Aerodinamika je polje znanja koje proučava kretanje strujanja zraka i njihov utjecaj na čvrsta tijela. To je pododjeljak hidro- i plinske dinamike. Istraživanja na ovom području sežu u antičko doba, u vrijeme izuma strijela i kopalja za planiranje, koji su omogućili daljnje i točnije slanje projektila na metu. Međutim, potencijal aerodinamike u potpunosti je otkriven izumom vozila težih od zraka sposobnog letjeti ili kliziti na značajnim udaljenostima.
Od davnina
Otkriće zakona aerodinamike u 20. stoljeću pridonijelo je fantastičnom skoku u mnogim područjima znanosti i tehnologije, posebice u sektoru prometa. Na temelju njegovih dostignuća stvoreni su moderni zrakoplovi koji su omogućili da se gotovo svaki kutak planeta Zemlje učini dostupnim javnosti.
Prvi spomen pokušaja osvajanja neba nalazi se u grčkom mitu o Ikaru i Dedalu. Otac i sin izgradili su krila poput ptica. To ukazuje da su prije tisućama godina ljudi razmišljali o mogućnosti da se dižu s tla.
Još jedan porastzanimanje za gradnju zrakoplova javilo se tijekom renesanse. Strastveni istraživač Leonardo da Vinci posvetio je puno vremena ovom problemu. Poznate su njegove bilješke koje objašnjavaju principe rada najjednostavnijeg helikoptera.
Novo doba
Globalni proboj u znanosti (a posebno u aeronautici) napravio je Isaac Newton. Uostalom, osnova aerodinamike je sveobuhvatna znanost o mehanici, čiji je osnivač bio engleski znanstvenik. Newton je prvi promatrao zračni medij kao konglomerat čestica, koje se, nailazeći na prepreku, ili zalijepe za nju ili se elastično reflektiraju. Godine 1726. predstavio je javnosti teoriju otpora zraka.
Naknadno se pokazalo da se okoliš zaista sastoji od najmanjih čestica - molekula. Naučili su prilično precizno izračunati reflektivnost zraka, a efekt "zalijepljenosti" smatrao se neodrživom pretpostavkom.
Iznenađujuće, ova teorija je našla praktičnu primjenu stoljećima kasnije. U 60-im godinama, u osvit svemirskog doba, sovjetski dizajneri suočili su se s problemom izračunavanja aerodinamičkog otpora spuštenih vozila "tupog" sfernog oblika, koja razvijaju hipersonične brzine pri slijetanju. Zbog nedostatka moćnih računala bilo je problematično izračunati ovaj pokazatelj. Neočekivano se pokazalo da je moguće točno izračunati vrijednost otpora, pa čak i raspodjelu tlaka preko čeonog dijela koristeći Newtonovu jednostavnu formulu o efektu "ljepljenja" čestica na leteći objekt.
Razvoj aerodinamike
OsnivačHidrodinamičar Daniel Bernoulli opisao je 1738. temeljni odnos između tlaka, gustoće i brzine za nestlačivo strujanje, danas poznat kao Bernoullijev princip, koji je također primjenjiv na proračune aerodinamičkog uzgona. Godine 1799. Sir George Cayley postao je prva osoba koja je identificirala četiri aerodinamičke sile leta (težinu, dizanje, otpor i potisak) i odnose između njih.
Godine 1871. Francis Herbert Wenham stvorio je prvi aerodinamički tunel za precizno mjerenje aerodinamičkih sila. Neprocjenjive znanstvene teorije koje su razvili Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Godine 1889. Charles Renard, francuski aeronautički inženjer, postao je prva osoba koja je znanstveno izračunala snagu potrebnu za kontinuirani let.
Od teorije do prakse
U 19. stoljeću, izumitelji su promatrali krilo sa znanstvenog stajališta. A zahvaljujući proučavanju mehanizma leta ptica, proučavana je aerodinamika u akciji, koja je kasnije primijenjena na umjetne letjelice.
Otto Lilienthal se posebno istaknuo u istraživanju mehanike krila. Njemački konstruktor zrakoplova kreirao je i testirao 11 tipova jedrilica, uključujući dvokrilac. Napravio je i prvi let na aparatu težem od zraka. Za relativno kratak život (46 godina) napravio je oko 2000 letova, neprestano poboljšavajući dizajn koji je više nalikovao zmaji nego avionu. Umro je tijekom sljedećeg leta 10. kolovoza 1896. postavši pioniraeronautike, i prva žrtva avionske nesreće. Inače, njemački izumitelj osobno je predao jednu od jedrilica Nikolaju Jegoroviču Žukovskom, pioniru u proučavanju aerodinamike zrakoplova.
Zhukovsky nije eksperimentirao samo s dizajnom zrakoplova. Za razliku od mnogih entuzijasta tog vremena, on je ponašanje zračnih struja prvenstveno razmatrao sa znanstvenog stajališta. Godine 1904. osnovao je prvi aerodinamički institut na svijetu u Cachinu kod Moskve. Od 1918. vodio je TsAGI (Središnji aerohidrodinamički institut).
