Aerodinamika je področje znanja, ki preučuje gibanje zračnih tokov in njihove učinke na trdna telesa. Je pododdelek hidro- in plinske dinamike. Raziskave na tem področju segajo v antične čase, v čas izuma puščic in načrtovalnih sulic, ki so omogočale nadaljnje in natančnejše pošiljanje izstrelka v tarčo. Vendar pa se je potencial aerodinamike v celoti razkril z izumom vozil, težjih od zraka, ki lahko letijo ali drsijo na znatnih razdaljah.
Že od antičnih časov
Odkritje zakonov aerodinamike v 20. stoletju je prispevalo k fantastičnemu preskoku na številnih področjih znanosti in tehnologije, zlasti v prometnem sektorju. Na podlagi njegovih dosežkov so nastala sodobna letala, ki so omogočila, da je javnosti dostopen tako rekoč vsak kotiček planeta Zemlje.
Prva omemba poskusa osvojitve neba najdemo v grškem mitu o Ikarju in Dedalu. Oče in sin sta zgradila ptičja krila. To kaže, da so ljudje pred tisočletji razmišljali o možnosti, da bi se dvignili.
Še en valzanimanje za gradnjo letal se je pojavilo v času renesanse. Temu problemu je veliko časa posvetil strastni raziskovalec Leonardo da Vinci. Znani so njegovi zapiski, ki pojasnjujejo principe delovanja najpreprostejšega helikopterja.
Nova doba
Globalni preboj v znanosti (in zlasti v aeronavtiki) je naredil Isaac Newton. Konec koncev je osnova aerodinamike celovita znanost o mehaniki, katere ustanovitelj je bil angleški znanstvenik. Newton je bil prvi, ki je zračni medij obravnaval kot konglomerat delcev, ki se, ko naletijo na oviro, bodisi prilepijo nanj ali pa se elastično odbijejo. Leta 1726 je javnosti predstavil teorijo zračnega upora.
Pozneje se je izkazalo, da je okolje res sestavljeno iz najmanjših delcev - molekul. Naučili so se precej natančno izračunati odbojnost zraka, učinek »lepljenja« pa je veljal za nevzdržno predpostavko.
Presenetljivo je ta teorija našla praktično uporabo stoletja pozneje. V 60. letih, na zori vesoljske dobe, so se sovjetski oblikovalci soočili s problemom izračunavanja aerodinamičnega upora spuščajočih se vozil "tope" sferične oblike, ki ob pristanku razvijejo hiperzvočne hitrosti. Zaradi pomanjkanja zmogljivih računalnikov je bilo težko izračunati ta kazalnik. Nepričakovano se je izkazalo, da je mogoče natančno izračunati vrednost upora in celo porazdelitev tlaka po čelnem delu z uporabo Newtonove preproste formule glede učinka "lepljenja" delcev na leteči predmet.
Razvoj aerodinamike
UstanoviteljHidrodinamik Daniel Bernoulli je leta 1738 opisal temeljno razmerje med tlakom, gostoto in hitrostjo za nestisljiv tok, danes znano kot Bernoullijevo načelo, ki je uporabno tudi za izračune aerodinamičnega dviga. Leta 1799 je Sir George Cayley postal prva oseba, ki je identificirala štiri aerodinamične sile leta (teža, dvig, upor in potisk) in razmerja med njimi.
Leta 1871 je Francis Herbert Wenham ustvaril prvi vetrovnik za natančno merjenje aerodinamičnih sil. Neprecenljive znanstvene teorije, ki so jih razvili Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Leta 1889 je Charles Renard, francoski letalski inženir, postal prva oseba, ki je znanstveno izračunala moč, potrebno za dolgotrajen let.
Od teorije do prakse
V 19. stoletju so izumitelji gledali na krilo z znanstvenega vidika. In zahvaljujoč preučevanju mehanizma ptičjega leta je bila preučena aerodinamika v akciji, ki je bila kasneje uporabljena za umetna letala.
Otto Lilienthal se je odlikoval predvsem pri raziskavah mehanike kril. Nemški konstruktor letal je ustvaril in preizkusil 11 vrst jadralnih letal, vključno z dvokrilcem. Opravil je tudi prvi let na aparatu, težjem od zraka. Za relativno kratko življenje (46 let) je opravil okoli 2000 letov, pri čemer je nenehno izboljševal zasnovo, ki je bila bolj podobna zmaju kot letalu. Umrl je med naslednjim poletom 10. avgusta 1896, ko je postal pioniraeronavtike in prva žrtev letalske nesreče. Mimogrede, nemški izumitelj je eno od jadralnih letal osebno izročil Nikolaju Jegoroviču Žukovskemu, pioniru preučevanja aerodinamike letal.
Zhukovsky ni eksperimentiral le z zasnovo letal. Za razliko od mnogih navdušencev tistega časa je obnašanje zračnih tokov obravnaval predvsem z znanstvenega vidika. Leta 1904 je ustanovil prvi aerodinamični inštitut na svetu v Cachinu pri Moskvi. Od leta 1918 je vodil TsAGI (Centralni aerohidrodinamični inštitut).
