Ova sila otpora javlja se u avionima zbog krila ili tijela dizanja koji preusmjeravaju zrak da izazovu uzgonu, te u automobilima s krilima krila koja preusmjeravaju zrak kako bi izazvala potisnu silu. Samuel Langley je primijetio da ravnije ploče s većim omjerom širine i visine imaju veće podizanje i manji otpor te su uvedene 1902. godine. Bez izuma aerodinamičke kvalitete zrakoplova, moderni dizajn zrakoplova bio bi nemoguć.
Podizanje i pomicanje
Ukupna aerodinamička sila koja djeluje na tijelo se obično sastoji od dvije komponente: podizanja i pomaka. Po definiciji, komponenta sile koja je paralelna s protutokom naziva se pomak, dok se komponenta okomita na protustrujanje zove podizanje.
Ove osnove aerodinamike su od velike važnosti za analizu aerodinamičke kvalitete krila. Uzgon se proizvodi promjenom smjera strujanja oko krila. Promijenitismjer rezultira promjenom brzine (čak i ako nema promjene brzine, kao što se vidi u jednolikom kružnom gibanju), što je ubrzanje. Stoga je za promjenu smjera strujanja potrebna sila na tekućinu. To je jasno vidljivo na svakom zrakoplovu, samo pogledajte shematski prikaz aerodinamičke kvalitete An-2.
Ali nije sve tako jednostavno. Nastavljajući temu aerodinamičke kvalitete krila, vrijedi napomenuti da je stvaranje zračnog uzgona ispod njega pod većim tlakom od tlaka zraka iznad njega. Na krilu konačnog raspona ta razlika tlaka uzrokuje strujanje zraka od korijena donjeg površinskog krila do baze njegove gornje površine. Ovaj leteći protok zraka kombinira se s strujanjem zraka kako bi prouzročio promjenu brzine i smjera koji izokreće strujanje zraka i stvara vrtloge duž zadnjeg ruba krila. Stvoreni vrtlozi su nestabilni, brzo se spajaju i stvaraju krilne vrtloge. Nastali vrtlozi mijenjaju brzinu i smjer strujanja zraka iza stražnjeg ruba, odbacujući ga prema dolje i na taj način uzrokujući zakrilce iza krila. S ove točke gledišta, na primjer, zrakoplov MS-21 ima visoku razinu omjera uzgona i otpora.
Kontrola protoka zraka
Vrtlozi zauzvrat mijenjaju protok zraka oko krila, smanjujući sposobnost krila da generira uzgonu, tako da zahtijeva veći kut napada za isto uzgonu, što naginje ukupnu aerodinamičku silu unatrag i povećava komponentu otpora ta sila. Kutno odstupanje je zanemarivoutječe na podizanje. Međutim, postoji povećanje otpora jednako umnošku uzgona i kuta zbog kojeg odstupa. Budući da je skretanje samo po sebi funkcija uzgona, dodatni otpor je proporcionalan kutu uspona, što se može jasno vidjeti u aerodinamici A320.
Povijesni primjeri
Pravokutno planetarno krilo stvara više vrtložnih vibracija od konusnog ili eliptičnog krila, zbog čega su mnoga moderna krila sužena kako bi se poboljšao omjer podizanja i otpora. Međutim, eliptični okvir zrakoplova je učinkovitiji jer je inducirano ispiranje (a time i efektivni kut napada) konstantan kroz cijeli raspon krila. Zbog komplikacija u proizvodnji, mali broj zrakoplova ima ovaj plan, a najpoznatiji primjeri su Spitfire iz Drugog svjetskog rata i Thunderbolt. Konusna krila s ravnim prednjim i zadnjim rubovima mogu se približiti eliptičnoj raspodjeli podizanja. U pravilu, ravna, nesužena krila proizvode 5%, a sužena krila proizvode 1-2% više induciranog otpora od eliptičnog krila. Stoga imaju bolju aerodinamičku kvalitetu.
Proporcionalnost
Krilo s visokim omjerom širine i visine će proizvesti manje induciranog otpora od krila s niskim omjerom širine i visine jer je manje smetnji zraka na vrhu dužeg, tanjeg krila. Stoga, induciraniotpor može biti obrnuto proporcionalan proporcionalnosti, koliko god to paradoksalno zvučalo. Raspodjela uzgona također se može promijeniti ispiranjem, okretanjem krila kako bi se smanjio pad prema krilima i promjenom aeroprofila u blizini krila. To vam omogućuje da dobijete više uzgona bliže korijenu krila, a manje krilu, što dovodi do smanjenja snage vrtloga krila i, sukladno tome, do poboljšanja aerodinamičke kvalitete zrakoplova.
