Aerodinamika ir zināšanu joma, kas pēta gaisa plūsmu kustību un to ietekmi uz cietiem ķermeņiem. Tā ir hidro- un gāzes dinamikas apakšnodaļa. Pētījumi šajā jomā aizsākās senatnē, bultu un plānošanas šķēpu izgudrošanas laikā, kas ļāva tālāk un precīzāk raidīt šāviņu mērķī. Tomēr aerodinamikas potenciāls tika pilnībā atklāts, izgudrojot par gaisu smagākus transportlīdzekļus, kas spēj lidot vai planēt ievērojamos attālumos.
Kopš seniem laikiem
Aerodinamikas likumu atklāšana 20. gadsimtā veicināja fantastisku lēcienu daudzās zinātnes un tehnikas jomās, īpaši transporta nozarē. Pamatojoties uz tās sasniegumiem, ir radīti mūsdienīgi lidaparāti, kas ļāva sabiedrībai padarīt pieejamu praktiski jebkuru planētas Zeme nostūri.
Pirmā pieminēšana par mēģinājumu iekarot debesis ir atrodama grieķu mītā par Ikaru un Dedalu. Tēvs un dēls uzbūvēja putnam līdzīgus spārnus. Tas norāda, ka pirms tūkstošiem gadu cilvēki domāja par iespēju izkļūt no zemes.
Vēl viens pieaugumsinterese par lidmašīnu būvniecību radās renesanses laikā. Kaislīgais pētnieks Leonardo da Vinči šai problēmai veltīja daudz laika. Ir zināmas viņa piezīmes, kurās izskaidroti vienkāršākā helikoptera darbības principi.
Jauna ēra
Globālo sasniegumu zinātnē (un jo īpaši aeronautikā) veica Īzaks Ņūtons. Galu galā aerodinamikas pamatā ir visaptveroša mehānikas zinātne, kuras dibinātājs bija angļu zinātnieks. Ņūtons pirmais uzskatīja gaisa vidi par daļiņu konglomerātu, kas, uzskrienot šķērsli, vai nu pielīp pie tā, vai arī elastīgi atstarojas. 1726. gadā viņš iepazīstināja sabiedrību ar gaisa pretestības teoriju.
Pēc tam izrādījās, ka vide tiešām sastāv no mazākajām daļiņām – molekulām. Viņi iemācījās diezgan precīzi aprēķināt gaisa atstarošanas spēju, un “pielipšanas” efekts tika uzskatīts par nepieņemamu pieņēmumu.
Pārsteidzoši, šī teorija tika praktiski pielietota gadsimtiem vēlāk. 60. gados, kosmosa laikmeta rītausmā, padomju dizaineri saskārās ar problēmu, kā aprēķināt aerodinamisko pretestību nolaižamajiem "neasas" sfēriskas formas transportlīdzekļiem, kas nosēšanās laikā attīsta hiperskaņas ātrumu. Tā kā trūka jaudīgu datoru, bija problemātiski aprēķināt šo rādītāju. Negaidīti izrādījās, ka ir iespējams precīzi aprēķināt pretestības vērtību un pat spiediena sadalījumu pa frontālo daļu, izmantojot Ņūtona vienkāršo formulu attiecībā uz daļiņu "pielipšanas" efektu lidojošam objektam.
Aerodinamikas attīstība
DibinātājsHidrodinamists Daniels Bernulli 1738. gadā aprakstīja fundamentālās attiecības starp spiedienu, blīvumu un ātrumu nesaspiežamajai plūsmai, ko mūsdienās sauc par Bernulli principu, kas ir piemērojams arī aerodinamiskās pacēluma aprēķinos. 1799. gadā sers Džordžs Keilijs kļuva par pirmo cilvēku, kurš identificēja četrus lidojuma aerodinamiskos spēkus (svaru, pacēlumu, vilkmi un vilci) un attiecības starp tiem.
