Ova sila otpora javlja se u avionima zbog krila ili tijela za podizanje koji preusmjeravaju zrak da izazovu uzgonu, i u automobilima sa krilima aeroprofila koja preusmjeravaju zrak da izazovu potisnu silu. Samuel Langley je primijetio da ravnije ploče s većim omjerom širine i visine imaju veće podizanje i manji otpor i da su uvedene 1902. godine. Bez pronalaska aerodinamičkog kvaliteta aviona, savremeni dizajn aviona bi bio 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 suprotnom toku naziva se pomeranjem, dok se komponenta okomita na suprotno strujanje naziva podizanje.
Ove osnove aerodinamike su od velike važnosti za analizu aerodinamičkog kvaliteta krila. Uzgon se proizvodi promjenom smjera strujanja oko krila. Promjenasmjer rezultira promjenom brzine (čak i ako nema promjene brzine, kao što se vidi u ravnomjernom kružnom kretanju), što je ubrzanje. Stoga, da bi se promijenio smjer strujanja, potrebna je sila na tekućinu. Ovo je jasno vidljivo na svakom avionu, samo pogledajte šematski prikaz aerodinamičkog kvaliteta An-2.
Ali nije sve tako jednostavno. Nastavljajući temu aerodinamičkog kvaliteta krila, vrijedi napomenuti da je stvaranje vazdušnog uzgona ispod njega pod većim pritiskom od tlaka zraka iznad njega. Na krilu konačnog raspona, ova razlika pritiska uzrokuje strujanje zraka od korijena donjeg površinskog krila do osnove njegove gornje površine. Ovaj leteći tok zraka kombinuje se sa strujanjem zraka kako bi prouzročio promjenu brzine i smjera koji izokreće protok zraka i stvara vrtloge duž zadnje ivice krila. Kreirani vrtlozi su nestabilni, brzo se kombinuju i stvaraju krilne vrtloge. Nastali vrtlozi mijenjaju brzinu i smjer strujanja zraka iza zadnje ivice, odbacujući ga prema dolje i na taj način uzrokujući zakrilce iza krila. Sa ove tačke gledišta, na primjer, avion MS-21 ima visok nivo omjera podizanja i otpora.
Kontrola protoka zraka
Vrtlozi zauzvrat mijenjaju protok zraka oko krila, smanjujući sposobnost krila da generira uzgon, tako da zahtijeva veći ugao napada za isto uzgonu, što naginje ukupnu aerodinamičku silu unazad i povećava komponentu otpora tu silu. Kutno odstupanje je zanemarivoutiče na podizanje. Međutim, postoji povećanje otpora jednako umnošku uzgona i ugla zbog kojeg odstupa. Budući da je skretanje samo po sebi funkcija uzgona, dodatni otpor je proporcionalan kutu penjanja, što se jasno može vidjeti u aerodinamici A320.
Istorijski primjeri
Pravougaono 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 aviona je efikasniji jer je indukovano ispiranje (a samim tim i efektivni ugao napada) konstantan u cijelom rasponu krila. Zbog komplikacija u proizvodnji, mali broj aviona 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 distribuciji podizanja. Kao opšte pravilo, ravna, nesužena krila proizvode 5%, a sužena krila proizvode 1-2% više indukovanog otpora od eliptičnog krila. Zbog toga imaju bolji aerodinamički kvalitet.
Proporcionalnost
Krilo sa visokim odnosom širine i visine će proizvesti manje indukovanog otpora od krila sa niskim odnosom širine i visine jer je manje smetnji vazduha na vrhu dužeg, tanjeg krila. Dakle, indukovanootpor može biti obrnuto proporcionalan proporcionalnosti, ma koliko to paradoksalno zvučalo. Raspodjela podizanja se također može promijeniti ispiranjem, okretanjem krila okolo kako bi se smanjio pad prema krilima i promjenom aeroprofila u blizini krila. Ovo vam omogućava da dobijete više uzgona bliže korenu krila, a manje krilu, što dovodi do smanjenja snage vrtloga krila i, shodno tome, do poboljšanja aerodinamičkog kvaliteta aviona.