U povijesti dizajna zrakoplova
Na nekim ranim zrakoplovima peraje su bile postavljene na vrhovima repa. Kasniji zrakoplovi imaju drugačiji oblik krila kako bi se smanjio intenzitet vrtloga i postigao maksimalni omjer uzgona i otpora.
Spremnici goriva s krovnim impelerom također mogu pružiti određenu korist sprječavanjem kaotičnog strujanja zraka oko krila. Sada se koriste u mnogim zrakoplovima. Aerodinamička kvaliteta DC-10 zasluženo se smatrala revolucionarnom u tom pogledu. Međutim, moderno zrakoplovno tržište odavno je napunjeno mnogo naprednijim modelima.
Formula povuci-povuci: objašnjeno jednostavnim riječima
Za izračunavanje ukupnog otpora potrebno je uzeti u obzir tzv. parazitski otpor. Budući da je inducirani otpor obrnuto proporcionalan kvadratu brzine zraka (pri određenom uzgonu), dok je parazitski otpor izravno proporcionalan njemu, ukupna krivulja otpora pokazuje minimalnu brzinu. Zrakoplov,leti takvom brzinom, radi s optimalnim aerodinamičkim kvalitetama. Prema gornjim jednadžbama, brzina minimalnog otpora javlja se pri brzini pri kojoj je inducirani otpor jednak parazitskom otporu. Ovo je brzina pri kojoj se postiže optimalni kut klizanja za zrakoplov u stanju mirovanja. Kako ne biste bili neutemeljeni, razmotrite formulu na primjeru zrakoplova:
Nastavak formule je također prilično znatiželjan (slika dolje). Letenje više, gdje je zrak rjeđi, povećat će brzinu pri kojoj se javlja minimalni otpor, a samim time i omogućuje brže putovanje na istoj količini gorivo.
Ako zrakoplov leti svojom maksimalnom dopuštenom brzinom, tada će visina na kojoj gustoća zraka pružiti najbolju aerodinamičku kvalitetu. Optimalna visina pri maksimalnoj brzini i optimalna brzina na maksimalnoj visini mogu se promijeniti tijekom leta.
Izdržljivost
Brzina za maksimalnu izdržljivost (tj. vrijeme u zraku) je brzina za minimalnu potrošnju goriva i manju brzinu za maksimalni domet. Potrošnja goriva izračunava se kao umnožak potrebne snage i specifične potrošnje goriva po motoru (potrošnja goriva po jedinici snage). Potrebna snaga jednaka je vremenu povlačenja.
Povijest
Razvoj moderne aerodinamike započeo je tek u XVIIstoljeća, ali aerodinamičke sile ljudi koriste tisućama godina u jedrilicama i vjetrenjačama, a slike i priče o letu pojavljuju se u svim povijesnim dokumentima i umjetničkim djelima, poput starogrčke legende o Ikaru i Dedalu. Temeljni koncepti kontinuuma, otpora i gradijenata tlaka pojavljuju se u djelu Aristotela i Arhimeda.
Godine 1726. Sir Isaac Newton postao je prva osoba koja je razvila teoriju otpora zraka, što je čini jednim od prvih argumenata o aerodinamičkim kvalitetama. Nizozemsko-švicarski matematičar Daniel Bernoulli napisao je 1738. godine raspravu pod nazivom Hydrodynamica u kojoj je opisao temeljni odnos između tlaka, gustoće i brzine strujanja za nestlačivo strujanje, danas poznat kao Bernoullijev princip, koji pruža jednu metodu za izračunavanje aerodinamičkog uzgona. Godine 1757. Leonhard Euler je objavio općenitije Eulerove jednadžbe, koje se mogu primijeniti i na stišljive i na nestlačive tokove. Eulerove jednadžbe proširene su kako bi uključile učinke viskoznosti u prvoj polovici 1800-ih, što je dovelo do Navier-Stokesovih jednadžbi. Aerodinamičke performanse/aerodinamička kvaliteta polara otkrivene su otprilike u isto vrijeme.
Na temelju ovih događaja, kao i istraživanja provedenog u vlastitom aerotunelu, braća Wright poletjela su prvim zrakoplovom 17. prosinca 1903.
Vrste aerodinamike
Aerodinamički problemi klasificirani su prema uvjetima protoka ili svojstvima protoka, uključujući karakteristike kao što su brzina, kompresibilnost i viskoznost. Najčešće se dijele u dvije vrste:
- Vanjska aerodinamika je proučavanje strujanja oko čvrstih objekata različitih oblika. Primjeri vanjske aerodinamike su procjena podizanja i otpora na zrakoplovu ili udarni valovi koji se formiraju ispred nosa projektila.
