Aerodynamica is een kennisgebied dat de beweging van luchtstromen en hun effecten op vaste lichamen bestudeert. Het is een onderafdeling van hydro- en gasdynamica. Onderzoek op dit gebied gaat terug tot in de oudheid, tot de tijd van de uitvinding van pijlen en planningsperen, die het mogelijk maakten om een projectiel verder en nauwkeuriger op een doel af te sturen. Het potentieel van aerodynamica werd echter volledig onthuld met de uitvinding van voertuigen die zwaarder zijn dan lucht die over aanzienlijke afstanden kunnen vliegen of glijden.
Sinds de oudheid
De ontdekking van de wetten van de aerodynamica in de 20e eeuw heeft bijgedragen aan een fantastische sprong voorwaarts op veel gebieden van wetenschap en technologie, vooral in de transportsector. Op basis van zijn prestaties zijn moderne vliegtuigen gemaakt, die het mogelijk maakten om vrijwel elke hoek van de planeet aarde toegankelijk te maken voor het publiek.
De eerste vermelding van een poging om de lucht te veroveren is te vinden in de Griekse mythe van Icarus en Daedalus. Vader en zoon bouwden vogelachtige vleugels. Dit geeft aan dat duizenden jaren geleden mensen hebben nagedacht over de mogelijkheid om van de grond te komen.
Nog een golfinteresse in de bouw van vliegtuigen ontstond tijdens de Renaissance. Gepassioneerd onderzoeker Leonardo da Vinci besteedde veel tijd aan dit probleem. Zijn aantekeningen zijn bekend, die de werkingsprincipes van de eenvoudigste helikopter uitleggen.
Nieuw tijdperk
De wereldwijde doorbraak in de wetenschap (en luchtvaart in het bijzonder) werd gemaakt door Isaac Newton. De basis van aerodynamica is immers een uitgebreide mechanica-wetenschap, waarvan de grondlegger een Engelse wetenschapper was. Newton was de eerste die het luchtmedium zag als een conglomeraat van deeltjes, die tegen een obstakel aanlopen, eraan blijven plakken of elastisch worden weerkaatst. In 1726 presenteerde hij de theorie van luchtweerstand aan het publiek.
Vervolgens bleek dat de omgeving echt bestaat uit de kleinste deeltjes - moleculen. Ze leerden de reflectiviteit van lucht vrij nauwkeurig te berekenen, en het "klevende" effect werd als een onhoudbare veronderstelling beschouwd.
Verrassend genoeg vond deze theorie eeuwen later praktische toepassing. In de jaren 60, aan het begin van het ruimtetijdperk, stonden Sovjetontwerpers voor het probleem van het berekenen van de aerodynamische weerstand van afdalingsvoertuigen met een "botte" bolvorm, die hypersonische snelheden ontwikkelen bij de landing. Door het ontbreken van krachtige computers was het lastig om deze indicator te berekenen. Onverwacht bleek dat het mogelijk is om de weerstandswaarde en zelfs de drukverdeling over het frontale deel nauwkeurig te berekenen met behulp van de eenvoudige formule van Newton over het effect van het "plakken" van deeltjes aan een vliegend object.
Ontwikkeling van aerodynamica
OprichterHydrodynamicus Daniel Bernoulli beschreef in 1738 de fundamentele relatie tussen druk, dichtheid en snelheid voor onsamendrukbare stroming, tegenwoordig bekend als het principe van Bernoulli, dat ook van toepassing is op berekeningen van aerodynamische lift. In 1799 werd Sir George Cayley de eerste persoon die de vier aerodynamische krachten van de vlucht (gewicht, lift, weerstand en stuwkracht) en de onderlinge relaties identificeerde.
In 1871 creëerde Francis Herbert Wenham de eerste windtunnel om aerodynamische krachten nauwkeurig te meten. Wetenschappelijke theorieën van onschatbare waarde, ontwikkeld door Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. In 1889 werd Charles Renard, een Franse luchtvaartingenieur, de eerste persoon die wetenschappelijk het benodigde vermogen voor een aanhoudende vlucht berekende.
Van theorie naar praktijk
In de 19e eeuw bekeken uitvinders de vleugel vanuit een wetenschappelijk oogpunt. En dankzij de studie van het mechanisme van vogelvlucht, werd de aerodynamica in actie bestudeerd, die later werd toegepast op kunstmatige vliegtuigen.
Otto Lilienthal blonk vooral uit in het onderzoek naar vleugelmechanica. De Duitse vliegtuigontwerper ontwierp en testte 11 soorten zweefvliegtuigen, waaronder een tweedekker. Hij maakte ook de eerste vlucht op een apparaat dat zwaarder was dan lucht. Gedurende een relatief korte levensduur (46 jaar) maakte hij ongeveer 2000 vluchten, waarbij hij voortdurend het ontwerp verbeterde, dat meer op een deltavlieger dan op een vliegtuig leek. Hij stierf tijdens de volgende vlucht op 10 augustus 1896 en werd een pionierluchtvaart en het eerste slachtoffer van een vliegtuigongeluk. Trouwens, de Duitse uitvinder overhandigde persoonlijk een van de zweefvliegtuigen aan Nikolai Yegorovich Zhukovsky, een pionier in de studie van vliegtuigaerodynamica.
