Aerodinamik ialah bidang pengetahuan yang mengkaji pergerakan aliran udara dan kesannya terhadap jasad pepejal. Ia adalah subseksyen dinamik hidro dan gas. Penyelidikan di kawasan ini bermula sejak zaman purba, hingga zaman penciptaan anak panah dan lembing perancangan, yang memungkinkan untuk menghantar peluru lebih jauh dan lebih tepat pada sasaran. Bagaimanapun, potensi aerodinamik telah didedahkan sepenuhnya dengan ciptaan kenderaan yang lebih berat daripada udara yang mampu terbang atau meluncur pada jarak yang jauh.
Sejak zaman dahulu
Penemuan undang-undang aerodinamik pada abad ke-20 menyumbang kepada lonjakan hebat dalam banyak bidang sains dan teknologi, terutamanya dalam sektor pengangkutan. Berdasarkan pencapaiannya, pesawat moden telah dicipta, yang memungkinkan untuk menjadikan hampir mana-mana sudut planet Bumi boleh diakses oleh orang ramai.
Sebutan pertama percubaan untuk menakluki langit terdapat dalam mitos Yunani tentang Icarus dan Daedalus. Bapa dan anak membina sayap seperti burung. Ini menunjukkan bahawa beribu-ribu tahun dahulu orang berfikir tentang kemungkinan untuk turun dari tanah.
Satu lagi lonjakanminat dalam pembinaan pesawat timbul semasa Renaissance. Penyelidik yang bersemangat Leonardo da Vinci menumpukan banyak masa untuk masalah ini. Nota beliau diketahui, yang menerangkan prinsip operasi helikopter paling mudah.
Era baharu
Terobosan global dalam sains (dan aeronautik khususnya) dibuat oleh Isaac Newton. Lagipun, asas aerodinamik adalah sains mekanik yang komprehensif, pengasasnya adalah seorang saintis Inggeris. Newton adalah orang pertama yang menganggap medium udara sebagai konglomerat zarah, yang, berjalan ke dalam halangan, sama ada melekat padanya atau dipantulkan secara elastik. Pada tahun 1726, beliau mengemukakan teori rintangan udara kepada orang ramai.
Seterusnya, ternyata persekitaran benar-benar terdiri daripada zarah terkecil - molekul. Mereka belajar cara mengira pemantulan udara dengan agak tepat, dan kesan "melekat" dianggap sebagai andaian yang tidak boleh dipertahankan.
Anehnya, teori ini menemui aplikasi praktikal berabad-abad kemudian. Pada tahun 60-an, pada awal zaman angkasa, pereka Soviet menghadapi masalah mengira seretan aerodinamik kenderaan turunan bentuk sfera "tumpul", yang mengembangkan kelajuan hipersonik apabila mendarat. Oleh kerana kekurangan komputer yang berkuasa, adalah bermasalah untuk mengira penunjuk ini. Tanpa diduga, ternyata adalah mungkin untuk mengira dengan tepat nilai seretan dan juga pengagihan tekanan ke atas bahagian hadapan menggunakan formula mudah Newton mengenai kesan "melekat" zarah pada objek terbang.
Pembangunan aerodinamik
PengasasAhli hidrodinamik Daniel Bernoulli menerangkan pada 1738 hubungan asas antara tekanan, ketumpatan dan halaju untuk aliran tak boleh mampat, yang dikenali hari ini sebagai prinsip Bernoulli, yang juga boleh digunakan untuk pengiraan daya angkat aerodinamik. Pada tahun 1799 Sir George Cayley menjadi orang pertama yang mengenal pasti empat daya aerodinamik penerbangan (berat, angkat, seret dan tujah) dan hubungan antara mereka.
Pada tahun 1871, Francis Herbert Wenham mencipta terowong angin pertama untuk mengukur daya aerodinamik dengan tepat. Teori saintifik yang tidak ternilai dibangunkan oleh Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Pada tahun 1889, Charles Renard, seorang jurutera aeronautik Perancis, menjadi orang pertama yang mengira secara saintifik kuasa yang diperlukan untuk penerbangan yang berterusan.
Daripada teori kepada amalan
Pada abad ke-19, pencipta melihat sayap dari sudut pandangan saintifik. Dan terima kasih kepada kajian mekanisme penerbangan burung, aerodinamik dalam tindakan telah dikaji, yang kemudiannya digunakan pada pesawat buatan.
Otto Lilienthal cemerlang terutamanya dalam penyelidikan mekanik sayap. Pereka pesawat Jerman mencipta dan menguji 11 jenis glider, termasuk biplane. Dia juga membuat penerbangan pertama dengan alat yang lebih berat daripada udara. Untuk kehidupan yang agak singkat (46 tahun), dia membuat kira-kira 2000 penerbangan, sentiasa menambah baik reka bentuk, yang lebih seperti peluncur gantung daripada kapal terbang. Dia meninggal dunia semasa penerbangan seterusnya pada 10 Ogos 1896, menjadi perintisaeronautik, dan mangsa pertama nahas kapal terbang. Ngomong-ngomong, pencipta Jerman secara peribadi menyerahkan salah satu peluncur kepada Nikolai Yegorovich Zhukovsky, seorang perintis dalam kajian aerodinamik pesawat.
Zhukovsky bukan sahaja bereksperimen dengan reka bentuk pesawat. Tidak seperti ramai peminat pada masa itu, dia terutamanya menganggap tingkah laku arus udara dari sudut pandangan saintifik. Pada tahun 1904 beliau mengasaskan institut aerodinamik pertama di dunia di Cachino berhampiran Moscow. Sejak 1918, beliau mengetuai TsAGI (Institut Aerohidrodinamik Pusat).