U istoriji dizajna aviona
Na nekim ranim avionima peraja su bila postavljena na vrhovima repa. Kasniji avioni imaju drugačiji oblik krila kako bi se smanjio intenzitet vrtloga i postigao maksimalni omjer uzgona i otpora.
Spremnici za gorivo sa krovnim impelerom takođe mogu pružiti neku korist sprečavanjem haotičnog strujanja vazduha oko krila. Sada se koriste u mnogim avionima. Aerodinamički kvalitet DC-10 zasluženo je smatran revolucionarnim u tom pogledu. Međutim, moderno zrakoplovno tržište je odavno popunjeno mnogo naprednijim modelima.
Formula za prevlačenje: objašnjeno jednostavnim riječima
Za izračunavanje ukupnog otpora potrebno je uzeti u obzir takozvanu parazitsku otpornost. Budući da je inducirani otpor obrnuto proporcionalan kvadratu brzine zraka (pri datom uzgonu), dok je parazitski otpor direktno proporcionalan njemu, ukupna kriva otpora pokazuje minimalnu brzinu. avion,leti takvom brzinom, radi sa optimalnim aerodinamičkim kvalitetima. Prema gornjim jednačinama, brzina minimalnog otpora se javlja pri brzini pri kojoj je inducirani otpor jednak parazitskom otporu. Ovo je brzina pri kojoj se postiže optimalni ugao klizanja za avion u praznom hodu. Da ne biste bili neosnovani, razmotrite formulu na primjeru aviona:
Nastavak formule je takođe prilično znatiželjan (na slici ispod). Letenje više, gde je vazduh ređi, povećaće brzinu pri kojoj se javlja minimalni otpor, a samim tim omogućava brže putovanje na istoj količini gorivo.
Ako avion leti maksimalnom dozvoljenom brzinom, tada će visina na kojoj gustina vazduha obezbediti najbolji aerodinamički kvalitet. Optimalna visina pri maksimalnoj brzini i optimalna brzina na maksimalnoj visini se mogu promijeniti tokom leta.
Izdržljivost
Brzina za maksimalnu izdržljivost (tj. vrijeme u zraku) je brzina za minimalnu potrošnju goriva i manju brzinu za maksimalni domet. Potrošnja goriva se izračunava kao proizvod potrebne snage i specifične potrošnje goriva po motoru (potrošnja goriva po jedinici snage). Potrebna snaga je jednaka vremenu povlačenja.
Historija
Razvoj moderne aerodinamike započeo je tek u XVIIstoljeća, ali su aerodinamičke sile ljudi koristili hiljadama godina u jedrilicama i vjetrenjačama, a slike i priče o letu pojavljuju se u svim historijskim dokumentima i umjetničkim djelima, poput starogrčke legende o Ikaru i Dedalu. Osnovni koncepti kontinuuma, otpora i gradijenata pritiska pojavljuju se u radu Aristotela i Arhimeda.
Godine 1726. Sir Isaac Newton je postao prva osoba koja je razvila teoriju otpora zraka, što je čini jednim od prvih argumenata o aerodinamičkim kvalitetama. Holandsko-švajcarski matematičar Daniel Bernoulli napisao je 1738. godine raspravu pod nazivom Hydrodynamica u kojoj je opisao fundamentalni odnos između pritiska, gustine i brzine strujanja za nestišljivo strujanje, danas poznat kao Bernulijev princip, koji pruža jednu metodu za izračunavanje aerodinamičkog uzgona. Leonhard Euler je 1757. objavio općenitije Ojlerove jednačine, koje se mogu primijeniti i na kompresibilne i na nestišljive tokove. Ojlerove jednačine su proširene tako da uključuju efekte viskoznosti u prvoj polovini 1800-ih, što je dovelo do Navier-Stokesovih jednačina. Aerodinamičke performanse/aerodinamički kvalitet polara otkriven je otprilike u isto vrijeme.
Na osnovu ovih događaja, kao i istraživanja obavljenog u sopstvenom aerotunelu, braća Wright su poletela prvim avionom 17. decembra 1903.
