Ta sila upora se pojavi pri letalih zaradi kril ali telesa dviga, ki preusmerja zrak, da povzroči dvig, in v avtomobilih z zračnimi krili, ki preusmerjajo zrak, da povzročijo tlačno silo. Samuel Langley je opazil, da imajo ploske plošče z višjim razmerjem stranic večji dvig in manjši upor in so bile predstavljene leta 1902. Brez izuma aerodinamične kakovosti letala bi bilo moderno oblikovanje letal nemogoče.
Dviganje in premikanje
Za skupno aerodinamično silo, ki deluje na telo, običajno velja, da je sestavljena iz dveh komponent: dviga in premika. Po definiciji se komponenta sile, ki je vzporedna s protitokom, imenuje premik, medtem ko komponenta, ki je pravokotna na nasprotni tok, se imenuje dvig.
Te osnove aerodinamike so velikega pomena za analizo aerodinamične kakovosti krila. Dvigalo nastane s spreminjanjem smeri toka okoli krila. Spremeni sesmer povzroči spremembo hitrosti (tudi če se hitrost ne spremeni, kot je vidno pri enakomernem krožnem gibanju), kar je pospešek. Zato je za spremembo smeri toka potrebna sila na tekočino. To je jasno vidno na vsakem letalu, samo poglejte shematski prikaz aerodinamične kakovosti An-2.
Vendar ni vse tako preprosto. Če nadaljujemo s temo aerodinamične kakovosti krila, velja omeniti, da je ustvarjanje zračnega dviga pod njim pri višjem tlaku kot zračni tlak nad njim. Na krilu s končnim razponom ta razlika tlaka povzroči, da zrak teče od korena spodnjega površinskega krila do dna njegove zgornje površine. Ta leteči zračni tok se združi s tekočim zrakom, da povzroči spremembo hitrosti in smeri, ki zasuka zračni tok in ustvari vrtince vzdolž zadnjega roba krila. Ustvarjeni vrtinci so nestabilni, hitro se združijo in nastanejo vrtinci kril. Nastali vrtinci spremenijo hitrost in smer zračnega toka za zadnjim robom, ga odklonijo navzdol in s tem povzročijo zavihek za krilom. S tega vidika ima na primer letalo MS-21 visoko stopnjo razmerja med dvigom in uporom.
Nadzor pretoka zraka
Vrtinci po drugi strani spremenijo zračni tok okoli krila in zmanjšajo sposobnost krila za ustvarjanje vzgona, zato zahteva večji vpadni kot za isto dviganje, kar nagne celotno aerodinamično silo nazaj in poveča komponento upora ta sila. Kotno odstopanje je zanemarljivovpliva na dvig. Vendar se upor poveča, ki je enak produktu dviga in kota, zaradi katerega odstopa. Ker je odklon sam po sebi funkcija dvigala, je dodatni upor sorazmeren s kotom vzpenjanja, kar je jasno vidno v aerodinamiki A320.
Zgodovinski primeri
Pravokotno planetarno krilo ustvarja več vrtinčnih tresljajev kot stožčasto ali eliptično krilo, zato je veliko sodobnih kril zoženih za izboljšanje razmerja med dvigom in uporom. Vendar pa je eliptični okvir letala učinkovitejši, saj je inducirano pranje (in s tem efektivni vpadni kot) konstanten po celotnem razponu kril. Zaradi proizvodnih zapletov ima le malo letal to obliko načrta, najbolj znana primera sta Spitfire iz druge svetovne vojne in Thunderbolt. Konična krila z ravnimi sprednjimi in zadnjimi robovi se lahko približajo eliptični porazdelitvi dviga. Splošno pravilo je, da ravna, nezožena krila proizvedejo 5 %, zožena krila pa 1-2 % več induciranega upora kot eliptično krilo. Zato imajo boljšo aerodinamično kakovost.
Sorazmernost
Krilo z visokim razmerjem stranic bo povzročilo manj induciranega upora kot krilo z nizkim razmerjem širine, ker je na konici daljšega, tanjšega krila manj zračnih motenj. Zato induciranaodpornost je lahko obratno sorazmerna sorazmernosti, ne glede na to, kako paradoksalno se sliši. Razporeditev dviga je mogoče spremeniti tudi z izpiranjem, zasukom krila naokoli, da se zmanjša padec proti krilom, in z menjavo aeroprofila v bližini kril. To vam omogoča, da dobite večji dvig bližje korenu krila in manj krilu, kar vodi do zmanjšanja moči vrtincev kril in s tem do izboljšanja aerodinamične kakovosti letala.
