Täällä maan päällä meillä on taipumus pitää ilmanvastusta (alias. ”Vedä”) itsestään selvänä. Oletetaan vain, että heitettäessä palloa, käynnistämällä lentokone, siirtämällä avaruusalusta tai ampumalla luoti aseesta, ilmakehän kautta kulkeva toiminta hidastaa sitä luonnollisesti. Mutta mikä syy tähän on? Kuinka ilma pystyy hidastamaan objektia, olipa se sitten putoamisessa vai lennossa?
Koska olemme riippuvaisia lentomatkoista, innostamme avaruustutkimuksesta ja rakastamme urheilua ja asioiden tekemistä ilmassa (mukaan lukien itseämme), ilmakestävyyden ymmärtäminen on avain fysiikan ymmärtämiseen ja erottamaton osa monia tieteellisiä aloja. Osana aladistsykliä, joka tunnetaan fluididynamiikkana, se koskee aerodynamiikan, hydrodynamiikan, astrofysiikan ja ydinfysiikan aloja (muutamia mainitakseni).
Määritelmä:
Ilmakestävyys kuvaa määritelmän mukaan voimia, jotka ovat vastakkaisia esineen suhteellisen liikkeen kanssa sen kulkiessa ilman läpi. Nämä vetovoimat toimivat vastapäätä tulevaa virtausnopeutta, hidastaen täten kohdetta. Toisin kuin muut vastusvoimat, veto riippuu suoraan nopeudesta, koska se on netto-aerodynaamisen voiman komponentti, joka toimii liikesuuntaa vastapäätä.
Toinen tapa sanoa, että ilmakestävyys on seurausta esineen johtavan pinnan törmäyksestä ilmamolekyylien kanssa. Siksi voidaan sanoa, että kaksi yleisintä tekijää, jolla on suora vaikutus ilmanvastuksen määrään, ovat esineen nopeus ja esineen poikkileikkauspinta-ala. Ergo, sekä kasvanut nopeus että poikkileikkauspinta-ala johtavat lisääntyneeseen ilmavastukseen.
Aerodynamiikan ja lennon suhteen vetämisellä tarkoitetaan sekä työntövoimaa vastapäätä toimivia voimia että sitä vastaan kohtisuorasti toimivia voimia (ts. Nostoa). Astrodynamiikassa ilmakehän veto on sekä positiivinen että negatiivinen voima tilanteesta riippuen. Se on sekä polttoaineen tyhjennys että tehokkuus nostamisen aikana ja polttoainesäästö, kun avaruusalus palaa maan päälle kiertoradalla.
Ilmakestävyyden laskeminen:
Ilmanresistanssi lasketaan yleensä käyttämällä ”vetämisyhtälöä”, joka määrittää voiman, jonka objekti kokee liikkuessa nesteen tai kaasun läpi suhteellisen suurella nopeudella. Tämä voidaan ilmaista matemaattisesti seuraavasti:
Tässä yhtälössä FD edustaa vetovoimaa, p on nesteen tiheys, v on kohteen nopeus ääneen nähden, on poikkileikkausalue, jaCD on vetokerroin. Tuloksena on se, mitä kutsutaan ”neliömäiseksi vedäksi”. Kun tämä on määritetty, vetovoiman voittamiseksi tarvittavan tehomäärän laskeminen sisältää samanlaisen prosessin, joka voidaan ilmaista matemaattisesti seuraavasti:
Tässä, pdon voima, joka tarvitaan vetovoiman voittamiseen, fd on vetovoima, v on nopeus, p on nesteen tiheys, v on kohteen nopeus ääneen nähden, on poikkileikkausalue, jaCD on vetokerroin. Kuten se osoittaa, tehotarpeet ovat nopeuden kuutio, joten jos kulkee 10 hevosvoimaa mennä 80 km / h, kestää 80 hevosvoimaa mennäkseen 160 km / h. Lyhyesti sanottuna nopeuden kaksinkertaistaminen vaatii kahdeksankertaisen tehon käytön.
Ilmankestävyyden tyypit:
Aerodynamiikassa on kolme päätyyppiä - vedon aiheuttama, parasiittinen ja aalto. Jokainen vaikuttaa esineiden kykyyn pysyä korkealla, samoin kuin siihen tarvittava voima ja polttoaine. Hissin indusoima (tai vain indusoitu) veto tapahtuu seurauksena hissin luomisesta kolmiulotteiseen nostokappaleeseen (siipi tai runko). Sillä on kaksi pääkomponenttia: pyörreveto ja nostamisen aiheuttama viskoosinen veto.
