Aerodynamica is de studie van de wisselwerking tussen gassen en bewegende lichamen. Omdat het gas dat we het meest tegenkomen lucht is, houdt de aërodynamica zich voornamelijk bezig met de luchtweerstand en de liftkracht, die worden veroorzaakt door lucht die over en rond vaste lichamen stroomt. Ingenieurs passen de principes van de aërodynamica toe bij het ontwerpen van veel verschillende dingen, waaronder gebouwen, bruggen en zelfs voetballen; van primair belang is echter de aërodynamica van vliegtuigen en auto’s.
Aerodynamica komt om de hoek kijken bij de studie van de vlucht en de wetenschap van het bouwen en gebruiken van een vliegtuig, dat aeronautica wordt genoemd. Luchtvaartingenieurs gebruiken de grondbeginselen van de aërodynamica om vliegtuigen te ontwerpen die door de atmosfeer van de aarde vliegen.
Luchtweerstand
De belangrijkste aërodynamische kracht die van toepassing is op bijna alles wat zich door de lucht beweegt, is luchtweerstand. Luchtweerstand is de kracht die de beweging van een vliegtuig door de lucht tegenwerkt, aldus NASA. De luchtweerstand ontstaat in de richting waarin de lucht beweegt wanneer deze een vast voorwerp tegenkomt. In de meeste gevallen, zoals in auto’s en vliegtuigen, is luchtweerstand ongewenst omdat het kracht kost om deze te overwinnen. Er zijn echter gevallen waarin luchtweerstand gunstig is, zoals bij parachutes.
Om de mate van weerstand van een voorwerp te beschrijven, gebruiken we een waarde die de weerstandscoëfficiënt (cd) wordt genoemd. Dit getal hangt niet alleen af van de vorm van het voorwerp, maar ook van andere factoren, zoals de snelheid en de ruwheid van het oppervlak, de dichtheid van de lucht en of de stroming laminair (vloeiend) of turbulent is. Krachten die de weerstand beïnvloeden zijn onder andere de luchtdruk tegen de voorkant van het voorwerp, de wrijving langs de zijkanten van het voorwerp en de relatief negatieve druk, of zuigkracht, op de achterkant van het voorwerp. Zo is de cd voor een vlakke plaat die frontaal door de lucht beweegt ongeveer 1,3, voor een kubus die frontaal beweegt ongeveer 1, voor een bol ongeveer 0,5 en voor een traanvorm ongeveer 0,05. De weerstandscoëfficiënt voor moderne auto’s is 0,25 tot 0,35, en voor vliegtuigen 0,01 tot 0,03. Het berekenen van cd kan ingewikkeld zijn. Daarom wordt hij meestal bepaald door computersimulaties of windtunnelproeven.
Aerodynamica van vliegtuigen
Om de luchtweerstand te overwinnen, moet een vliegtuig stuwkracht genereren. Dit wordt bereikt met een door een motor aangedreven propeller of een straalmotor. Als het vliegtuig vlak vliegt met een constante snelheid, is de kracht van de stuwkracht net voldoende om de luchtweerstand tegen te gaan.
Verplaatsende lucht kan ook krachten opwekken in een andere richting dan de stroming. De kracht die ervoor zorgt dat een vliegtuig niet valt, wordt lift genoemd. Lift wordt opgewekt door een vliegtuigvleugel. Het pad over de gebogen bovenkant van een vleugel is langer dan het pad langs de vlakke onderkant van de vleugel. Hierdoor beweegt de lucht sneller over de bovenkant dan langs de onderkant. Als alle andere factoren gelijk zijn, heeft sneller bewegende lucht een lagere druk dan langzamer bewegende lucht, volgens het principe van Bernoulli, opgesteld door Daniel Bernoulli, een van de belangrijkste pioniers op het gebied van de vloeistofdynamica. Door dit verschil kan de langzamer bewegende lucht met grotere kracht tegen de onderkant van de vleugel omhoog duwen dan de sneller bewegende lucht tegen de bovenkant van de vleugel omlaag duwt. In een horizontale vlucht is deze opwaartse kracht net voldoende om de neerwaartse kracht, veroorzaakt door de zwaartekracht, tegen te gaan.
Aerodynamische krachten worden ook gebruikt om een vliegtuig tijdens de vlucht te besturen. Toen de gebroeders Wright in 1903 hun eerste vlucht maakten, hadden zij een manier nodig om hun vliegtuig te besturen zodat het kon klimmen, dalen, overhellen en draaien. Zij ontwikkelden wat bekend staat als drie-assige besturing voor pitch, roll en yaw. De neusstand (neus die omhoog of omlaag wijst) wordt geregeld door een hoogteroer (de “flaps”) aan de achterkant of de achterrand van het horizontale stabilo in de staartsectie. Roll (naar links of rechts neigen) wordt geregeld door ailerons (ook flaps) aan de achterranden van de vleugels bij de vleugeltips. Yaw (naar links of rechts wijzen van de neus) wordt bestuurd door het richtingsroer aan de achterrand van het verticale stabilo in de staartsectie. Deze besturingen maken gebruik van de derde bewegingswet van Newton, omdat zij kracht opwekken door de luchtstroom in de tegenovergestelde richting van de gewenste beweging te doen afbuigen. Deze kracht is ook wat stuntvliegtuigen in staat stelt ondersteboven te vliegen.
