Aerodinamika je polje znanja koje proučava kretanje vazdušnih tokova i njihov uticaj na čvrsta tela. To je pododjeljak hidro- i plinske dinamike. Istraživanja u ovoj oblasti datiraju još iz antičkih vremena, iz vremena izuma strijela i kopalja za planiranje, što je omogućilo da se projektil dalje i preciznije šalje na metu. Međutim, potencijal aerodinamike je u potpunosti otkriven pronalaskom vozila težih od zraka koji mogu letjeti ili kliziti na značajnim udaljenostima.
Od davnina
Otkriće zakona aerodinamike u 20. veku doprinelo je fantastičnom skoku u mnogim oblastima nauke i tehnologije, posebno u sektoru transporta. Na osnovu njegovih dostignuća stvoreni su savremeni avioni, koji su omogućili da praktično svaki kutak planete Zemlje bude dostupan javnosti.
Prvi spomen pokušaja osvajanja neba nalazi se u grčkom mitu o Ikaru i Dedalu. Otac i sin izgradili su krila poput ptica. Ovo ukazuje na to da su prije hiljadama godina ljudi razmišljali o mogućnosti da se podignu.
Još jedan skokInteresovanje za konstrukciju aviona javilo se tokom renesanse. Strastveni istraživač Leonardo da Vinci posvetio je mnogo vremena ovom problemu. Poznate su njegove beleške koje objašnjavaju principe rada najjednostavnijeg helikoptera.
Nova era
Globalni proboj u nauci (i aeronautici posebno) napravio je Isaac Newton. Uostalom, osnova aerodinamike je sveobuhvatna nauka o mehanici, čiji je osnivač bio engleski naučnik. Njutn je prvi posmatrao vazdušni medij kao konglomerat čestica, koje se, naletevši na prepreku, ili zalepe za nju ili se elastično reflektuju. Godine 1726. predstavio je javnosti teoriju otpora zraka.
Naknadno se pokazalo da se okolina zaista sastoji od najmanjih čestica - molekula. Naučili su kako prilično precizno izračunati reflektivnost zraka, a efekat "ljepljenja" smatran je neodrživom pretpostavkom.
Iznenađujuće, ova teorija je našla praktičnu primenu vekovima kasnije. Šezdesetih godina, u zoru 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 računara, bilo je problematično izračunati ovaj pokazatelj. Neočekivano se pokazalo da je moguće precizno izračunati vrijednost otpora, pa čak i raspodjelu pritiska preko čeonog dijela koristeći Newtonovu jednostavnu formulu o efektu "ljepljenja" čestica za leteći objekt.
Razvoj aerodinamike
OsnivačHidrodinamičar Daniel Bernoulli opisao je 1738. godine fundamentalni odnos između pritiska, gustine i brzine za nestišljivo strujanje, danas poznat kao Bernoullijev princip, koji je također primjenjiv na proračune aerodinamičkog uzgona. 1799. Sir George Cayley je postao prva osoba koja je identificirala četiri aerodinamičke sile leta (težinu, podizanje, otpor i potisak) i odnose između njih.
1871. godine, Francis Herbert Wenham kreirao je prvi aerotunel za precizno mjerenje aerodinamičkih sila. Neprocjenjive naučne 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 naučno izračunala snagu potrebnu za trajni let.
Od teorije do prakse
U 19. veku, pronalazači su posmatrali krilo sa naučne tačke gledišta. A zahvaljujući proučavanju mehanizma letenja ptica, proučavana je aerodinamika u akciji, koja je kasnije primenjena na veštačke letelice.
Otto Lilienthal se posebno istakao u istraživanju mehanike krila. Njemački konstruktor aviona kreirao je i testirao 11 tipova jedrilica, uključujući dvokrilac. Takođe je napravio prvi let na aparatu težem od vazduha. Za relativno kratak život (46 godina) napravio je oko 2000 letova, neprestano poboljšavajući dizajn, koji je više ličio na zmajar nego na avion. Umro je tokom sledećeg leta 10. avgusta 1896. godine, postavši pioniraeronautike, i prva žrtva avionske nesreće. Inače, nemački pronalazač je lično predao jednu od jedrilica Nikolaju Jegoroviču Žukovskom, pioniru u proučavanju aerodinamike aviona.
Žukovski nije eksperimentisao samo sa dizajnom aviona. Za razliku od mnogih entuzijasta tog vremena, on je prvenstveno razmatrao ponašanje vazdušnih struja sa naučne tačke gledišta. Godine 1904. osnovao je prvi aerodinamički institut na svijetu u Cachinu kod Moskve. Od 1918. vodio je TsAGI (Centralni aerohidrodinamički institut).
