Aerodinamika is 'n kennisveld wat die beweging van lugvloei en die uitwerking daarvan op vaste liggame bestudeer. Dit is 'n onderafdeling van hidro- en gasdinamika. Navorsing op hierdie gebied dateer uit antieke tye, tot die tyd van die uitvinding van pyle en beplanningsspiese, wat dit moontlik gemaak het om 'n projektiel verder en meer akkuraat na 'n teiken te stuur. Die potensiaal van aerodinamika is egter ten volle onthul met die uitvinding van swaarder-as-lug voertuie wat in staat is om oor aansienlike afstande te vlieg of te sweef.
Sedert antieke tye
Die ontdekking van die wette van aerodinamika in die 20ste eeu het bygedra tot 'n fantastiese sprong op baie gebiede van wetenskap en tegnologie, veral in die vervoersektor. Op grond van sy prestasies is moderne vliegtuie geskep, wat dit moontlik gemaak het om feitlik enige hoek van die planeet Aarde vir die publiek toeganklik te maak.
Die eerste melding van 'n poging om die lug te verower, word gevind in die Griekse mite van Icarus en Daedalus. Pa en seun het voëlagtige vlerke gebou. Dit dui daarop dat mense duisende jare gelede aan die moontlikheid gedink het om van die grond af te kom.
Nog 'n oplewingbelangstelling in die konstruksie van vliegtuie het tydens die Renaissance ontstaan. Passievolle navorser Leonardo da Vinci het baie tyd aan hierdie probleem gewy. Sy aantekeninge is bekend, wat die beginsels van werking van die eenvoudigste helikopter verduidelik.
Nuwe era
Die wêreldwye deurbraak in wetenskap (en veral lugvaartkunde) is deur Isaac Newton gemaak. Die basis van aerodinamika is immers 'n omvattende wetenskap van meganika, waarvan die stigter 'n Engelse wetenskaplike was. Newton was die eerste wat die lugmedium beskou het as 'n konglomeraat van deeltjies, wat, wat in 'n hindernis vasloop, óf daaraan vashou óf elasties weerkaats word. In 1726 het hy die teorie van lugweerstand aan die publiek voorgehou.
Daarna het dit geblyk dat die omgewing werklik uit die kleinste deeltjies bestaan – molekules. Hulle het geleer hoe om die weerkaatsing van lug redelik akkuraat te bereken, en die "kleef"-effek is as 'n onhoudbare aanname beskou.
Verbasend genoeg het hierdie teorie eeue later praktiese toepassing gevind. In die 60's, met die aanbreek van die ruimte-eeu, het Sowjet-ontwerpers te kampe gehad met die probleem om die aërodinamiese sleur van afdraande voertuie van 'n "stomp" sferiese vorm te bereken, wat hipersoniese snelhede ontwikkel tydens landing. Weens die gebrek aan kragtige rekenaars was dit problematies om hierdie aanwyser te bereken. Onverwags het dit geblyk dat dit moontlik is om die sleepwaarde en selfs die drukverspreiding oor die voorste deel akkuraat te bereken met behulp van Newton se eenvoudige formule met betrekking tot die effek van "kleef" van deeltjies aan 'n vlieënde voorwerp.
Ontwikkeling van aerodinamika
StigterHidrodinamikus Daniel Bernoulli het in 1738 die fundamentele verband tussen druk, digtheid en snelheid vir onsamedrukbare vloei beskryf, vandag bekend as Bernoulli se beginsel, wat ook van toepassing is op berekeninge van aërodinamiese hysing. In 1799 het sir George Cayley die eerste persoon geword wat die vier aërodinamiese kragte van vlug (gewig, lig, sleep en stoot) en die verwantskappe tussen hulle geïdentifiseer het.
In 1871 het Francis Herbert Wenham die eerste windtonnel geskep om aerodinamiese kragte akkuraat te meet. Onskatbare wetenskaplike teorieë ontwikkel deur Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. In 1889 het Charles Renard, 'n Franse lugvaartingenieur, die eerste persoon geword wat die krag benodig vir volgehoue vlug wetenskaplik bereken.
Van teorie tot praktyk
In die 19de eeu het uitvinders na die vleuel vanuit 'n wetenskaplike oogpunt gekyk. En danksy die studie van die meganisme van voëlvlug, is lugdinamika in aksie bestudeer, wat later op kunsmatige vliegtuie toegepas is.
Otto Lilienthal het veral uitgeblink in die navorsing van vleuelmeganika. Die Duitse vliegtuigontwerper het 11 soorte sweeftuie geskep en getoets, insluitend 'n tweedekker. Hy het ook die eerste vlug gemaak op 'n apparaat wat swaarder as lug was. Vir 'n relatief kort lewe (46 jaar) het hy ongeveer 2000 vlugte gemaak, wat voortdurend die ontwerp verbeter het, wat meer soos 'n hangsweeftuig as 'n vliegtuig was. Hy het tydens die volgende vlug op 10 Augustus 1896 gesterf en 'n pionier gewordlugvaartkunde, en die eerste slagoffer van 'n vliegtuigongeluk. Terloops, die Duitse uitvinder het persoonlik een van die sweeftuie aan Nikolai Yegorovich Zhukovsky, 'n pionier in die studie van vliegtuigaërodinamika, oorhandig.