Een piloot kan tijdens het opstijgen en landen ook flaps gebruiken aan de binnenzijde van de achterrand van de vleugel. In de neerwaartse stand verhogen flaps zowel de lift als de weerstand, zodat het vliegtuig langzamer kan vliegen zonder af te slaan. Sommige grotere vliegtuigen kunnen ook lamellen aan de voor- of voorrand van de vleugels uitschuiven om de lift bij lage snelheden te vergroten.
Wanneer de soepele luchtstroom over de vleugel van een vliegtuig wordt verstoord en dit de hoeveelheid lift vermindert, kan een overtrek optreden. Volgens het “Airplane Flying Handbook” van de Federal Aviation Administration: “Dit wordt veroorzaakt wanneer de vleugel zijn kritieke invalshoek overschrijdt. Dit kan gebeuren bij elke luchtsnelheid, in elke stand en met elke vermogensstand.” Over het algemeen treedt een overtrek op wanneer een vliegtuig te langzaam beweegt met de neus onder een te grote opwaartse hoek. De lucht stroomt niet langer langs het bovenoppervlak, maar breekt in plaats daarvan af en vormt turbulente wervelingen bovenop de vleugel. Hierdoor verliest het vliegtuig lift en begint te vallen, soms nogal abrupt.
Een ander ding dat kan gebeuren in een vliegtuig is een spin. Het Airplane Flying Handbook definieert een spin als “een verergerde overtrek die resulteert in wat wordt genoemd ‘autorotatie’ waarbij het vliegtuig een neerwaartse kurkentrekkerbaan volgt.” Dit gebeurt meestal in een langzame bocht wanneer de langzamere binnenvleugel afslaat, en de buitenvleugel nog steeds lift genereert. “Vooral op lage hoogte kan een succesvol herstel van de spin bij veel vliegtuigen moeilijk, zo niet onmogelijk zijn,” aldus Scot Campbell, een doctoraalkandidaat in Lucht- en Ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en Donald Talleur, een assistent-hoofdinstructeur aan de Universiteit van Illinois Institute of Aviation, die schrijven in “The Aerodynamics of a Spin,” voor de Canadian Owners and Pilots Association. Een van de redenen hiervoor is het gevaar van een vlakke spin, waarbij beide vleugels en alle stuurvlakken tot stilstand komen en het vliegtuig valt als een zaadje van een esdoornboom.
Aerodynamica van auto’s
Auto’s maakten in het begin van hun geschiedenis gebruik van aerodynamische carrosserievormen. Toen de motoren krachtiger werden en de auto’s sneller, realiseerden de auto-ingenieurs zich dat de windweerstand hun snelheid aanzienlijk belemmerde. De eerste auto’s die verbeterde aërodynamica, of stroomlijning, gebruikten waren raceauto’s en auto’s die probeerden het landsnelheidsrecord te breken.
“Dromers, ingenieurs, racers en ondernemers werden gelokt door het potentieel voor de grote winst die aerodynamica te bieden had,” schreef Paul Niedermeyer, auteur van “Automotive History: An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics,” op de website Curbside Classic. “De inspanningen om dit te doen leverden enkele van de meest opmerkelijke auto’s ooit gemaakt op, zelfs als ze de esthetische veronderstellingen van hun tijd uitdaagden.”
Met betrekking tot de aerodynamica van een raceauto, Dr. Joe David, hoogleraar werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek, en bekend als “Mr. Stock Car” aan de North Carolina State University: “Het grootste deel van de paardenkracht die een racemotor genereert, wordt opgeslokt door de hogedruklucht die de voorkant van de auto voortstuwt en de lagedruklucht – een gedeeltelijk vacuüm – die van achteren aan de auto trekt.”
Hoewel luchtweerstand niet de enige overweging kan zijn. Terwijl lift wenselijk is voor een vliegtuig, kan het gevaarlijk zijn voor een auto. Om beter te kunnen sturen en remmen, zijn auto’s zo ontworpen dat de wind een neerwaartse kracht uitoefent naarmate de snelheid toeneemt. Toenemende neerwaartse kracht verhoogt echter de luchtweerstand, die op zijn beurt het brandstofverbruik verhoogt en de snelheid beperkt, zodat deze twee krachten zorgvuldig moeten worden gebalanceerd.
Veel klassen raceauto’s gebruiken beweegbare vleugels om de neerwaartse kracht van de lucht op de auto aan te passen. Bij het afstellen van een race-auto moet ook rekening worden gehouden met turbulentie veroorzaakt door andere auto’s op de baan. Dit betekent dat de draagvleugels van de auto zodanig moeten worden afgesteld dat tijdens de race een grotere neerwaartse kracht op de auto wordt uitgeoefend dan nodig is voor de kwalificatie wanneer de auto alleen op de baan is. Dit is de reden waarom de rondetijden tijdens de kwalificatie meestal veel sneller zijn dan tijdens de race.
Veel van de aerodynamische principes die in de racerij worden gebruikt, zijn ook van toepassing op gewone auto’s en vrachtwagens. Autotechnici gebruiken computersimulaties en windtunnelproeven met schaalmodellen en echte auto’s om de aerodynamica van auto’s zo af te stellen dat ze de optimale neerwaartse kracht naar de voor- en achterwielen genereren met zo min mogelijk luchtweerstand.
Extra bronnen
- Zie een galerij van een aantal echt coole gestroomlijnde auto’s op Curbside Classic’s Illustrated History of Automotive Aerodynamics.
- De website van het Smithsonian National Air and Space Museum heeft activiteiten en multimediaprojecten over “How Things Fly.”
- Met een experiment op de website Instructables kun je de luchtweerstandcoëfficiënt van je auto meten.
Recent news