Prvi avioni
Aerodinamika je nauka koja je omogućila čovjeku da osvoji nebo. Bez proučavanja, bilo bi nemoguće napraviti avion koji se stabilno kreće u vazdušnim strujama. Prvu letjelicu u našem uobičajenom smislu napravili su i podigli u zrak 7. decembra 1903. godine braća Wright. Međutim, ovom događaju je prethodio pažljiv teorijski rad. Amerikanci su posvetili dosta vremena otklanjanju grešaka u dizajnu avionske konstrukcije u aerotunelu sopstvenog dizajna.
Tokom prvih letova, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta i Nikolai Zhukovsky iznijeli su teorije koje objašnjavaju kruženje vazdušnih struja koje stvaraju uspon. Kutta i Zhukovsky nastavili su razvijati dvodimenzionalnu teoriju krila. Ludwig Prandtl je zaslužan za razvoj matematičke teorije suptilne aerodinamičke i uzgonske sile, kao i za rad sa graničnim slojevima.
Problemi i rješenja
Važnost aerodinamike aviona se povećavala kako su se povećavale njihove brzine. Dizajneri su počeli da nailaze na probleme sa kompresijom vazduha pri brzini zvuka ili blizu nje. Razlike u protoku u ovim uslovima dovele su do problema pri rukovanju avionom, povećanog otpora usled udarnih talasa i opasnosti od kvara konstrukcije usled aeroelastičnog lepršanja. Odnos brzine strujanja i brzine zvuka nazvan je Mahov broj po Ernstu Mahu, koji je bio jedan od prvih koji je istraživao svojstva nadzvučnog strujanja.
William John McQuorn Rankine i Pierre Henri Gougoniot nezavisno su razvili teoriju svojstava strujanja zraka prije i poslije udarnog talasa, dok je Jacob Akeret radio početni rad na izračunavanju uzgona i otpora nadzvučnih aeroprofila. Theodor von Karman i Hugh Latimer Dryden skovali su termin "transsonični" za opisivanje brzina na granici od 1 maha (965-1236 km/h), kada otpor brzo raste. Prva zvučna barijera probijena je 1947. godine na avionu Bell X-1.
Ključne karakteristike
Prema zakonima aerodinamike, da bi se osigurao let u zemljinoj atmosferi bilo kojeg uređaja, važno je znati:
- Aerodinamički otpor (X-osa) izazvan vazdušnim strujama na objekt. Na osnovu ovog parametra bira se snaga elektrane.
- Sila podizanja (Y-osa), koja obezbeđuje penjanje i omogućava uređaju da leti horizontalno do površine zemlje.
- Momenti aerodinamičkih sila duž tri koordinatne ose koje djeluju na leteći objekt. najvažnijeje moment bočne sile duž Z-ose (Mz) usmjerene preko aviona (uslovno duž linije krila). Određuje stepen uzdužne stabilnosti (hoće li uređaj "zaroniti" ili podići nos kada leti).
Klasifikacija
Aerodinamičke performanse se klasifikuju prema uslovima i svojstvima strujanja vazduha, uključujući brzinu, kompresibilnost i viskozitet. Eksterna aerodinamika je proučavanje strujanja oko čvrstih objekata različitih oblika. Primeri su procena uzgona i vibracija aviona, kao i udarnih talasa koji se formiraju 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 se također 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 sa Mahovim brojevima iznad 5.
Aerodinamika helikoptera
Ako se princip leta aviona zasniva na sili dizanja tokom translatornog kretanja na krilu, onda helikopter, takoreći, sam stvara uzgon zbog rotacije lopatica u aksijalnom modu duvanja (odnosno bez brzine translacije). Hvala zaSa ovom funkcijom, helikopter je u stanju da lebdi u zraku na mjestu i izvodi energične manevre oko ose.
Ostale aplikacije
Naravno, aerodinamika je primjenjiva ne samo na avione. Otpor zraka osjećaju svi objekti koji se kreću u prostoru u plinovitom i tekućem mediju. Poznato je da vodeni stanovnici - ribe i sisari - imaju aerodinamične oblike. Na njihovom primjeru možete pratiti aerodinamiku u akciji. Fokusirajući se na životinjski svijet, ljudi također prave vodni transport šiljastim ili u obliku suze. Ovo se odnosi na brodove, čamce, podmornice.
Vozila imaju značajan otpor zraka: on se povećava kako se brzina povećava. Da bi se postigla bolja aerodinamika, automobilima se daje aerodinamičan oblik. Ovo posebno važi za sportske automobile.
