Aerodynamiikka on osaamisala, joka tutkii ilmavirtojen liikkeitä ja niiden vaikutuksia kiinteisiin kappaleisiin. Se on hydro- ja kaasudynamiikan alaosasto. Tämän alueen tutkimus juontaa juurensa muinaisista ajoista, nuolien ja suunnittelukeihäiden keksimisen aikaan, mikä mahdollisti ammuksen lähettämisen pidemmälle ja tarkemmin kohteeseen. Aerodynamiikan mahdollisuudet paljastettiin kuitenkin täysin ilmaa raskaampien ajoneuvojen keksimisen myötä, jotka pystyvät lentämään tai liukumaan pitkiä matkoja.
Muinaisista ajoista lähtien
Aerodynamiikan lakien löytäminen 1900-luvulla vaikutti fantastiseen harppaukseen monilla tieteen ja teknologian aloilla, erityisesti kuljetusalalla. Sen saavutuksiin perustuen on luotu nykyaikaisia lentokoneita, jotka mahdollistivat käytännössä minkä tahansa maapallon kulman saattamisen yleisön ulottuville.
Ensimmäinen maininta yrityksestä valloittaa taivas löytyy kreikkalaisesta myytistä Ikaruksesta ja Daidalosta. Isä ja poika rakensivat linnunomaiset siivet. Tämä osoittaa, että tuhansia vuosia sitten ihmiset ajattelivat mahdollisuutta päästä irti maasta.
Toinen nousukiinnostus lentokoneiden rakentamiseen heräsi renessanssin aikana. Intohimoinen tutkija Leonardo da Vinci omisti paljon aikaa tälle ongelmalle. Hänen muistiinpanonsa tunnetaan, ja ne selittävät yksinkertaisimman helikopterin toimintaperiaatteet.
Uusi aikakausi
Maailmanlaajuisen läpimurron tieteessä (ja erityisesti ilmailussa) teki Isaac Newton. Loppujen lopuksi aerodynamiikan perusta on kattava mekaniikkatiede, jonka perustaja oli englantilainen tiedemies. Newton oli ensimmäinen, joka piti ilmaväliainetta hiukkasten ryhmittymänä, joka joutuessaan esteeseen joko tarttuu siihen tai heijastuu elastisesti. Vuonna 1726 hän esitteli ilmanvastuksen teorian yleisölle.
Myöhemmin kävi ilmi, että ympäristö todella koostuu pienimmistä hiukkasista - molekyyleistä. He oppivat laskemaan ilman heijastavuuden melko tarkasti, ja "tarttuva" vaikutus pidettiin kestämättömänä oletuksena.
Yllättäen tälle teorialle löydettiin käytännön sovellus vuosisatoja myöhemmin. 60-luvulla, avaruusajan kynnyksellä, neuvostosuunnittelijat kohtasivat ongelman laskea "tylpäiden" pallomaisten laskeutumisajoneuvojen aerodynaaminen vastus, jotka kehittävät hypersonic-nopeuksia laskeutuessaan. Tehokkaiden tietokoneiden puutteen vuoksi tämän indikaattorin laskeminen oli ongelmallista. Yllättäen kävi ilmi, että on mahdollista laskea tarkasti vastusarvo ja jopa paineen jakautuminen etuosan yli käyttämällä Newtonin yksinkertaista kaavaa koskien hiukkasten "kiinnittymisen" vaikutusta lentävään esineeseen.
Aerodynamiikan kehittäminen
PerustajaHydrodynamiikka Daniel Bernoulli kuvasi vuonna 1738 kokoonpuristumattoman virtauksen paineen, tiheyden ja nopeuden välisen perustavanlaatuisen suhteen, joka tunnetaan nykyään Bernoullin periaatteena, jota voidaan soveltaa myös aerodynaamisen noston laskemiseen. Vuonna 1799 Sir George Cayleystä tuli ensimmäinen henkilö, joka tunnisti neljä lennon aerodynaamista voimaa (paino, nosto, vastus ja työntövoima) ja niiden väliset suhteet.
