Aerodinamica este un domeniu de cunoștințe care studiază mișcarea fluxurilor de aer și efectele acestora asupra corpurilor solide. Este o subsecțiune a dinamicii hidro și gazelor. Cercetările în acest domeniu datează din cele mai vechi timpuri, de pe vremea inventării săgeților și a sulițelor de planificare, care au făcut posibilă trimiterea unui proiectil mai departe și mai precis către o țintă. Cu toate acestea, potențialul aerodinamicii a fost dezvăluit pe deplin odată cu inventarea vehiculelor mai grele decât aerul, capabile să zboare sau să planeze pe distanțe considerabile.
Din cele mai vechi timpuri
Descoperirea legilor aerodinamicii în secolul XX a contribuit la un s alt fantastic în multe domenii ale științei și tehnologiei, în special în sectorul transporturilor. Pe baza realizărilor sale, au fost create avioane moderne, ceea ce a făcut posibil ca aproape orice colț al planetei Pământ să fie accesibil publicului.
Prima mențiune a unei încercări de cucerire a cerului se găsește în mitul grecesc al lui Icar și Daedalus. Tatăl și fiul și-au construit aripi asemănătoare unei păsări. Acest lucru indică faptul că cu mii de ani în urmă oamenii s-au gândit la posibilitatea de a decola.
O altă creștereinteresul pentru construcția de avioane a apărut în timpul Renașterii. Cercetătorul pasionat Leonardo da Vinci a dedicat mult timp acestei probleme. Sunt cunoscute notițele sale, care explică principiile de funcționare a celui mai simplu elicopter.
Eră nouă
Descoperirea globală în știință (și în special în aeronautică) a fost făcută de Isaac Newton. La urma urmei, baza aerodinamicii este o știință cuprinzătoare a mecanicii, al cărei fondator a fost un om de știință englez. Newton a fost primul care a considerat mediul de aer ca un conglomerat de particule care, întâmpinând un obstacol, fie se lipesc de acesta, fie sunt reflectate elastic. În 1726, el a prezentat publicului teoria rezistenței aerului.
Ulterior, s-a dovedit că mediul constă într-adevăr din cele mai mici particule - molecule. Ei au învățat cum să calculeze reflectivitatea aerului destul de precis, iar efectul de „lipire” a fost considerat o presupunere insuportabilă.
În mod surprinzător, această teorie și-a găsit aplicare practică secole mai târziu. În anii 60, în zorii erei spațiale, designerii sovietici s-au confruntat cu problema calculării rezistenței aerodinamice a vehiculelor de coborâre cu o formă sferică „toncită”, care dezvoltă viteze hipersonice la aterizare. Din cauza lipsei de computere puternice, calcularea acestui indicator a fost problematică. În mod neașteptat, s-a dovedit că este posibil să se calculeze cu precizie valoarea rezistenței și chiar distribuția presiunii pe partea frontală folosind formula simplă a lui Newton privind efectul de „lipire” a particulelor de un obiect zburător.
Dezvoltarea aerodinamicii
FondatorHidrodinamistul Daniel Bernoulli a descris în 1738 relația fundamentală dintre presiune, densitate și viteză pentru curgerea incompresibilă, cunoscută astăzi ca principiul lui Bernoulli, care este, de asemenea, aplicabil calculelor de suspensie aerodinamică. În 1799, Sir George Cayley a devenit prima persoană care a identificat cele patru forțe aerodinamice ale zborului (greutate, portanță, tracțiune și tracțiune) și relațiile dintre ele.
În 1871, Francis Herbert Wenham a creat primul tunel de vânt pentru a măsura cu precizie forțele aerodinamice. Teorii științifice de neprețuit dezvoltate de Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. În 1889, Charles Renard, un inginer aeronautic francez, a devenit prima persoană care a calculat științific puterea necesară pentru un zbor susținut.
De la teorie la practică
În secolul al XIX-lea, inventatorii priveau aripa din punct de vedere științific. Și datorită studiului mecanismului zborului păsărilor, a fost studiată aerodinamica în acțiune, care a fost ulterior aplicată aeronavelor artificiale.
Otto Lilienthal a excelat în special în cercetarea mecanicii aripilor. Designerul german de avioane a creat și testat 11 tipuri de planoare, inclusiv un biplan. De asemenea, a făcut primul zbor cu un aparat mai greu decât aerul. Pentru o viață relativ scurtă (46 de ani), a făcut aproximativ 2000 de zboruri, îmbunătățind constant designul, care semăna mai mult cu un deltaplan decât cu un avion. A murit în timpul următorului zbor pe 10 august 1896, devenind un pionieraeronautică și prima victimă a unui accident de avion. Apropo, inventatorul german i-a predat personal unul dintre planoare lui Nikolai Yegorovici Jukovski, un pionier în studiul aerodinamicii aeronavelor.
Zhukovsky nu a experimentat doar modele de aeronave. Spre deosebire de mulți entuziaști din acea vreme, el a luat în considerare în primul rând comportamentul curenților de aer din punct de vedere științific. În 1904 a fondat primul institut de aerodinamică din lume la Cachino, lângă Moscova. Din 1918, a condus TsAGI (Institutul Central Aerohidrodinamic).