Pesawat pertama
Aerodinamik ialah sains yang membolehkan manusia menakluki langit. Tanpa mengkajinya, mustahil untuk membina pesawat yang bergerak secara stabil dalam arus udara. Pesawat pertama dalam erti kata biasa kami telah dibuat dan diangkat ke udara pada 7 Disember 1903 oleh Wright bersaudara. Walau bagaimanapun, acara ini didahului oleh kerja teori yang teliti. Orang Amerika menumpukan banyak masa untuk menyahpepijat reka bentuk kerangka pesawat dalam terowong angin reka bentuk mereka sendiri.
Semasa penerbangan pertama, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta dan Nikolai Zhukovsky mengemukakan teori yang menjelaskan peredaran arus udara yang mencipta daya angkat. Kutta dan Zhukovsky terus mengembangkan teori sayap dua dimensi. Ludwig Prandtl dikreditkan dengan membangunkan teori matematik aerodinamik halus dan daya angkat, serta bekerja dengan lapisan sempadan.
Masalah dan Penyelesaian
Kepentingan aerodinamik pesawat meningkat apabila kelajuannya meningkat. Pereka bentuk mula menghadapi masalah dengan memampatkan udara pada kelajuan bunyi atau hampir. Perbezaan aliran di bawah keadaan ini telah membawa kepada masalah pengendalian pesawat, peningkatan seretan akibat gelombang kejutan, dan ancaman kegagalan struktur akibat getaran aeroelastik. Nisbah halaju aliran kepada kelajuan bunyi dipanggil nombor Mach selepas Ernst Mach, yang merupakan salah seorang yang pertama menyiasat sifat aliran supersonik.
William John McQuorn Rankine dan Pierre Henri Gougoniot secara bebas membangunkan teori sifat aliran udara sebelum dan selepas gelombang kejutan, manakala Jacob Akeret melakukan kerja awal untuk mengira daya angkat dan seretan kerajang supersonik. Theodor von Karman dan Hugh Latimer Dryden mencipta istilah "transonik" untuk menggambarkan kelajuan di sempadan Mach 1 (965-1236 km/j), apabila rintangan meningkat dengan pantas. Penghalang bunyi pertama dipecahkan pada tahun 1947 pada pesawat Bell X-1.
Ciri Utama
Menurut undang-undang aerodinamik, untuk memastikan penerbangan di atmosfera bumi mana-mana peranti, adalah penting untuk mengetahui:
- Seretan aerodinamik (paksi-X) yang dikenakan oleh arus udara pada objek. Berdasarkan parameter ini, kuasa loji kuasa dipilih.
- Daya angkat (paksi-Y), yang menyediakan pendakian dan membolehkan peranti terbang secara mendatar ke permukaan bumi.
- Detik daya aerodinamik di sepanjang tiga paksi koordinat yang bertindak pada objek terbang. paling pentingialah momen daya sisian sepanjang paksi-Z (Mz) yang diarahkan merentasi pesawat (bersyarat di sepanjang garis sayap). Ia menentukan tahap kestabilan membujur (sama ada peranti akan "menyelam" atau mengangkat hidungnya apabila terbang).
Klasifikasi
Prestasi aerodinamik dikelaskan mengikut keadaan dan sifat aliran udara, termasuk kelajuan, kebolehmampatan dan kelikatan. Aerodinamik luaran ialah kajian aliran di sekeliling objek pepejal pelbagai bentuk. Contohnya ialah menilai daya angkat dan getaran pesawat, serta gelombang kejutan yang terbentuk di hadapan hidung peluru berpandu.
Aerodinamik dalaman ialah kajian aliran udara yang bergerak melalui bukaan (laluan) dalam objek pepejal. Contohnya, ia merangkumi kajian aliran melalui enjin jet.
Prestasi aerodinamik juga boleh dikelaskan mengikut kelajuan aliran:
- Subsonik dipanggil kelajuan kurang daripada kelajuan bunyi.
- Transonik (transonik) - jika terdapat kelajuan di bawah dan di atas kelajuan bunyi.
- Supersonik - apabila kelajuan aliran lebih besar daripada kelajuan bunyi.
- Hipersonik - kelajuan aliran jauh lebih besar daripada kelajuan bunyi. Biasanya takrifan ini bermaksud kelajuan dengan nombor Mach melebihi 5.
Helikopter aerodinamik
Jika prinsip penerbangan pesawat adalah berdasarkan daya angkat semasa gerakan translasi yang dikenakan pada sayap, maka helikopter, seolah-olah, mencipta daya angkat dengan sendirinya disebabkan oleh putaran bilah dalam mod tiupan paksi (iaitu tanpa kelajuan translasi). Terima kasih kepadaDengan ciri ini, helikopter dapat melayang di udara di tempatnya dan melakukan gerakan bertenaga di sekeliling paksi.
Aplikasi lain
Sememangnya, aerodinamik digunakan bukan sahaja untuk pesawat. Rintangan udara dialami oleh semua objek yang bergerak di angkasa dalam medium gas dan cecair. Adalah diketahui bahawa penduduk akuatik - ikan dan mamalia - mempunyai bentuk yang diperkemas. Pada contoh mereka, anda boleh mengesan aerodinamik dalam tindakan. Memfokuskan pada dunia haiwan, orang juga membuat pengangkutan air berbentuk runcing atau berbentuk titisan air mata. Ini terpakai kepada kapal, bot, kapal selam.
Kenderaan mengalami rintangan udara yang ketara: ia meningkat apabila kelajuan meningkat. Untuk mencapai aerodinamik yang lebih baik, kereta diberi bentuk yang diperkemas. Ini benar terutamanya untuk kereta sport.