Zhukovsky het nie net met vliegtuigontwerpe geëksperimenteer nie. Anders as baie entoesiaste van daardie tyd, het hy hoofsaaklik die gedrag van lugstrome vanuit 'n wetenskaplike oogpunt beskou. In 1904 het hy die wêreld se eerste aërodinamiese instituut by Cachino naby Moskou gestig. Sedert 1918 was hy aan die hoof van TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Eerste vliegtuie
Aerodinamika is die wetenskap wat die mens toegelaat het om die lug te verower. Sonder om dit te bestudeer, sou dit onmoontlik wees om vliegtuie te bou wat stabiel in lugstrome beweeg. Die eerste vliegtuig in ons gewone sin is op 7 Desember 1903 deur die Wright-broers gemaak en in die lug gelig. Hierdie gebeurtenis is egter voorafgegaan deur noukeurige teoretiese werk. Die Amerikaners het baie tyd daaraan gewy om die ontwerp van die lugraam in 'n windtonnel van hul eie ontwerp te ontfout.
Tydens die eerste vlugte het Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta en Nikolai Zhukovsky teorieë voorgehou wat die sirkulasie van lugstrome wat opheffing skep, verduidelik het. Kutta en Zhukovsky het voortgegaan om 'n tweedimensionele teorie van die vleuel te ontwikkel. Ludwig Prandtl word gekrediteer met die ontwikkeling van die wiskundige teorie van subtiele aërodinamiese en hefkragte, sowel as om met grenslae te werk.
Probleme en oplossings
Die belangrikheid van vliegtuigaerodinamika het toegeneem namate hul spoed toegeneem het. Ontwerpers het probleme begin ondervind om lug teen of naby die spoed van klank saam te pers. Verskille in vloei onder hierdie toestande het gelei tot vliegtuighanteringsprobleme, verhoogde weerstand as gevolg van skokgolwe, en die bedreiging van strukturele mislukking as gevolg van aëro-elastiese fladder. Die verhouding van vloeisnelheid tot die spoed van klank is die Mach-getal genoem na Ernst Mach, wat een van die eerstes was wat die eienskappe van supersoniese vloei ondersoek het.
William John McQuorn Rankine en Pierre Henri Gougoniot het onafhanklik die teorie van lugvloei-eienskappe voor en na 'n skokgolf ontwikkel, terwyl Jacob Akeret die aanvanklike werk gedoen het om die hysing en sleep van supersoniese vleuels te bereken. Theodor von Karman en Hugh Latimer Dryden het die term "transonies" geskep om snelhede by die Mach 1-grens (965-1236 km/h) te beskryf wanneer weerstand vinnig toeneem. Die eerste klankgrens is in 1947 op 'n Bell X-1-vliegtuig gebreek.
Sleutelkenmerke
Volgens die wette van aerodinamika, om vlug in die aarde se atmosfeer van enige toestel te verseker, is dit belangrik om te weet:
- Aërodinamiese sleur (X-as) wat deur lugstrome op 'n voorwerp uitgeoefen word. Op grond van hierdie parameter word die krag van die kragsentrale gekies.
- Hyskrag (Y-as), wat klim verskaf en die toestel horisontaal na die oppervlak van die aarde laat vlieg.
- Momente van aerodinamiese kragte langs drie koördinaat-asse wat op 'n vlieënde voorwerp inwerk. belangriksteis die moment van die laterale krag langs die Z-as (Mz) gerig oor die vliegtuig (voorwaardelik langs die vlerklyn). Dit bepaal die graad van longitudinale stabiliteit (of die toestel sal "duik" of sy neus oplig wanneer hy vlieg).
Klassifikasie
Aërodinamiese werkverrigting word geklassifiseer volgens lugvloeitoestande en eienskappe, insluitend spoed, saamdrukbaarheid en viskositeit. Eksterne aërodinamika is die studie van vloei rondom soliede voorwerpe van verskillende vorms. Voorbeelde is die assessering van die hysbak en vibrasies van 'n vliegtuig, sowel as die skokgolwe wat voor 'n missiel se neus vorm.
Interne aërodinamika is die studie van lugvloei wat deur openinge (gange) in soliede voorwerpe beweeg. Dit dek byvoorbeeld die studie van vloeie deur 'n straalmotor.
Aërodinamiese werkverrigting kan ook volgens vloeispoed geklassifiseer word:
- Subsonies word 'n spoed genoem wat minder is as die spoed van klank.
- Transonies (transonies) - as daar snelhede beide onder en bo die spoed van klank is.
- Supersonic - wanneer die vloeispoed groter is as die spoed van klank.
- hipersonies - die vloeispoed is baie groter as die spoed van klank. Gewoonlik beteken hierdie definisie spoed met Mach-getalle bo 5.
Helikopter-aerodinamika
As die beginsel van vliegtuigvlug gebaseer is op die hefkrag tydens translasiebeweging wat op die vlerk uitgeoefen word, dan skep die helikopter as 't ware hysbak vanself as gevolg van die rotasie van die lemme in die aksiale blaasmodus (dit wil sê sonder translasiespoed). Te danke aanMet hierdie kenmerk is die helikopter in staat om op sy plek in die lug te sweef en energieke maneuvers om die as uit te voer.
Ander toepassings
Natuurlik is aërodinamika nie net van toepassing op vliegtuie nie. Lugweerstand word ervaar deur alle voorwerpe wat in die ruimte beweeg in 'n gas- en vloeibare medium. Dit is bekend dat waterbewoners - visse en soogdiere - vaartbelynde vorms het. Op hul voorbeeld kan jy die aerodinamika in aksie naspeur. Met die fokus op die dierewêreld, maak mense ook watervervoer spits of traanvormig. Dit is van toepassing op skepe, bote, duikbote.
Voertuie ervaar aansienlike lugweerstand: dit neem toe soos spoed toeneem. Om beter aërodinamika te bereik, kry motors 'n vaartbelynde vorm. Dit is veral waar vir sportmotors.