Vrste aerodinamike
Aerodinamički problemi se klasifikuju prema uslovima tečenja ili svojstvima protoka, uključujući karakteristike kao što su brzina, kompresibilnost i viskozitet. Najčešće se dijele na dvije vrste:
- Spoljna aerodinamika je proučavanje strujanja oko čvrstih objekata različitih oblika. Primjeri eksterne aerodinamike su procjena podizanja i otpora na avionu, ili udarni valovi koji se formiraju ispred nosa projektila.
- Unutarnja aerodinamika je proučavanje protoka kroz prolaze u čvrstim objektima. Na primjer, unutrašnja aerodinamika pokriva proučavanje protoka zraka kroz mlazni motor ili kroz dimnjak klima uređaja.
Aerodinamički problemi se takođe mogu klasifikovati 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 tačne definicije hipersoničnog protoka.
Uticaj viskoznosti na protok diktira treću klasifikaciju. Neki problemi mogu imati samo vrlo male viskozne efekte, u kom slučaju se viskoznost može smatrati zanemarljivom. Aproksimacije ovim problemima se nazivaju neviscidnimstruje. Tokovi kod kojih se viskozitet ne može zanemariti nazivaju se viskozni tokovi.
Kompresibilnost
Nestišljivi tok je tok u kojem je gustina konstantna iu vremenu iu prostoru. Iako su svi stvarni fluidi kompresibilni, protok se često aproksimira kao nestišljiv ako efekat promjene gustine uzrokuje samo male promjene u izračunatim rezultatima. Ovo je vjerovatnije kada je brzina protoka znatno ispod brzine zvuka. Efekti kompresibilnosti su značajniji pri brzinama blizu ili većim od brzine zvuka. Mahov broj se koristi za procjenu mogućnosti nestišljivosti, inače se moraju uključiti efekti kompresibilnosti.
Prema teoriji aerodinamike, protok se smatra kompresibilnim ako se gustina mijenja duž strujne linije. To znači da se, za razliku od nestišljivog toka, uzimaju u obzir promjene gustine. Općenito, to je slučaj kada Mahov broj dijela ili cijelog protoka prelazi 0,3 Mahovska vrijednost od 0,3 je prilično proizvoljna, ali se koristi jer protok plina ispod ove vrijednosti pokazuje manje od 5% promjene gustine. Takođe, maksimalna promena gustine od 5% se dešava u tački stagnacije (tačka na objektu gde je brzina strujanja nula), dok će gustina oko ostatka objekta biti mnogo manja. Transzvučni, nadzvučni i hipersonični tokovi su kompresibilni.
Zaključak
Aerodinamika je danas jedna od najvažnijih nauka u svijetu. Ona nam dajeizgradnja kvalitetnih aviona, brodova, automobila i strip šatlova. Igra ogromnu ulogu u razvoju modernih vrsta oružja - balističkih projektila, pojačivača, torpeda i dronova. Sve bi to bilo nemoguće da nije bilo modernih naprednih koncepata aerodinamičkog kvaliteta.
Tako su se ideje o temi članka promijenile od lijepih, ali naivnih fantazija o Ikaru, do funkcionalnih i stvarno ispravnih letjelica koje su nastale početkom prošlog stoljeća. Danas ne možemo zamisliti svoje živote bez automobila, brodova i aviona, 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 u ovoj oblasti napravljena pomoću apstraktnih, ponekad odvojenih od stvarnosti, teorijskih proračuna, koje su izvodili francuski i njemački matematičari u svojim laboratorijama. Kasnije su sve njihove formule korišćene u druge, fantastičnije (po standardima 18. veka) svrhe, poput izračunavanja idealnog oblika i brzine budućih letelica. U 19. stoljeću ovi uređaji su se počeli graditi u velikim količinama, počevši od jedrilica i zračnih brodova, Evropljani su postepeno prešli na konstrukciju zrakoplova. Potonji su prvo korišteni isključivo u vojne svrhe. Asovi Prvog svetskog rata pokazali su koliko je pitanje dominacije u vazduhu važno za svaku državu, a inženjeri međuratnog perioda otkrili su da su takvi avioni efikasni ne samo za vojsku, već i za civile.ciljevi. Vremenom je civilno vazduhoplovstvo čvrsto ušlo u naše živote, a danas ni jedna država ne može bez njega.