Prva letala
Aerodinamika je znanost, ki je človeku omogočila, da osvoji nebo. Brez preučevanja bi bilo nemogoče zgraditi letala, ki se stabilno premikajo v zračnih tokovih. Prvo letalo v našem običajnem pomenu sta izdelala in dvignila v zrak 7. decembra 1903 brata Wright. Vendar je bilo pred tem dogodkom skrbno teoretično delo. Američani so veliko časa posvetili odpravljanju napak pri načrtovanju letala v vetrovniku po lastni zasnovi.
Med prvimi leti so Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta in Nikolai Zhukovsky predstavili teorije, ki pojasnjujejo kroženje zračnih tokov, ki ustvarjajo dvig. Kutta in Zhukovsky sta še naprej razvijala dvodimenzionalno teorijo krila. Ludwig Prandtl je zaslužen za razvoj matematične teorije subtilnih aerodinamičnih in dvižnih sil ter za delo z mejnimi plastmi.
Problemi in rešitve
Pomen aerodinamike letal je naraščal, ko se je povečala njihova hitrost. Oblikovalci so začeli naleteti na težave s stiskanjem zraka pri hitrosti zvoka ali blizu nje. Razlike v pretoku v teh pogojih so povzročile težave pri ravnanju z letalom, povečan upor zaradi udarnih valov in grožnjo strukturne okvare zaradi aeroelastičnega flutterja. Razmerje med hitrostjo toka in hitrostjo zvoka se je imenovalo Machovo število po Ernstu Machu, ki je bil eden prvih, ki je raziskoval lastnosti nadzvočnega toka.
William John McQuorn Rankine in Pierre Henri Gougoniot sta neodvisno razvila teorijo lastnosti zračnega toka pred in po udarnem valu, medtem ko je Jacob Akeret opravil začetno delo pri izračunu dviga in upora nadzvočnih zračnih profilov. Theodor von Karman in Hugh Latimer Dryden sta skovala izraz "transsonični" za opis hitrosti na meji 1 Mach (965-1236 km/h), ko upor hitro narašča. Prva zvočna ovira je bila prelomljena leta 1947 na letalu Bell X-1.
Ključne funkcije
V skladu z zakoni aerodinamike je za zagotovitev letenja v zemeljskem ozračju katere koli naprave pomembno vedeti:
- Aerodinamični upor (os X), ki ga povzročajo zračni tokovi na predmet. Na podlagi tega parametra se izbere moč elektrarne.
- Dvižna sila (Y-os), ki zagotavlja vzpenjanje in omogoča, da naprava vodoravno leti na površje zemlje.
- Momenti aerodinamičnih sil vzdolž treh koordinatnih osi, ki delujejo na leteči predmet. najbolj pomembnoje moment bočne sile vzdolž Z-osi (Mz), usmerjene čez letalo (pogojno vzdolž črte kril). Določa stopnjo vzdolžne stabilnosti (ali se bo naprava med letenjem "potopila" ali dvignila nos navzgor).
Razvrstitev
Aerodinamična zmogljivost je razvrščena glede na pogoje in lastnosti pretoka zraka, vključno s hitrostjo, stisljivostjo in viskoznostjo. Zunanja aerodinamika je študija toka okoli trdnih predmetov različnih oblik. Primeri so ocena dviga in tresljajev letala ter udarnih valov, ki nastanejo pred nosom projektila.
Notranja aerodinamika je študija zračnega toka, ki se premika skozi odprtine (prehode) v trdnih predmetih. Na primer, pokriva preučevanje tokov skozi reaktivni motor.
Aerodinamično zmogljivost je mogoče razvrstiti tudi glede na hitrost pretoka:
- Subsonic se imenuje hitrost, ki je manjša od hitrosti zvoka.
- Transonic (transonic) - če so hitrosti pod in nad hitrostjo zvoka.
- Supersonic - ko je hitrost pretoka večja od hitrosti zvoka.
- Hiperzvočna - hitrost pretoka je veliko večja od hitrosti zvoka. Običajno ta definicija pomeni hitrosti z Machovimi številkami nad 5.
Helikopterska aerodinamika
Če načelo leta zrakoplova temelji na dvižni sili med translatornim gibanjem, ki se izvaja na krilo, potem helikopter tako rekoč sam ustvarja dvig zaradi vrtenja lopatic v aksialnem načinu pihanja (torej brez hitrosti prevajanja). Zahvale gredoS to funkcijo lahko helikopter lebdi v zraku na mestu in izvaja energične manevre okoli osi.
Druge aplikacije
Seveda aerodinamika ni uporabna samo za letala. Zračni upor občutijo vsi predmeti, ki se gibljejo v prostoru v plinastem in tekočem mediju. Znano je, da imajo vodni prebivalci - ribe in sesalci - poenostavljene oblike. Na njihovem primeru lahko sledite aerodinamiki v akciji. Z osredotočanjem na živalski svet ljudje naredijo tudi vodni transport koničast ali kapljast. To velja za ladje, čolne, podmornice.
Vozila občutijo znaten zračni upor: povečuje se s povečanjem hitrosti. Da bi dosegli boljšo aerodinamiko, je avtomobilom dana poenostavljena oblika. To še posebej velja za športne avtomobile.