Prvi avioni
Aerodinamika je znanost koja je omogućila čovjeku da osvoji nebo. Bez proučavanja, bilo bi nemoguće izgraditi zrakoplov koji se stabilno kreće u zračnim strujama. Prvu letjelicu u našem uobičajenom smislu izradila su i podigla u zrak 7. prosinca 1903. braća Wright. Međutim, ovom događaju prethodio je pažljiv teorijski rad. Amerikanci su posvetili puno vremena otklanjanju pogrešaka u dizajnu letjelice u aerotunelu vlastitog dizajna.
Tijekom prvih letova, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta i Nikolai Zhukovsky iznijeli su teorije koje objašnjavaju kruženje zračnih struja koje stvaraju uspon. Kutta i Zhukovsky nastavili su razvijati dvodimenzionalnu teoriju krila. Ludwig Prandtl je zaslužan za razvoj matematičke teorije suptilnih aerodinamičkih i uzgonskih sila, kao i za rad s graničnim slojevima.
Problemi i rješenja
Važnost aerodinamike zrakoplova povećavala se kako su se povećavale njihove brzine. Dizajneri su počeli nailaziti na probleme sa komprimiranjem zraka pri brzini zvuka ili blizu nje. Razlike u protoku u tim uvjetima dovele su do problema pri rukovanju zrakoplovom, povećanog otpora zbog udarnih valova i opasnosti od kvara konstrukcije zbog aeroelastičnog lepršanja. Omjer brzine strujanja i brzine zvuka nazvan je Machovim brojem po Ernstu Machu, koji je bio jedan od prvih koji je istraživao svojstva nadzvučnog strujanja.
William John McQuorn Rankine i Pierre Henri Gougoniot neovisno su razvili teoriju svojstava strujanja zraka prije i nakon udarnog vala, dok je Jacob Akeret obavio početni rad na izračunavanju uzgona i otpora nadzvučnih aeroprofila. Theodor von Karman i Hugh Latimer Dryden skovali su izraz "transsonični" za opisivanje brzina na granici od 1 Macha (965-1236 km/h), kada otpor brzo raste. Prva zvučna barijera probijena je 1947. na zrakoplovu Bell X-1.
Ključne značajke
Prema zakonima aerodinamike, da bi se osigurao let u zemljinoj atmosferi bilo kojeg uređaja, važno je znati:
- Aerodinamički otpor (X-os) uzrokovan zračnim strujama na objekt. Na temelju ovog parametra odabire se snaga elektrane.
- Sila podizanja (Y-os), koja osigurava uspon i omogućuje uređaju da leti vodoravno do površine zemlje.
- Momenti aerodinamičkih sila duž triju koordinatnih osi koje djeluju na leteći objekt. najvažnijeje moment bočne sile duž Z-osi (Mz) usmjeren preko zrakoplova (uvjetno duž linije krila). Određuje stupanj uzdužne stabilnosti (hoće li uređaj "zaroniti" ili podići nos tijekom leta).
Klasifikacija
Aerodinamičke performanse klasificiraju se prema uvjetima i svojstvima strujanja zraka, uključujući brzinu, kompresibilnost i viskoznost. Vanjska aerodinamika je proučavanje strujanja oko čvrstih objekata različitih oblika. Primjeri su procjena podizanja i vibracija zrakoplova, kao i udarnih valova koji se stvaraju ispred nosa projektila.
Unutarnja aerodinamika je proučavanje protoka zraka koji se kreće kroz otvore (prolaze) u čvrstim objektima. Na primjer, pokriva proučavanje strujanja kroz mlazni motor.
Aerodinamičke performanse također se mogu klasificirati prema brzini protoka:
- Subsonic se zove brzina manja od brzine zvuka.
- Transonic (transonic) - ako postoje brzine i ispod i iznad brzine zvuka.
- Supersonic - kada je brzina protoka veća od brzine zvuka.
- Hipersonično - brzina protoka je mnogo veća od brzine zvuka. Obično ova definicija znači brzine s Machovim brojevima iznad 5.
Aerodinamika helikoptera
Ako se princip leta zrakoplova temelji na sili dizanja tijekom translacijskog gibanja na krilu, tada helikopter, takoreći, sam stvara uzgon zbog rotacije lopatica u aksijalnom načinu puhanja (odnosno bez brzine translacije). ZahvaljujućiUz ovu značajku, helikopter može lebdjeti u zraku na mjestu i izvoditi energične manevre oko osi.
Ostale aplikacije
Naravno, aerodinamika je primjenjiva ne samo na zrakoplove. Otpor zraka osjećaju svi objekti koji se kreću u prostoru u plinovitom i tekućem mediju. Poznato je da vodeni stanovnici - ribe i sisavci - imaju aerodinamične oblike. Na njihovom primjeru možete pratiti aerodinamiku na djelu. Usredotočujući se na životinjski svijet, ljudi također čine vodni transport šiljastim ili u obliku suze. Ovo se odnosi na brodove, čamce, podmornice.
Vozila imaju značajan otpor zraka: on se povećava kako se povećava brzina. Kako bi se postigla bolja aerodinamika, automobilima se daje aerodinamičan oblik. To posebno vrijedi za sportske automobile.