V zgodovini oblikovanja letal
Na nekaterih zgodnjih letalih so bile plavuti nameščene na konicah repa. Kasnejša letala imajo drugačno obliko kril, da zmanjšajo intenzivnost vrtincev in dosežejo največje razmerje med dvigom in uporom.
Rezervoarji za gorivo s strešnim rotorjem lahko zagotovijo tudi nekaj koristi s preprečevanjem kaotičnega pretoka zraka okoli krila. Zdaj se uporabljajo v številnih letalih. Aerodinamična kakovost DC-10 je v tem pogledu zasluženo veljala za revolucionarno. Vendar pa je sodoben letalski trg že dolgo napolnjen z veliko naprednejšimi modeli.
Formula povleci in povleci: razloženo preprosto
Za izračun skupne odpornosti je treba upoštevati tako imenovano parazitsko odpornost. Ker je inducirani upor obratno sorazmeren s kvadratom zračne hitrosti (pri danem dvigu), medtem ko je parazitski upor neposredno sorazmeren z njim, skupna krivulja upora prikazuje najmanjšo hitrost. letalo,leti s takšno hitrostjo, deluje z optimalnimi aerodinamičnimi lastnostmi. Po zgornjih enačbah se hitrost minimalnega upora pojavi pri hitrosti, pri kateri je inducirani upor enak parazitskemu uporu. To je hitrost, pri kateri je dosežen optimalni kot zdrsa za letala v prostem teku. Da ne bi bili neutemeljeni, razmislite o formuli na primeru letala:
Precej radovedno je tudi nadaljevanje formule (slika spodaj). Letenje višje, kjer je zrak redkejši, bo povečalo hitrost, pri kateri se pojavi minimalni upor, in s tem omogoča hitrejše potovanje pri enaki količini gorivo.
Če letalo leti z največjo dovoljeno hitrostjo, potem višina, na kateri mu bo gostota zraka zagotovila najboljšo aerodinamično kakovost. Optimalna višina pri največji hitrosti in optimalna hitrost pri največji višini se lahko med letom spremenita.
Vzdržljivost
Hitrost za maksimalno vzdržljivost (tj. čas v zraku) je hitrost za minimalno porabo goriva in manjšo hitrost za največji doseg. Poraba goriva se izračuna kot zmnožek zahtevane moči in specifične porabe goriva na motor (poraba goriva na enoto moči). Zahtevana moč je enaka času vlečenja.
Zgodovina
Razvoj sodobne aerodinamike se je začel šele v XVIIstoletja, toda aerodinamične sile so ljudje uporabljali že tisočletja v jadrnicah in mlinih na veter, podobe in zgodbe o letu pa se pojavljajo v vseh zgodovinskih dokumentih in umetniških delih, kot je starogrška legenda o Ikarju in Dedalu. Temeljni koncepti kontinuuma, upora in gradientov tlaka se pojavljajo v delu Aristotela in Arhimeda.
Leta 1726 je Sir Isaac Newton postal prva oseba, ki je razvila teorijo zračnega upora, zaradi česar je to eden prvih argumentov o aerodinamičnih lastnostih. Nizozemsko-švicarski matematik Daniel Bernoulli je leta 1738 napisal razpravo z naslovom Hydrodynamica, v kateri je opisal temeljno razmerje med tlakom, gostoto in hitrostjo toka za nestisljiv tok, danes znano kot Bernoullijev princip, ki zagotavlja eno metodo za izračun aerodinamičnega dviga. Leta 1757 je Leonhard Euler objavil splošnejše Eulerjeve enačbe, ki jih je mogoče uporabiti za stisljive in nestisljive tokove. Eulerjeve enačbe so bile razširjene na učinke viskoznosti v prvi polovici 1800-ih, kar je povzročilo Navier-Stokesove enačbe. Aerodinamična zmogljivost/aerodinamična kakovost polar je bila odkrita približno v istem času.
Na podlagi teh dogodkov in raziskav, opravljenih v lastnem vetrovniku, sta brata Wright 17. decembra 1903 poletela s prvim letalom.
Vrste aerodinamike
Aerodinamične težave so razvrščene glede na pogoje pretoka ali lastnosti pretoka, vključno z značilnostmi, kot so hitrost, stisljivost in viskoznost. Najpogosteje jih delimo na dve vrsti:
- Zunanja aerodinamika je študija toka okoli trdnih predmetov različnih oblik. Primeri zunanje aerodinamike so ocena dviga in upora na letalu ali udarni valovi, ki nastanejo pred nosom projektila.