Vuonna 1871 Francis Herbert Wenham loi ensimmäisen tuulitunnelin mittaamaan tarkasti aerodynaamiset voimat. Jean Le Rond d'Alembertin, Gustav Kirchhoffin ja Lord Rayleighin kehittämiä korvaamattomia tieteellisiä teorioita. Vuonna 1889 ranskalaisesta ilmailuinsinööristä Charles Renardista tuli ensimmäinen henkilö, joka laski tieteellisesti jatkuvaan lentoon tarvittavan tehon.
Teoriasta käytäntöön
1800-luvulla keksijät tarkastelivat siipeä tieteellisestä näkökulmasta. Ja lintujen lentomekanismin tutkimuksen ansiosta tutkittiin aerodynamiikkaa toiminnassa, jota myöhemmin sovellettiin keinotekoisiin lentokoneisiin.
Otto Lilienthal menestyi erityisesti siipien mekaniikan tutkimuksessa. Saksalainen lentokonesuunnittelija loi ja testasi 11 tyyppistä purjelentokonetta, mukaan lukien kaksitasoinen. Hän teki myös ensimmäisen lennon ilmaa raskaammalla laitteella. Suhteellisen lyhyen elämän (46 vuotta) aikana hän teki noin 2000 lentoa jatkuvasti parantaen suunnittelua, joka oli enemmän riippuliito kuin lentokone. Hän kuoli seuraavan lennon aikana 10. elokuuta 1896 ja hänestä tuli pioneeriilmailu ja ensimmäinen lento-onnettomuuden uhri. Muuten, saksalainen keksijä luovutti henkilökohtaisesti yhden purjelentokoneista Nikolai Jegorovitš Žukovskille, lentokoneiden aerodynamiikan tutkimuksen edelläkävijälle.
Žukovski ei vain kokeillut lentokoneiden suunnittelua. Toisin kuin monet tuon ajan harrastajat, hän tarkasteli ilmavirtojen käyttäytymistä ensisijaisesti tieteellisestä näkökulmasta. Vuonna 1904 hän perusti maailman ensimmäisen aerodynaamisen instituutin Moskovan lähellä sijaitsevaan Cachinoon. Vuodesta 1918 hän johti TsAGI:ta (Central Aerohydrodynamic Institute).
Ensimmäiset koneet
Aerodynamiikka on tiedettä, jonka avulla ihminen pystyi valloittamaan taivaan. Ilman sen tutkimista olisi mahdotonta rakentaa ilmavirroissa vakaasti liikkuvia lentokoneita. Ensimmäisen lentokoneen tavallisessa merkityksessämme valmistivat ja nostivat ilmaan 7. joulukuuta 1903 Wrightin veljesten toimesta. Tätä tapahtumaa edelsi kuitenkin huolellinen teoreettinen työ. Amerikkalaiset käyttivät paljon aikaa lentokoneen rungon suunnittelun virheenkorjaukseen oman suunnittelemansa tuulitunnelissa.
Ensimmäisten lentojen aikana Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta ja Nikolai Zhukovsky esittivät teorioita, jotka selittivät nostoa aiheuttavien ilmavirtojen kierron. Kutta ja Žukovski jatkoivat siiven kaksiulotteisen teorian kehittämistä. Ludwig Prandtlin ansiota on hienovaraisten aerodynaamisten ja nostovoimien matemaattisen teorian kehittäjä sekä rajakerrosten käsittely.
Ongelmia ja ratkaisuja
Lentokoneiden aerodynamiikan merkitys kasvoi niiden nopeuksien kasvaessa. Suunnittelijat alkoivat törmätä ongelmiin ilman puristamisessa äänen nopeudella tai lähellä sitä. Virtauserot näissä olosuhteissa ovat johtaneet lentokoneiden käsittelyongelmiin, painea altojen aiheuttamaan lisääntyneeseen vastukseen ja aeroelastisen lepatuksen aiheuttamaan rakenteelliseen vaurioitumiseen. Virtausnopeuden suhdetta äänen nopeuteen kutsuttiin Mach-luvuksi Ernst Machin mukaan, joka oli yksi ensimmäisistä, joka tutki yliäänivirran ominaisuuksia.