1871. gadā Frensiss Herberts Venems izveidoja pirmo vēja tuneli, lai precīzi izmērītu aerodinamiskos spēkus. Nenovērtējamas zinātniskās teorijas, ko izstrādājuši Žans Le Ronds d'Alemberts, Gustavs Kirhhofs, Lords Reilijs. 1889. gadā franču aeronavigācijas inženieris Šarls Renārs kļuva par pirmo cilvēku, kurš zinātniski aprēķināja ilgstošam lidojumam nepieciešamo jaudu.
No teorijas līdz praksei
19. gadsimtā izgudrotāji aplūkoja spārnu no zinātniskā viedokļa. Un, pateicoties putnu lidojuma mehānisma izpētei, tika pētīta aerodinamika darbībā, kas vēlāk tika piemērota mākslīgajiem lidaparātiem.
Oto Lilientāls īpaši izcēlās spārnu mehānikas pētījumos. Vācu lidmašīnu konstruktors izveidoja un pārbaudīja 11 veidu planierus, tostarp divplānu. Viņš arī veica pirmo lidojumu ar aparātu, kas bija smagāks par gaisu. Salīdzinoši īsu mūžu (46 gadi) viņš veica aptuveni 2000 lidojumu, nepārtraukti uzlabojot dizainu, kas vairāk līdzinājās deltaplānam, nevis lidmašīnai. Viņš nomira nākamā lidojuma laikā 1896. gada 10. augustā, kļūstot par pionieriaeronautikā un pirmais lidmašīnas avārijas upuris. Starp citu, vienu no planieriem vācu izgudrotājs personīgi nodeva Nikolajam Jegorovičam Žukovskim, pionierim lidmašīnu aerodinamikas izpētē.
Žukovskis ne tikai eksperimentēja ar lidmašīnu konstrukcijām. Atšķirībā no daudziem tā laika entuziastiem viņš gaisa straumju uzvedību galvenokārt aplūkoja no zinātniskā viedokļa. 1904. gadā viņš nodibināja pasaulē pirmo aerodinamikas institūtu Cachino netālu no Maskavas. Kopš 1918. gada viņš vadīja TsAGI (Centrālo aerohidrodinamikas institūtu).
Pirmās lidmašīnas
Aerodinamika ir zinātne, kas ļāva cilvēkam iekarot debesis. Neizpētot to, nebūtu iespējams uzbūvēt lidmašīnas, kas stabili pārvietojas gaisa plūsmās. Pirmo lidmašīnu mūsu parastajā izpratnē izgatavoja un 1903. gada 7. decembrī pacēla gaisā brāļi Raiti. Taču pirms šī notikuma tika veikts rūpīgs teorētiskais darbs. Amerikāņi veltīja daudz laika, lai atkļūdotu lidmašīnas korpusa dizainu viņu pašu izstrādātā vēja tunelī.
Pirmo lidojumu laikā Frederiks V. Lančesters, Martins Vilhelms Kutta un Nikolajs Žukovskis izvirzīja teorijas, kas izskaidro gaisa plūsmu cirkulāciju, kas rada liftu. Kutta un Žukovskis turpināja izstrādāt divdimensiju spārna teoriju. Ludvigs Prandtls ir atzīts par smalko aerodinamisko un celšanas spēku matemātiskās teorijas izstrādi, kā arī darbu ar robežslāņiem.
Problēmas un risinājumi
Lidaparātu aerodinamikas nozīme palielinājās, palielinoties to ātrumam. Dizaineri sāka saskarties ar problēmām ar gaisa saspiešanu skaņas ātrumā vai tuvu tam. Plūsmas atšķirības šajos apstākļos ir izraisījušas gaisa kuģu vadības problēmas, palielinātu pretestību triecienviļņu dēļ un strukturālas atteices draudus aeroelastīgās plandīšanās dēļ. Plūsmas ātruma attiecība pret skaņas ātrumu tika saukta par Maha skaitli Ernsta Maka vārdā, kurš bija viens no pirmajiem, kurš pētīja virsskaņas plūsmas īpašības.
