia je podľa zákonov aerodynamiky dôležité vedieť:
- Aerodynamický odpor (os X) vyvíjaný prúdmi vzduchu na objekt. Na základe tohto parametra sa vyberie výkon elektrárne.
- Zdvíhacia sila (os Y), ktorá poskytuje stúpanie a umožňuje zariadeniu letieť horizontálne k povrchu zeme.
- Momenty aerodynamických síl pozdĺž troch súradnicových osí pôsobiacich na letiaci objekt. najdôležitejšíje moment bočnej sily pozdĺž osi Z (Mz) smerovanej naprieč lietadlom (podmienečne pozdĺž línie krídla). Určuje stupeň pozdĺžnej stability (či sa zariadenie pri lete „ponorí“alebo zdvihne nos).
Klasifikácia
Aerodynamický výkon je klasifikovaný podľa podmienok prúdenia vzduchu a vlastností, vrátane rýchlosti, stlačiteľnosti a viskozity. Vonkajšia aerodynamika je štúdium prúdenia okolo pevných predmetov rôznych tvarov. Príkladom je hodnotenie zdvihu a vibrácií lietadla, ako aj rázových vĺn, ktoré sa tvoria pred nosom rakety.
Vnútorná aerodynamika je štúdium prúdenia vzduchu pohybujúceho sa cez otvory (priechody) v pevných predmetoch. Zahŕňa napríklad štúdium prietokov cez prúdový motor.
Aerodynamický výkon možno klasifikovať aj podľa rýchlosti prúdenia:
- Subsonická sa nazýva rýchlosť menšia ako rýchlosť zvuku.
- Transonic (transonic) – ak existujú rýchlosti pod aj nad rýchlosťou zvuku.
- Nadzvukové – keď je rýchlosť prúdenia väčšia ako rýchlosť zvuku.
- Hypersonické – rýchlosť prúdenia je oveľa väčšia ako rýchlosť zvuku. Zvyčajne táto definícia znamená rýchlosti s Machovými číslami nad 5.
Aerodynamika vrtuľníka
Ak je princíp letu lietadla založený na zdvíhacej sile počas translačného pohybu vyvíjaného na krídlo, potom vrtuľník akoby sám vytvára vztlak v dôsledku rotácie lopatiek v režime axiálneho fúkania (teda bez translačnej rýchlosti). VďakaVďaka tejto funkcii je helikoptéra schopná vznášať sa vo vzduchu na mieste a vykonávať energické manévre okolo osi.
Iné aplikácie
Prirodzene, aerodynamika nie je použiteľná len pre lietadlá. Odpor vzduchu pociťujú všetky objekty pohybujúce sa v priestore v plynnom a kvapalnom médiu. Je známe, že vodní obyvatelia - ryby a cicavce - majú prúdnicové tvary. Na ich príklade môžete sledovať aerodynamiku v akcii. Ľudia so zameraním na svet zvierat robia vodnú dopravu aj špicatou alebo v tvare slzy. Toto platí pre lode, člny, ponorky.
Vozidlá pociťujú značný odpor vzduchu: zvyšuje sa so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Na dosiahnutie lepšej aerodynamiky dostávajú autá aerodynamický tvar. To platí najmä pre športové autá.