William John McQuorn Rankine ja Pierre Henri Gougoniot kehittivät itsenäisesti teorian ilman virtausominaisuuksista ennen ja jälkeen paineaallon, kun taas Jacob Akeret teki alkutyön laskeakseen yliäänisten kantosiippien nostovoiman ja vastuksen. Theodor von Karman ja Hugh Latimer Dryden loivat termin "transonic" kuvaamaan nopeuksia Mach 1 -rajalla (965-1236 km/h), kun vastus kasvaa nopeasti. Ensimmäinen äänivalli rikottiin vuonna 1947 Bell X-1 -lentokoneella.
Pääominaisuudet
Aerodynamiikan lakien mukaan minkä tahansa laitteen lennon varmistamiseksi maan ilmakehässä on tärkeää tietää:
- Aerodynaaminen vastus (X-akseli), jonka ilmavirrat kohdistavat kohteeseen. Tämän parametrin perusteella valitaan voimalaitoksen teho.
- Nostovoima (Y-akseli), joka tarjoaa nousun ja mahdollistaa laitteen lentää vaakasuunnassa maan pinnalle.
- Aerodynaamisten voimien hetket kolmella koordinaattiakselilla, jotka vaikuttavat lentävään esineeseen. tärkeinon Z-akselin (Mz) sivuttaisvoiman momentti, joka on suunnattu lentokoneen poikki (ehdollisesti siipilinjaa pitkin). Se määrittää pitkittäisen vakauden asteen (sukeltaako laite vai nostaako nenänsä ylös lentäessään).
Luokittelu
Aerodynaaminen suorituskyky luokitellaan ilmavirran olosuhteiden ja ominaisuuksien mukaan, mukaan lukien nopeus, kokoonpuristuvuus ja viskositeetti. Ulkoinen aerodynamiikka tutkii virtausta erimuotoisten kiinteiden esineiden ympärillä. Esimerkkejä ovat lentokoneen nostovoiman ja tärinän sekä ohjuksen nokan eteen muodostuvien shokkia altojen arvioiminen.
Sisäinen aerodynamiikka tutkii ilmavirran liikkumista kiinteiden esineiden aukkojen (käytävien) läpi. Se kattaa esimerkiksi suihkumoottorin läpi kulkevien virtausten tutkimuksen.
Aerodynaaminen suorituskyky voidaan luokitella myös virtausnopeuden mukaan:
- Subsonic kutsutaan nopeudeksi, joka on pienempi kuin äänen nopeus.
- Transonic (transonic) - jos nopeuksia on sekä äänen nopeuden ala- että yläpuolella.
- Superääninen - kun virtausnopeus on suurempi kuin äänen nopeus.
- Hypersonic - virtausnopeus on paljon suurempi kuin äänen nopeus. Yleensä tämä määritelmä tarkoittaa nopeuksia, joiden Mach-luvut ovat yli 5.
Helikopterin aerodynamiikka
Jos lentokoneen lennon periaate perustuu nostovoimaan siipiin kohdistuvan translaatioliikkeen aikana, niin helikopteri ikään kuin itse luo nostovoimaa siipien pyörimisen vuoksi aksiaalisessa puhallustilassa (eli ilman translaationopeutta). KiitoksetTämän ominaisuuden ansiosta helikopteri voi leijua ilmassa paikallaan ja suorittaa energisiä liikkeitä akselin ympäri.
Muut sovellukset
Aerodynamiikkaa ei luonnollisesti voida soveltaa vain lentokoneisiin. Ilmanvastusta kokevat kaikki esineet, jotka liikkuvat avaruudessa kaasussa ja nestemäisessä väliaineessa. Tiedetään, että vesieliöillä - kaloilla ja nisäkkäillä - on virtaviivainen muoto. Heidän esimerkissään voit seurata aerodynamiikkaa toiminnassa. Eläinmaailmaan keskittyen ihmiset tekevät myös vesiliikenteestä terävän tai pisaran muotoisen. Tämä koskee aluksia, veneitä ja sukellusveneitä.
Ajoneuvoissa on merkittävä ilmanvastus: se kasvaa nopeuden kasvaessa. Paremman aerodynamiikan saavuttamiseksi autoille annetaan virtaviivainen muoto. Tämä pätee erityisesti urheiluautoihin.