Pyörteet syntyvät sekoittaen ilman pyörteisestä sekoituksesta korin ylä- ja alapintaan vaihtelevaa painetta. Niitä tarvitaan hissin luomiseen. Kun hissi kasvaa, samoin hissin aiheuttama vetäminen. Ilma-aluksen kohdalla tämä tarkoittaa, että kun hyökkäyskulma ja hissikerroin kasvavat pysähtymispisteeseen, samoin hissin aiheuttama hidastuminen.
Sitä vastoin loisiveto johtuu kiinteän esineen liikuttamisesta nesteen läpi. Tämäntyyppinen vetäytyminen koostuu useista komponenteista, joihin sisältyy ”muodon vetäminen” ja “ihon kitkavetäminen”. Ilmailussa indusoidulla vetokyvyllä on taipumus olla suurempi pienemmillä nopeuksilla, koska nostamisen ylläpitämiseksi tarvitaan suurta hyökkäyskulmaa, joten nopeuden kasvaessa tämä vetäytyminen muuttuu paljon pienemmäksi, mutta loisvoima kasvaa, koska neste virtaa nopeammin ulkonevien esineiden ympärille lisäämällä kitkaa. Yhdistetty kokonaisvastekäyrä on minimaalinen tietyillä nopeuksilla ja on optimaalisen hyötysuhteen tasolla tai lähellä sitä.
Aaltovoima (puristuvuusvaimennus) luodaan läsnä ollessa kehossa, joka liikkuu suurella nopeudella puristettavan nesteen läpi. Aerodynamiikassa aaltovälitys koostuu useista komponenteista lennon nopeusjärjestyksestä riippuen. Transonisessa lennossa - nopeuksilla 0,5 Machia tai enemmän, mutta silti vähemmän kuin Mach 1.0 (alias. Äänen nopeus) - aallonvoima on paikallisen yliäänen virtauksen seuraus.
Yliääninen virtaus tapahtuu kappaleissa, jotka matkustavat selvästi äänenopeuden alapuolella, koska ruumiin ilman paikallinen nopeus kasvaa, kun se kiihtyy kehon yli. Lyhyesti sanottuna, transonisella nopeudella lentävät ilma-alukset aiheuttavat usein aaltovälityksen seurauksena. Tämä kasvaa, kun lentokoneen nopeus lähestyy Mach 1.0: n ääniestettä, ennen kuin siitä tulee yliäänitavoite.
Ylitaajuudella tapahtuva aaltovälitys on seurausta vinoista iskuaalloista, jotka on muodostettu vartalon etupuolelle ja takareunaan. Erittäin yliäänisissä virtauksissa sen sijaan muodostuu keula-aaltoja. Yliäänenopeuksilla aaltovälitys jaetaan yleensä kahteen komponenttiin, ylikuormituksesta riippuvaiseen aaltovälitykseen ja yliäänenvoimakkuudesta riippuvaiseen aaltovoimaan.
Ilmakriittien lentämiseen liittyvän roolin ymmärtäminen, sen mekaniikan tuntemus ja sen voittamiseksi tarvittavien voimien tuntemus ovat ratkaisevan tärkeitä, kun kyse on ilmailu- ja avaruustutkimuksesta. Kaiken tämän tietäminen on kriittistä myös silloin, kun on aika tutkia muita aurinkokunnan planeettamme ja kokonaan muissa tähtijärjestelmissä!
Olemme kirjoittaneet monia artikkeleita ilmakestävyydestä ja lennosta täällä Space Magazine -lehdessä. Tässä on artikkeli aiheesta Mikä on terminaalinopeus ?, Kuinka lentokoneet lentävät ?, Mikä on kitkakerroin? Ja mikä on painovoima?
Jos haluat lisätietoja NASA: n lentokoneohjelmista, tutustu Aloittelijan oppaaseen aerodynamiikkaan ja tässä on linkki Vedä yhtälöön.
Olemme myös nauhoittaneet monia liittyviä jaksoja tähtitieteen näyttelijöistä. Kuuntele tästä, jakso 102: Painovoima.
