Ang Aerodynamics ay isang larangan ng kaalaman na nag-aaral sa paggalaw ng mga daloy ng hangin at ang mga epekto nito sa mga solidong katawan. Ito ay isang subsection ng hydro- at gas dynamics. Ang pananaliksik sa lugar na ito ay nagsimula noong sinaunang panahon, hanggang sa panahon ng pag-imbento ng mga arrow at pagpaplano ng mga sibat, na naging posible upang magpadala ng projectile nang higit pa at mas tumpak sa isang target. Gayunpaman, ang potensyal ng aerodynamics ay ganap na nahayag sa pag-imbento ng mas mabibigat na sasakyan na may kakayahang lumipad o mag-gliding sa malalayong distansya.
Mula noong sinaunang panahon
Ang pagtuklas ng mga batas ng aerodynamics noong ika-20 siglo ay nag-ambag sa isang kamangha-manghang hakbang sa maraming larangan ng agham at teknolohiya, lalo na sa sektor ng transportasyon. Batay sa mga nagawa nito, ang mga makabagong sasakyang panghimpapawid ay nilikha, na naging posible na gawing naa-access ng publiko ang halos anumang sulok ng planetang Earth.
Ang unang pagbanggit ng pagtatangkang sakupin ang kalangitan ay matatagpuan sa mitolohiyang Griyego nina Icarus at Daedalus. Ang mag-ama ay gumawa ng mga pakpak na parang ibon. Ipinahihiwatig nito na libu-libong taon na ang nakalilipas naisip ng mga tao ang posibilidad na bumaba sa lupa.
Isa pang surgeang interes sa pagtatayo ng sasakyang panghimpapawid ay lumitaw sa panahon ng Renaissance. Ang madamdaming mananaliksik na si Leonardo da Vinci ay nagtalaga ng maraming oras sa problemang ito. Kilala ang kanyang mga tala, na nagpapaliwanag sa mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng pinakasimpleng helicopter.
Bagong panahon
Ang pandaigdigang tagumpay sa agham (at partikular sa aeronautics) ay ginawa ni Isaac Newton. Pagkatapos ng lahat, ang batayan ng aerodynamics ay isang komprehensibong agham ng mekanika, ang tagapagtatag nito ay isang siyentipikong Ingles. Si Newton ang unang nag-isip ng daluyan ng hangin bilang isang kalipunan ng mga particle, na, tumatakbo sa isang balakid, maaaring dumikit dito o nababanat nang elastiko. Noong 1726, iniharap niya ang teorya ng air resistance sa publiko.
Kasunod nito, lumabas na ang kapaligiran ay talagang binubuo ng pinakamaliit na particle - mga molekula. Natutunan nila kung paano tumpak na kalkulahin ang reflectivity ng hangin, at ang epekto ng "nakadikit" ay itinuturing na isang hindi mapagkakatiwalaang palagay.
Nakakagulat, natagpuan ng teoryang ito ang praktikal na aplikasyon pagkalipas ng ilang siglo. Noong dekada 60, sa bukang-liwayway ng panahon ng kalawakan, ang mga taga-disenyo ng Sobyet ay nahaharap sa problema ng pagkalkula ng aerodynamic drag ng mga descent na sasakyan ng isang "mapurol" na spherical na hugis, na nagkakaroon ng hypersonic na bilis sa landing. Dahil sa kakulangan ng makapangyarihang mga computer, naging problemang kalkulahin ang tagapagpahiwatig na ito. Sa hindi inaasahan, naging posible na tumpak na kalkulahin ang halaga ng drag at maging ang pamamahagi ng presyon sa frontal na bahagi gamit ang simpleng formula ni Newton tungkol sa epekto ng "pagdidikit" ng mga particle sa isang lumilipad na bagay.
Pagbuo ng aerodynamics
TagapagtatagInilarawan ng hydrodynamicist na si Daniel Bernoulli noong 1738 ang pangunahing ugnayan sa pagitan ng pressure, density at bilis para sa hindi mapipigil na daloy, na kilala ngayon bilang prinsipyo ni Bernoulli, na naaangkop din sa mga kalkulasyon ng aerodynamic lift. Noong 1799 naging unang tao si Sir George Cayley na nakilala ang apat na aerodynamic na puwersa ng paglipad (weight, lift, drag at thrust) at ang mga ugnayan sa pagitan ng mga ito.