- Unutarnja aerodinamika je proučavanje protoka kroz prolaze u čvrstim objektima. Na primjer, unutarnja aerodinamika pokriva proučavanje strujanja zraka kroz mlazni motor ili kroz dimnjak klima uređaja.
Aerodinamički problemi se također mogu klasificirati prema brzinama protoka ispod ili blizu brzine zvuka.
Problem se zove:
- podzvučni, ako su sve brzine u problemu manje od brzine zvuka;
- transzvučni ako postoje brzine i ispod i iznad brzine zvuka (obično kada je karakteristična brzina približno jednaka brzini zvuka);
- supersonično, kada je karakteristična brzina protoka veća od brzine zvuka;
- hipersonično, kada je brzina protoka mnogo veća od brzine zvuka.
Aerodinamičari se ne slažu oko točne definicije hipersoničnog protoka.
Učinak viskoznosti na protok diktira treću klasifikaciju. Neki problemi mogu imati samo vrlo male viskozne učinke, u kojem slučaju se viskoznost može smatrati zanemarivom. Aproksimacije ovim problemima nazivaju se neviscidnimstruje. Tokovi kod kojih se viskoznost ne može zanemariti nazivaju se viskozni tokovi.
Kompresibilnost
Nestlačivi tok je tok u kojem je gustoća konstantna u vremenu i prostoru. Iako su sve stvarne tekućine stišljive, protok se često aproksimira kao nestlačiv ako učinak promjene gustoće uzrokuje samo male promjene u izračunatim rezultatima. To je vjerojatnije kada je brzina protoka znatno ispod brzine zvuka. Učinci kompresibilnosti značajniji su pri brzinama blizu ili većim od brzine zvuka. Machov broj se koristi za procjenu mogućnosti nestišljivosti, inače se moraju uključiti učinci kompresibilnosti.
Prema teoriji aerodinamike, protok se smatra stisljivim ako se gustoća mijenja duž strujne linije. To znači da se, za razliku od nestlačivog strujanja, uzimaju u obzir promjene gustoće. Općenito, to je slučaj kada je Machov broj dijela ili cijelog protoka veći od 0,3. Machova vrijednost od 0,3 je prilično proizvoljna, ali se koristi jer protok plina ispod ove vrijednosti pokazuje manje od 5% promjene gustoće. Također, maksimalna promjena gustoće od 5% događa se u točki stagnacije (točka na objektu gdje je brzina strujanja nula), dok će gustoća oko ostatka objekta biti znatno manja. Transzvučni, nadzvučni i hipersonični tokovi su kompresibilni.
Zaključak
Aerodinamika je danas jedna od najvažnijih znanosti u svijetu. Ona nam pružaizgradnja kvalitetnih aviona, brodova, automobila i strip šatlova. Igra veliku ulogu u razvoju modernih vrsta oružja - balističkih projektila, pojačivača, torpeda i dronova. Sve bi to bilo nemoguće da nije bilo modernih naprednih koncepata aerodinamičke kvalitete.
Tako su se ideje o temi članka promijenile od lijepih, ali naivnih fantazija o Icarusu, do funkcionalnih i stvarno ispravnih letjelica koje su nastale početkom prošlog stoljeća. Danas ne možemo zamisliti svoj život bez automobila, brodova i zrakoplova, a ova vozila nastavljaju da se poboljšavaju s novim otkrićima u aerodinamici.
Aerodinamičke kvalitete jedrilica bile su pravi proboj u svoje vrijeme. U početku su sva otkrića na ovom području dolazila pomoću apstraktnih, ponekad odvojenih od stvarnosti, teorijskih proračuna, koje su u svojim laboratorijima provodili francuski i njemački matematičari. Kasnije su sve njihove formule korištene u druge, fantastičnije (po standardima 18. stoljeća) svrhe, poput izračuna idealnog oblika i brzine budućih zrakoplova. U 19. stoljeću ovi uređaji su se počeli graditi u velikim količinama, počevši od jedrilica i zračnih brodova, Europljani su postupno prešli na konstrukciju zrakoplova. Potonji su prvo korišteni isključivo u vojne svrhe. Asovi Prvog svjetskog rata pokazali su koliko je pitanje dominacije u zraku važno za svaku državu, a inženjeri međuratnog razdoblja otkrili su da su takvi zrakoplovi učinkoviti ne samo za vojsku, već i za civile.ciljeve. S vremenom je civilno zrakoplovstvo čvrsto ušlo u naše živote, a danas ni jedna država ne može bez njega.
