Aerodynamika to nauka o tym, jak gazy oddziałują na poruszające się ciała. Ponieważ gazem, z którym stykamy się najczęściej jest powietrze, aerodynamika zajmuje się głównie siłami oporu i siły nośnej, które są powodowane przez powietrze przechodzące nad i wokół ciał stałych. Inżynierowie stosują zasady aerodynamiki w projektach wielu różnych rzeczy, w tym budynków, mostów, a nawet piłek do piłki nożnej; jednakże, głównym przedmiotem zainteresowania jest aerodynamika samolotów i samochodów.
Aerodynamika wchodzi w grę w badaniu lotu i nauki o budowie i obsłudze samolotu, która jest nazywana aeronautyką. Inżynierowie aeronautyki wykorzystują podstawy aerodynamiki do projektowania samolotów, które przelatują przez atmosferę ziemską.
Opór aerodynamiczny
Najbardziej znaczącą siłą aerodynamiczną, która odnosi się do prawie wszystkiego, co porusza się w powietrzu jest opór powietrza. Według NASA jest to siła, która przeciwstawia się ruchowi samolotu w powietrzu. Opór jest generowany w kierunku, w którym porusza się powietrze, gdy napotyka stały obiekt. W większości przypadków, takich jak w samochodach i samolotach, opór powietrza jest niepożądany, ponieważ do jego pokonania potrzebna jest moc. Istnieją jednak pewne przypadki, w których opór powietrza jest korzystny, jak na przykład w przypadku spadochronów.
Aby opisać wielkość oporu na obiekcie, używamy wartości zwanej współczynnikiem oporu (cd). Liczba ta zależy nie tylko od kształtu obiektu, ale także od innych czynników, takich jak jego prędkość i chropowatość powierzchni, gęstość powietrza i czy przepływ jest laminarny (gładki) czy turbulentny. Siły, które wpływają na opór powietrza to ciśnienie powietrza przy powierzchni czołowej obiektu, tarcie wzdłuż boków obiektu oraz względnie ujemne ciśnienie, lub ssanie, z tyłu obiektu. Na przykład, cd dla płaskiej płyty poruszającej się twarzą do przodu w powietrzu wynosi około 1,3, sześcianu z twarzą do przodu wynosi około 1, kuli wynosi około 0,5, a kształtu łezki około 0,05. Współczynnik oporu dla nowoczesnych samochodów wynosi od 0,25 do 0,35, a dla samolotów od 0,01 do 0,03. Obliczanie cd może być skomplikowane. Z tego powodu jest ono zwykle określane przez symulacje komputerowe lub eksperymenty w tunelu aerodynamicznym.
Aerodynamika samolotu
Aby pokonać siły oporu, samolot musi generować ciąg. Jest to osiągane za pomocą śmigła napędzanego silnikiem lub silnika odrzutowego. Kiedy samolot jest w locie poziomym ze stałą prędkością, siła ciągu jest wystarczająca, aby przeciwdziałać oporowi aerodynamicznemu.
Ruszające się powietrze może również generować siły w innym kierunku niż jego przepływ. Siła, która powstrzymuje samolot przed spadaniem nazywana jest siłą nośną. Siła nośna jest generowana przez skrzydło samolotu. Droga nad zakrzywioną górną częścią skrzydła jest dłuższa niż droga wzdłuż płaskiej dolnej części skrzydła. Powoduje to, że powietrze porusza się szybciej nad górną częścią skrzydła niż wzdłuż dolnej. Zgodnie z zasadą Bernoulliego, wypowiedzianą przez Daniela Bernoulliego, jednego z najważniejszych pionierów w dziedzinie dynamiki płynów, szybciej poruszające się powietrze ma niższe ciśnienie niż powietrze poruszające się wolniej. Różnica ta sprawia, że wolniej poruszające się powietrze napiera z większą siłą na dolną część skrzydła, niż szybciej poruszające się powietrze napiera na górną część skrzydła. W locie poziomym ta siła w górę jest wystarczająca, aby przeciwdziałać sile w dół spowodowanej przez grawitację.
Siły aerodynamiczne są również wykorzystywane do sterowania samolotem w locie. Kiedy bracia Wright wykonali swój pierwszy lot w 1903 roku, potrzebowali sposobu na kontrolowanie samolotu, aby mógł się wznosić, opadać, przechylać i skręcać. Opracowali tak zwane sterowanie trójosiowe, które obejmuje wychylenie, przechylenie i odchylenie. Pochylenie (nos skierowany w górę lub w dół) jest kontrolowane przez windę („klapy”) na tylnej lub spływowej krawędzi statecznika poziomego w części ogonowej. Roll (przechylenie w lewo lub w prawo) jest kontrolowany przez lotki (również klapy) na krawędziach spływu skrzydeł w pobliżu końcówek. Odchylenie (nos skierowany w lewo lub prawo) jest kontrolowane przez ster kierunku znajdujący się na spływowej krawędzi statecznika pionowego w części ogonowej. Te elementy sterujące wykorzystują trzecie prawo ruchu Newtona, ponieważ generują siłę poprzez odchylanie strumienia powietrza w kierunku przeciwnym do pożądanego ruchu. Siła ta jest również tym, co pozwala samolotom akrobacyjnym latać do góry nogami.
Pilot może również używać klap na wewnętrznej części krawędzi spływu skrzydła podczas startu i lądowania. W pozycji opuszczonej klapy zwiększają zarówno siłę nośną, jak i opór, co pozwala samolotowi lecieć wolniej bez przeciągnięcia. Niektóre większe samoloty mogą również wysuwać listwy na przednich lub wiodących krawędziach skrzydeł, aby zwiększyć siłę nośną przy niskich prędkościach.