Noong 1871, nilikha ni Francis Herbert Wenham ang unang wind tunnel upang tumpak na sukatin ang mga puwersa ng aerodynamic. Napakahalaga ng mga teoryang siyentipiko na binuo ni Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Noong 1889, si Charles Renard, isang French aeronautical engineer, ang naging unang tao na siyentipikong nagkalkula ng lakas na kinakailangan para sa matagal na paglipad.
Mula sa teorya hanggang sa pagsasanay
Noong ika-19 na siglo, ang mga imbentor ay tumingin sa pakpak mula sa isang siyentipikong pananaw. At salamat sa pag-aaral ng mekanismo ng paglipad ng ibon, pinag-aralan ang aerodynamics sa pagkilos, na kalaunan ay inilapat sa artipisyal na sasakyang panghimpapawid.
Otto Lilienthal ay napakahusay lalo na sa pagsasaliksik ng wing mechanics. Ang German aircraft designer ay lumikha at sumubok ng 11 uri ng mga glider, kabilang ang isang biplane. Ginawa rin niya ang unang paglipad sa isang apparatus na mas mabigat kaysa sa hangin. Para sa isang medyo maikling buhay (46 na taon), gumawa siya ng humigit-kumulang 2000 flight, patuloy na pinapabuti ang disenyo, na mas katulad ng isang hang glider kaysa sa isang eroplano. Namatay siya sa susunod na paglipad noong Agosto 10, 1896, at naging payuniraeronautics, at ang unang biktima ng pagbagsak ng eroplano. Siyanga pala, personal na ibinigay ng German inventor ang isa sa mga glider kay Nikolai Yegorovich Zhukovsky, isang pioneer sa pag-aaral ng aircraft aerodynamics.
Zhukovsky ay hindi lamang nag-eksperimento sa mga disenyo ng sasakyang panghimpapawid. Hindi tulad ng maraming mga mahilig sa oras na iyon, pangunahing isinasaalang-alang niya ang pag-uugali ng mga alon ng hangin mula sa isang pang-agham na pananaw. Noong 1904 itinatag niya ang unang aerodynamic institute sa mundo sa Cachino malapit sa Moscow. Mula noong 1918, pinamunuan niya ang TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Unang eroplano
Ang Aerodynamics ay ang agham na nagpapahintulot sa tao na masakop ang kalangitan. Kung hindi ito pinag-aaralan, imposibleng makabuo ng sasakyang panghimpapawid na matatag na gumagalaw sa mga agos ng hangin. Ang unang sasakyang panghimpapawid sa aming karaniwang kahulugan ay ginawa at itinaas sa himpapawid noong Disyembre 7, 1903 ng magkapatid na Wright. Gayunpaman, ang kaganapang ito ay nauna sa maingat na gawaing teoretikal. Ang mga Amerikano ay nagtalaga ng maraming oras sa pag-debug ng disenyo ng airframe sa isang wind tunnel ng kanilang sariling disenyo.
Sa mga unang flight, sina Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta at Nikolai Zhukovsky ay naglagay ng mga teorya na nagpapaliwanag sa sirkulasyon ng mga agos ng hangin na lumilikha ng pagtaas. Nagpatuloy sina Kutta at Zhukovsky na bumuo ng isang two-dimensional na teorya ng pakpak. Si Ludwig Prandtl ay kinikilala sa pagbuo ng matematikal na teorya ng banayad na aerodynamic at mga puwersa ng pag-angat, pati na rin ang pagtatrabaho sa mga boundary layer.
Mga Problema at Solusyon
Ang kahalagahan ng aerodynamics ng sasakyang panghimpapawid ay tumaas habang tumataas ang kanilang bilis. Ang mga taga-disenyo ay nagsimulang magkaroon ng mga problema sa pag-compress ng hangin sa o malapit sa bilis ng tunog. Ang mga pagkakaiba sa daloy sa ilalim ng mga kundisyong ito ay humantong sa mga problema sa paghawak ng sasakyang panghimpapawid, tumaas na drag dahil sa mga shock wave, at banta ng structural failure dahil sa aeroelastic flutter. Ang ratio ng bilis ng daloy sa bilis ng tunog ay tinawag na Mach number pagkatapos ni Ernst Mach, na isa sa mga unang nag-imbestiga sa mga katangian ng supersonic na daloy.