Primele avioane
Aerodinamica este știința care a permis omului să cucerească cerul. Fără a-l studia, ar fi imposibil să construiești aeronave care se mișcă stabil în curenții de aer. Prima aeronavă în sensul nostru obișnuit a fost făcută și ridicată în aer pe 7 decembrie 1903 de către frații Wright. Cu toate acestea, acest eveniment a fost precedat de o muncă teoretică atentă. Americanii au dedicat mult timp depanării designului celulei aeronavei într-un tunel de vânt cu design propriu.
În timpul primelor zboruri, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta și Nikolai Zhukovsky au prezentat teorii care explicau circulația curenților de aer care creează portanță. Kutta și Jukovski au continuat să dezvolte o teorie bidimensională a aripii. Ludwig Prandtl este creditat cu dezvoltarea teoriei matematice a forțelor aerodinamice subtile și a forțelor de ridicare, precum și a lucrat cu straturi limită.
Probleme și soluții
Importanța aerodinamicii aeronavelor a crescut pe măsură ce viteza lor creștea. Designerii au început să întâmpine probleme cu comprimarea aerului la sau aproape de viteza sunetului. Diferențele de flux în aceste condiții au condus la probleme de manipulare a aeronavei, rezistență crescută din cauza undelor de șoc și amenințarea defecțiunii structurale din cauza flutterului aeroelastic. Raportul dintre viteza curgerii și viteza sunetului a fost numit numărul Mach după Ernst Mach, care a fost unul dintre primii care a investigat proprietățile curgerii supersonice.
William John McQuorn Rankine și Pierre Henri Gougoniot au dezvoltat în mod independent teoria proprietăților fluxului de aer înainte și după o undă de șoc, în timp ce Jacob Akeret a făcut munca inițială de calculare a suspensiei și rezistenței aerodinamice supersonice. Theodor von Karman și Hugh Latimer Dryden au inventat termenul „transonic” pentru a descrie vitezele la granița Mach 1 (965-1236 km/h), când rezistența crește rapid. Prima barieră acustică a fost spartă în 1947 pe o aeronavă Bell X-1.
Funcții cheie
Conform legilor aerodinamicii, pentru a asigura zborul în atmosfera terestră a oricărui dispozitiv, este important să știți:
- Forța aerodinamică (axa X) exercitată de curenții de aer asupra unui obiect. Pe baza acestui parametru, este selectată puterea centralei electrice.
- Forța de ridicare (axa Y), care asigură urcarea și permite dispozitivului să zboare orizontal la suprafața pământului.
- Momente de forțe aerodinamice de-a lungul a trei axe de coordonate care acționează asupra unui obiect zburător. cel mai importanteste momentul forței laterale de-a lungul axei Z (Mz) direcționată peste aeronavă (condițional de-a lungul liniei aripii). Acesta determină gradul de stabilitate longitudinală (dacă dispozitivul se va „scufunda” sau își va ridica nasul în timpul zborului).
Clasificare
Performanța aerodinamică este clasificată în funcție de condițiile și proprietățile fluxului de aer, inclusiv de viteză, compresibilitate și vâscozitate. Aerodinamica externă este studiul curgerii în jurul obiectelor solide de diferite forme. Exemple sunt evaluarea portanței și vibrațiilor unei aeronave, precum și a undelor de șoc care se formează în fața nasului unei rachete.
Aerodinamica internă este studiul fluxului de aer care se deplasează prin deschideri (pasaje) în obiecte solide. De exemplu, acoperă studiul fluxurilor printr-un motor cu reacție.
Performanța aerodinamică poate fi, de asemenea, clasificată în funcție de viteza de curgere:
- Subsonic se numește o viteză mai mică decât viteza sunetului.
- Transonic (transonic) - dacă există viteze atât sub, cât și peste viteza sunetului.
- Supersonic - atunci când viteza fluxului este mai mare decât viteza sunetului.
- Hypersonic - viteza fluxului este mult mai mare decât viteza sunetului. De obicei, această definiție înseamnă viteze cu numere Mach peste 5.
Aerodinamica elicopterului
Dacă principiul zborului aeronavei se bazează pe forța de ridicare în timpul mișcării de translație exercitată asupra aripii, atunci elicopterul, așa cum spune, creează portanță de la sine datorită rotației palelor în modul de suflare axială (adică fără viteză de translaţie). MulțumităCu această caracteristică, elicopterul este capabil să plutească în aer și să efectueze manevre energice în jurul axei.
Alte aplicații
Bineînțeles, aerodinamica este aplicabilă nu numai aeronavelor. Rezistența aerului este experimentată de toate obiectele care se deplasează în spațiu într-un mediu gazos și lichid. Se știe că locuitorii acvatici - peștii și mamiferele - au forme raționalizate. Pe exemplul lor, puteți urmări aerodinamica în acțiune. Concentrându-se pe lumea animală, oamenii fac și transportul pe apă ascuțit sau în formă de lacrimă. Acest lucru se aplică navelor, bărcilor, submarinelor.
Vehiculele au o rezistență semnificativă la aer: crește pe măsură ce viteza crește. Pentru a obține o aerodinamică mai bună, mașinilor li se oferă o formă simplificată. Acest lucru este valabil mai ales pentru mașinile sport.