- Notranja aerodinamika je študija pretoka skozi prehode v trdnih predmetih. Notranja aerodinamika na primer zajema preučevanje pretoka zraka skozi reaktivni motor ali skozi dimnik klimatske naprave.
Aerodinamične težave lahko razvrstimo tudi glede na hitrost pretoka pod ali blizu hitrosti zvoka.
Težava se imenuje:
- podzvočno, če so vse hitrosti v problemu manjše od hitrosti zvoka;
- transsonično, če so hitrosti pod in nad hitrostjo zvoka (običajno, ko je značilna hitrost približno enaka hitrosti zvoka);
- supersonic, ko je značilna hitrost pretoka večja od hitrosti zvoka;
- hiperzvočno, ko je hitrost pretoka veliko večja od hitrosti zvoka.
Aerodinamiki se ne strinjajo glede natančne definicije hiperzvočnega toka.
Učinek viskoznosti na pretok narekuje tretjo klasifikacijo. Nekatere težave imajo lahko le zelo majhne viskozne učinke, v tem primeru se lahko viskoznost šteje za zanemarljivo. Približki tem problemom se imenujejo neviskitokovi. Tokovi, pri katerih viskoznosti ni mogoče zanemariti, se imenujejo viskozni tokovi.
stisljivost
Nestisljivi tok je tok, pri katerem je gostota konstantna tako v času kot v prostoru. Čeprav so vse resnične tekočine stisljive, je pretok pogosto približen nestisljivim, če učinek spremembe gostote povzroči le majhne spremembe v izračunanih rezultatih. To je bolj verjetno, če je pretok precej pod hitrostjo zvoka. Učinki stisljivosti so pomembnejši pri hitrostih, ki so blizu ali višje od hitrosti zvoka. Machovo število se uporablja za oceno možnosti nestisljivosti, sicer je treba vključiti učinke stisljivosti.
V skladu s teorijo aerodinamike se tok šteje za stisljivega, če se gostota spreminja vzdolž toka. To pomeni, da se v nasprotju z nestisljivim tokom upoštevajo spremembe gostote. Na splošno je to v primeru, ko Machovo število dela ali celotnega toka presega 0,3, Machova vrednost 0,3 je precej poljubna, vendar se uporablja, ker ima tok plina pod to vrednostjo manj kot 5-odstotne spremembe gostote. Prav tako se največja sprememba gostote za 5 % pojavi na stagnacijski točki (točka na objektu, kjer je hitrost pretoka nič), medtem ko bo gostota okoli preostalega predmeta veliko manjša. Transsonični, nadzvočni in hiperzvočni tokovi so vsi stisljivi.
Sklep
Aerodinamika je danes ena najpomembnejših znanosti na svetu. Ona nam zagotavljaizdelava kakovostnih letal, ladij, avtomobilov in komičnih shuttleov. Ima veliko vlogo pri razvoju sodobnih vrst orožja - balističnih raket, ojačevalnikov, torpedov in dronov. Vse to bi bilo nemogoče, če ne bi bilo sodobnih naprednih konceptov aerodinamične kakovosti.
Tako so se ideje o temi članka spremenile od lepih, a naivnih fantazij o Icarusu, do funkcionalnih in res delujočih letal, ki so nastala na začetku prejšnjega stoletja. Danes si ne moremo predstavljati svojega življenja brez avtomobilov, ladij in letal in ta vozila se še naprej izboljšujejo z novimi preboji v aerodinamiki.
Aerodinamične lastnosti jadralnih letal so bile v svojem času pravi preboj. Sprva so bila vsa odkritja na tem področju narejena z abstraktnimi, včasih ločenimi od realnosti, teoretičnimi izračuni, ki so jih v svojih laboratorijih izvedli francoski in nemški matematiki. Kasneje so vse njihove formule uporabili za druge, bolj fantastične (po standardih 18. stoletja) namene, kot je izračun idealne oblike in hitrosti bodočih letal. V 19. stoletju so te naprave začeli graditi v velikih količinah, začenši z jadralnimi letali in zračnimi ladjami, Evropejci so postopoma prešli na gradnjo letal. Slednji so bili najprej uporabljeni izključno v vojaške namene. Asi prve svetovne vojne so pokazali, kako pomembno je vprašanje prevlade v zraku za vsako državo, inženirji medvojnega obdobja pa so odkrili, da so takšna letala učinkovita ne le za vojsko, ampak tudi za civiliste.cilji. Sčasoma je civilno letalstvo trdno vstopilo v naša življenja in danes nobena država ne more brez njega.