William John McQuorn Rankine at Pierre Henri Gougoniot ay nakapag-iisa na bumuo ng teorya ng mga katangian ng daloy ng hangin bago at pagkatapos ng isang shock wave, habang si Jacob Akeret ang gumawa ng unang gawain sa pagkalkula ng pagtaas at pag-drag ng mga supersonic na airfoil. Sina Theodor von Karman at Hugh Latimer Dryden ang lumikha ng terminong "transonic" upang ilarawan ang mga bilis sa hangganan ng Mach 1 (965-1236 km/h), kapag mabilis na tumataas ang resistensya. Ang unang sound barrier ay nasira noong 1947 sa isang Bell X-1 aircraft.
Mga Pangunahing Tampok
Ayon sa mga batas ng aerodynamics, upang matiyak ang paglipad sa atmospera ng daigdig ng anumang device, mahalagang malaman:
- Aerodynamic drag (X-axis) na ginagawa ng mga agos ng hangin sa isang bagay. Batay sa parameter na ito, pinili ang kapangyarihan ng power plant.
- Lift force (Y-axis), na nagbibigay ng pag-akyat at nagbibigay-daan sa device na lumipad nang pahalang sa ibabaw ng lupa.
- Mga sandali ng aerodynamic forces kasama ang tatlong coordinate axes na kumikilos sa isang lumilipad na bagay. pinaka importanteay ang sandali ng lateral force sa kahabaan ng Z-axis (Mz) na nakadirekta sa sasakyang panghimpapawid (conditionally along the wing line). Tinutukoy nito ang antas ng longitudinal stability (kung ang device ay "sumisid" o itataas ang ilong nito kapag lumilipad).
Pag-uuri
Ang pagganap ng aerodynamic ay inuri ayon sa mga kondisyon at katangian ng airflow, kabilang ang bilis, compressibility at lagkit. Ang panlabas na aerodynamics ay ang pag-aaral ng daloy sa paligid ng mga solidong bagay na may iba't ibang hugis. Ang mga halimbawa ay ang pagtatasa sa pag-angat at pag-vibrate ng isang sasakyang panghimpapawid, pati na rin ang mga shock wave na nabubuo sa harap ng ilong ng isang missile.
Ang Internal aerodynamics ay ang pag-aaral ng daloy ng hangin na gumagalaw sa mga siwang (mga daanan) sa mga solidong bagay. Halimbawa, sinasaklaw nito ang pag-aaral ng mga daloy sa pamamagitan ng jet engine.
Maaari ding uriin ang aerodynamic performance ayon sa bilis ng daloy:
- Ang subsonic ay tinatawag na bilis na mas mababa kaysa sa bilis ng tunog.
- Transonic (transonic) - kung may mga bilis sa ibaba at sa itaas ng bilis ng tunog.
- Supersonic - kapag ang bilis ng daloy ay mas malaki kaysa sa bilis ng tunog.
- Hypersonic - ang bilis ng daloy ay mas malaki kaysa sa bilis ng tunog. Kadalasan ang kahulugang ito ay nangangahulugan ng mga bilis na may mga numero ng Mach na higit sa 5.
Helicopter aerodynamics
Kung ang prinsipyo ng paglipad ng sasakyang panghimpapawid ay nakabatay sa lakas ng pag-angat sa panahon ng paggalaw ng pagsasalin sa pakpak, kung gayon ang helicopter, kumbaga, ay lumilikha ng pag-angat nang mag-isa dahil sa pag-ikot ng mga blades sa axial blowing mode (ibig sabihin, walang bilis ng pagsasalin). Salamat kayGamit ang feature na ito, nagagawa ng helicopter na mag-hover sa hangin sa lugar at magsagawa ng masiglang maniobra sa paligid ng axis.
Iba pang mga application
Natural, ang aerodynamics ay naaangkop hindi lamang sa sasakyang panghimpapawid. Ang air resistance ay nararanasan ng lahat ng bagay na gumagalaw sa kalawakan sa isang gas at liquid medium. Alam na ang mga naninirahan sa tubig - isda at mammal - ay may mga naka-streamline na hugis. Sa kanilang halimbawa, maaari mong subaybayan ang aerodynamics sa pagkilos. Nakatuon sa mundo ng mga hayop, ang mga tao ay gumagawa din ng mga water transport na patulis o hugis patak ng luha. Nalalapat ito sa mga barko, bangka, submarino.
Nakararanas ang mga sasakyan ng makabuluhang air resistance: tumataas ito habang tumataas ang bilis. Upang makamit ang mas mahusay na aerodynamics, ang mga kotse ay binibigyan ng isang streamlined na hugis. Ito ay totoo lalo na para sa mga sports car.