Gdy płynny przepływ powietrza nad skrzydłem samolotu zostaje zakłócony, co zmniejsza siłę nośną, może dojść do przeciągnięcia. Zgodnie z podręcznikiem Federalnej Administracji Lotnictwa (Federal Aviation Administration’s Airplane Flying Handbook): „Jest to spowodowane przekroczeniem przez skrzydło krytycznego kąta natarcia. Może to nastąpić przy każdej prędkości lotu, w każdym położeniu, przy każdym ustawieniu mocy.” Zazwyczaj do przeciągnięcia dochodzi, gdy samolot porusza się zbyt wolno z nosem ustawionym pod zbyt dużym kątem do góry. Powietrze nie przepływa już wzdłuż górnej powierzchni, lecz odrywa się od niej i tworzy turbulentne zawirowania na górnej powierzchni skrzydła. To powoduje, że samolot traci siłę nośną i zaczyna opadać, czasami dość gwałtownie.
Inną rzeczą, która może się zdarzyć w samolocie jest obrót. Podręcznik do latania samolotem definiuje spin jako „zaostrzone przeciągnięcie, które skutkuje tak zwaną 'autorotacją', w której samolot podąża ścieżką korkociągu w dół”. Zwykle ma to miejsce podczas powolnego zakrętu, gdy wolniejsze skrzydło wewnętrzne przeciąga się, a skrzydło zewnętrzne nadal wytwarza siłę nośną. „Szczególnie na małych wysokościach, udane wyjście z zakrętu może być trudne, jeśli nie niemożliwe w wielu samolotach” – twierdzą Scot Campbell, doktorant inżynierii lotniczej na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign i Donald Talleur, asystent głównego instruktora lotów na Uniwersytecie Illinois Institute of Aviation, pisząc w „The Aerodynamics of a Spin” dla Canadian Owners and Pilots Association. Jednym z powodów jest niebezpieczeństwo wejścia w płaski spin, w którym oba skrzydła i wszystkie powierzchnie sterowe są zatrzymane, a samolot spada jak nasiono drzewa klonowego.
Aerodynamika samochodów
Automobile zaczęły używać aerodynamicznych kształtów nadwozia we wczesnej części swojej historii. W miarę jak silniki stawały się coraz mocniejsze, a samochody coraz szybsze, inżynierowie samochodowi zdawali sobie sprawę, że opór wiatru znacznie ogranicza ich prędkość. Pierwszymi samochodami, w których zastosowano ulepszoną aerodynamikę, czyli opływowość, były samochody wyścigowe i te, które próbowały pobić rekord prędkości na lądzie.
„Marzyciele, inżynierowie, kierowcy wyścigowi i przedsiębiorcy byli zwabieni potencjałem ogromnych korzyści, jakie oferowała aerodynamika” – napisał Paul Niedermeyer, autor książki „Automotive History: An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics”, na stronie Curbside Classic. „Wysiłki w tym kierunku zaowocowały jednymi z najbardziej niezwykłych samochodów, jakie kiedykolwiek powstały, nawet jeśli podważały one estetyczne założenia swoich czasów.”
W odniesieniu do aerodynamiki samochodu wyścigowego, Dr. Joe David, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej, znany jako „Mr. Stock Car” na North Carolina State University, powiedział: „Większość koni mechanicznych generowanych przez silnik wyścigowy jest zjadana przez powietrze o wysokim ciśnieniu, które pcha przód samochodu i powietrze o niskim ciśnieniu – częściowe podciśnienie – ciągnące samochód od tyłu.”
Jednakże opór powietrza nie może być jedynym czynnikiem. Podczas gdy unoszenie jest pożądane w samolocie, może być niebezpieczne dla samochodu. W celu zachowania lepszej kontroli nad układem kierowniczym i hamulcowym, samochody są projektowane tak, aby wiatr wywierał siłę skierowaną w dół wraz ze wzrostem ich prędkości. Jednakże, zwiększenie tej siły zwiększa opór powietrza, co z kolei zwiększa zużycie paliwa i ogranicza prędkość, więc te dwie siły muszą być starannie zrównoważone.
Wiele klas samochodów wyścigowych używa ruchomych skrzydełek, aby dostosować siłę powietrza skierowaną w dół na samochód. Ustawiając samochód wyścigowy, należy również wziąć pod uwagę turbulencje powodowane przez inne samochody na torze. Wymaga to ustawienia profili aerodynamicznych na bolidzie tak, by wytwarzały większą siłę opadania podczas wyścigu, niż jest to potrzebne podczas kwalifikacji, gdy bolid jest na torze sam. To dlatego czasy okrążeń podczas kwalifikacji są zazwyczaj dużo szybsze niż podczas wyścigu.
Wiele z tych samych zasad aerodynamiki stosowanych w wyścigach dotyczy również zwykłych samochodów osobowych i ciężarowych. Inżynierowie samochodowi używają symulacji komputerowych i eksperymentów w tunelu aerodynamicznym z modelami w skali i rzeczywistymi pojazdami, aby dostroić aerodynamikę samochodów tak, aby generowały optymalną ilość siły skierowanej w dół do przednich i tylnych kół przy jak najmniejszym oporze powietrza.
Dodatkowe zasoby
- Zobacz galerię kilku naprawdę fajnych opływowych samochodów w Curbside Classic’s Illustrated History of Automotive Aerodynamics.
- Strona Smithsonian National Air and Space Museum ma zajęcia i projekty multimedialne na temat „Jak rzeczy latają.”
- Pomierz współczynnik oporu własnego samochodu w eksperymencie na stronie Instructables.
Ostatnie wiadomości