William John McQuorn Rankine un Pierre Henri Gougoniot neatkarīgi izstrādāja teoriju par gaisa plūsmas īpašībām pirms un pēc triecienviļņa, savukārt Džeikobs Akerets veica sākotnējo darbu, lai aprēķinātu virsskaņas gaisa spārnu pacēlumu un pretestību. Teodors fon Karmans un Hjū Latimers Dridens radīja terminu "transonic", lai aprakstītu ātrumu pie 1. Mach robežas (965-1236 km/h), kad pretestība strauji pieaug. Pirmā skaņas barjera tika pārrauta 1947. gadā Bell X-1 lidmašīnā.
Galvenās funkcijas
Saskaņā ar aerodinamikas likumiem, lai nodrošinātu jebkuras ierīces lidojumu zemes atmosfērā, ir svarīgi zināt:
- Aerodinamiskā pretestība (X ass), ko objektam rada gaisa plūsmas. Pamatojoties uz šo parametru, tiek izvēlēta spēkstacijas jauda.
- Pacelšanas spēks (Y ass), kas nodrošina pacelšanos un ļauj ierīcei lidot horizontāli uz zemes virsmu.
- Aerodinamisko spēku momenti pa trim koordinātu asīm, kas iedarbojas uz lidojošu objektu. vissvarīgākaisir sānu spēka moments gar Z asi (Mz), kas vērsts pāri gaisa kuģim (nosacīti gar spārna līniju). Tas nosaka garenvirziena stabilitātes pakāpi (vai ierīce lidos "ienirs" vai pacels degunu uz augšu).
Klasifikācija
Aerodinamisko veiktspēju klasificē pēc gaisa plūsmas apstākļiem un īpašībām, tostarp ātruma, saspiežamības un viskozitātes. Ārējā aerodinamika ir plūsmas izpēte ap dažādu formu cietiem objektiem. Piemēri ir gaisa kuģa pacēluma un vibrāciju, kā arī triecienviļņu novērtējums, kas veidojas raķetes priekšgala priekšā.
Iekšējā aerodinamika ir pētījums par gaisa plūsmu, kas pārvietojas pa atverēm (ejām) cietos objektos. Piemēram, tas aptver plūsmu izpēti caur reaktīvo dzinēju.
Aerodinamisko veiktspēju var klasificēt arī pēc plūsmas ātruma:
- Zemskaņas ātrumu sauc par ātrumu, kas ir mazāks par skaņas ātrumu.
- Transonic (transonic) - ja ir ātrumi gan zem, gan virs skaņas ātruma.
- Virsskaņas ātrums - kad plūsmas ātrums ir lielāks par skaņas ātrumu.
- Hiskaņa - plūsmas ātrums ir daudz lielāks par skaņas ātrumu. Parasti šī definīcija nozīmē ātrumu ar Maha skaitļiem virs 5.
Helikoptera aerodinamika
Ja gaisa kuģa lidojuma princips ir balstīts uz pacelšanas spēku translācijas kustības laikā, kas iedarbojas uz spārnu, tad helikopters it kā pats rada pacēlumu, pateicoties lāpstiņu rotācijai aksiālās pūšanas režīmā (tas ir, bez translācijas ātruma). PateicotiesIzmantojot šo funkciju, helikopters var lidot gaisā un veikt enerģiskus manevrus ap asi.
Citas lietojumprogrammas
Protams, aerodinamika attiecas ne tikai uz lidmašīnām. Gaisa pretestību izjūt visi objekti, kas pārvietojas telpā gāzes un šķidrā vidē. Ir zināms, ka ūdens iemītniekiem - zivīm un zīdītājiem - ir racionālas formas. Viņu piemērā jūs varat izsekot aerodinamikai darbībā. Koncentrējoties uz dzīvnieku pasauli, cilvēki arī padara ūdens transportu smailu vai asaru formā. Tas attiecas uz kuģiem, laivām, zemūdenēm.
Transportlīdzekļiem ir ievērojama gaisa pretestība: tā palielinās, palielinoties ātrumam. Lai panāktu labāku aerodinamiku, automašīnām tiek piešķirta racionalizēta forma. Tas jo īpaši attiecas uz sporta automašīnām.