Zhukovsky experimenteerde niet alleen met vliegtuigontwerpen. In tegenstelling tot veel liefhebbers van die tijd beschouwde hij het gedrag van luchtstromingen vooral vanuit een wetenschappelijk oogpunt. In 1904 richtte hij 's werelds eerste aerodynamische instituut op in Cachino bij Moskou. Sinds 1918 leidde hij TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Eerste vliegtuigen
Aerodynamica is de wetenschap waarmee de mens de hemel kon veroveren. Zonder het te bestuderen, zou het onmogelijk zijn om vliegtuigen te bouwen die stabiel in luchtstromen bewegen. Het eerste vliegtuig in onze gebruikelijke betekenis werd op 7 december 1903 gemaakt en in de lucht getild door de gebroeders Wright. Aan deze gebeurtenis ging echter zorgvuldig theoretisch werk vooraf. De Amerikanen hebben veel tijd gestoken in het debuggen van het ontwerp van het casco in een windtunnel van hun eigen ontwerp.
Tijdens de eerste vluchten hebben Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta en Nikolai Zhukovsky theorieën naar voren gebracht die de circulatie van luchtstromen die lift veroorzaken, verklaarden. Kutta en Zhukovsky gingen door met het ontwikkelen van een tweedimensionale theorie van de vleugel. Ludwig Prandtl wordt gecrediteerd voor het ontwikkelen van de wiskundige theorie van subtiele aerodynamische en liftkrachten, evenals voor het werken met grenslagen.
Problemen en oplossingen
Het belang van de aerodynamica van vliegtuigen nam toe naarmate hun snelheden toenam. Ontwerpers begonnen problemen te krijgen met het comprimeren van lucht met of in de buurt van de geluidssnelheid. Verschillen in stroming onder deze omstandigheden hebben geleid tot problemen met het besturen van vliegtuigen, verhoogde luchtweerstand als gevolg van schokgolven en de dreiging van structureel falen als gevolg van aero-elastische flutter. De verhouding van stroomsnelheid tot de geluidssnelheid werd het Mach-getal genoemd naar Ernst Mach, die als een van de eersten de eigenschappen van supersonische stroming onderzocht.
William John McQuorn Rankine en Pierre Henri Gougoniot ontwikkelden onafhankelijk de theorie van luchtstroomeigenschappen voor en na een schokgolf, terwijl Jacob Akeret het eerste werk deed voor het berekenen van de lift en weerstand van supersonische draagvlakken. Theodor von Karman en Hugh Latimer Dryden bedachten de term "transonisch" om snelheden aan de Mach 1-grens (965-1236 km/u) te beschrijven, wanneer de weerstand snel toeneemt. De eerste geluidsbarrière werd in 1947 doorbroken op een Bell X-1 vliegtuig.
Belangrijkste kenmerken
Volgens de wetten van de aerodynamica is het belangrijk om te weten: om de vlucht in de aardatmosfeer van elk apparaat te garanderen
- Aerodynamische weerstand (X-as) uitgeoefend door luchtstromen op een object. Op basis van deze parameter wordt het vermogen van de energiecentrale geselecteerd.
- Hefkracht (Y-as), die zorgt voor klimmen en waardoor het apparaat horizontaal naar het aardoppervlak kan vliegen.
- Momenten van aërodynamische krachten langs drie coördinaatassen die op een vliegend object werken. meest belangrijkis het moment van de zijdelingse kracht langs de Z-as (Mz) gericht over het vliegtuig (voorwaardelijk langs de vleugellijn). Het bepa alt de mate van longitudinale stabiliteit (of het apparaat zal "duiken" of zijn neus optilt tijdens het vliegen).
Classificatie
Aerodynamische prestaties worden geclassificeerd op basis van luchtstroomomstandigheden en -eigenschappen, waaronder snelheid, samendrukbaarheid en viscositeit. Externe aerodynamica is de studie van stroming rond vaste objecten van verschillende vormen. Voorbeelden zijn het beoordelen van de lift en trillingen van een vliegtuig, evenals de schokgolven die zich voor de neus van een raket vormen.
Interne aerodynamica is de studie van de luchtstroom die door openingen (doorgangen) in vaste objecten beweegt. Het behandelt bijvoorbeeld de studie van stromen door een straalmotor.
Aerodynamische prestaties kunnen ook worden geclassificeerd op basis van stroomsnelheid:
- Subsonisch wordt een snelheid genoemd die lager is dan de snelheid van het geluid.
- Transonisch (transonisch) - als er snelheden zijn die zowel onder als boven de geluidssnelheid liggen.
- Supersonisch - wanneer de stroomsnelheid groter is dan de geluidssnelheid.
- Hypersonic - de stroomsnelheid is veel groter dan de snelheid van het geluid. Meestal betekent deze definitie snelheden met Mach-getallen boven 5.
Helikopter aerodynamica
Als het principe van vliegtuigvlucht is gebaseerd op de hefkracht tijdens translatiebeweging die op de vleugel wordt uitgeoefend, dan creëert de helikopter als het ware zelf lift door de rotatie van de bladen in de axiale blaasmodus (dat wil zeggen, zonder translatiesnelheid). DankzijMet deze functie kan de helikopter op zijn plaats in de lucht zweven en energetische manoeuvres rond de as uitvoeren.
Andere toepassingen
Natuurlijk is aerodynamica niet alleen van toepassing op vliegtuigen. Luchtweerstand wordt ervaren door alle objecten die in de ruimte bewegen in een gas en vloeibaar medium. Het is bekend dat waterdieren - vissen en zoogdieren - gestroomlijnde vormen hebben. Op hun voorbeeld kun je de aerodynamica in actie volgen. Gericht op de dierenwereld, maken mensen het watertransport ook puntig of druppelvormig. Dit geldt voor schepen, boten, onderzeeërs.
Voertuigen ervaren een aanzienlijke luchtweerstand: deze neemt toe naarmate de snelheid toeneemt. Voor een betere aerodynamica krijgen auto's een gestroomlijnde vorm. Dit geldt met name voor sportwagens.
