Siin Maal kipume õhutakistust (teise nimega “lohistama”) võtma enesestmõistetavalt. Eeldame lihtsalt, et kuuli viskamise, lennuki laskmise, kosmoselaeva deorbeerimise või relvaga kuuli tulistamise korral aeglustab see loomulikult meie atmosfääri kulgevat tegevust. Kuid mis on selle põhjus? Kuidas õhk suudab objekti aeglustada, kas siis vabalangemise või lennu ajal?
Kuna toetume lennureisidele, entusiasmile kosmoseuuringutes ning armastusele spordi vastu ja õhus olemise (sealhulgas ka meie enda) tegemisele, on õhutakistuse mõistmine füüsika mõistmisel võtmetähtsusega ja paljude teadusharude lahutamatu osa. Vedeliku dünaamikana tuntud aladistsipliini osana kehtib see aerodünaamika, hüdrodünaamika, astrofüüsika ja tuumafüüsika valdkondades (kui nimetada vaid mõnda).
Definitsioon:
Määratluse järgi kirjeldab õhutakistus jõude, mis on õhu liikumisel objekti suhtelise liikumisega vastandlikud. Need tõmbejõud toimivad läheneva voolukiirusega vastupidiselt, aeglustades seega objekti liikumist. Erinevalt teistest takistusjõududest sõltub takistus otseselt kiirusest, kuna see on neto aerodünaamilise jõu komponent, mis toimib liikumissuunale vastupidiselt.
Veel üks viis öeldes oleks öelda, et õhutakistus on objekti juhitava pinna ja molekulide kokkupõrke tulemus. Seetõttu võib öelda, et kaks kõige tavalisemat tegurit, millel on õhutakistuse suurusele otsene mõju, on objekti kiirus ja objekti ristlõikepindala. Ergo, nii suurenenud kiirus kui ka ristlõikepindalad suurendavad õhutakistust.
Aerodünaamika ja lennu osas tähendab tõmbejõud nii tõukejõule vastupidiseid jõude kui ka sellega risti töötavaid jõude (st tõstejõudu). Astrodünaamikas on atmosfääri tõmbejõud sõltuvalt olukorrast nii positiivne kui ka negatiivne jõud. See on nii kütuse kui ka tõhususe äravool tõste ajal ja kütuse kokkuhoid, kui kosmoselaev naaseb Maa orbiidilt.
Õhukindluse arvutamine:
Õhutakistust arvutatakse tavaliselt tõmbevõrrandi abil, mis määrab vedeliku või gaasi kaudu suhteliselt suure kiirusega liikuva objekti poolt kogetava jõu. Seda saab matemaatiliselt väljendada järgmiselt:
Selles võrrandis FD tähistab tõmbejõudu, lk on vedeliku tihedus, v on objekti kiirus heli suhtes, A on ristlõikepindala jaCD on tõmbekoefitsient. Tulemuseks on nn kvadraatne tõmbe. Kui see on kindlaks tehtud, hõlmab takistuse ületamiseks vajaliku energiahulga arvutamine sarnast protsessi, mida saab matemaatiliselt väljendada järgmiselt:
Siin Pdon jõud, mida on vaja tõmbejõu ületamiseks, Fd on tõmbejõud, v on kiirus, lk on vedeliku tihedus, v on objekti kiirus heli suhtes, A on ristlõikepindala jaCd on tõmbekoefitsient. Nagu see näitab, on energiavajadus kiiruse kuup, seega kui 80 km / h läbimiseks kulub 10 hobujõudu, kulub 160 km / h läbimiseks 80 hobujõudu. Lühidalt, kiiruse kahekordistamiseks on vaja kaheksa korda suuremat võimsust.
Õhukindluse tüübid:
Aerodünaamikas on kolm peamist tõmbetüüpi - tõste indutseeritud, parasiitne ja laine. Mõlemad mõjutavad objektide võimet viibida kõrgemal, samuti võimsust ja kütust, mis on vajalikud selle hoidmiseks seal. Tõste indutseeritud (või lihtsalt esilekutsutud) tõmbamine toimub kolmemõõtmelisele tõstekehale (tiib või kere) lifti tekitamise tagajärjel. Sellel on kaks peamist komponenti: keeristõmbamine ja tõstmisest põhjustatud viskoosne tõmbejõud.
Keerised saadakse erineva rõhuga õhu turbulentsest segamisest keha üla- ja alapinnal. Neid on vaja lifti loomiseks. Tõste suurenedes tõuseb tõstest tingitud tõmme. Õhusõiduki puhul tähendab see, et kui rünnakunurk ja tõstekoefitsent tõusevad varisemispunktini, suureneb ka lifti põhjustatud tõmbejõud.
Seevastu parasiitide tõmbe põhjustab tahke eseme liikumine läbi vedeliku. Seda tüüpi tõmbed koosnevad mitmest komponendist, mis hõlmavad „vormi tõmmet” ja „naha hõõrdetegurit”. Lennunduses kipub indutseeritud tõmbejõud olema suurem väiksematel kiirustel, kuna tõstuki säilitamiseks on vaja suurt rünnakunurka, nii et kiiruse suurenemisel muutub see takistus palju väiksemaks, parasiitne takistus aga suureneb, kuna vedelik voolab väljaulatuvate objektide ümber kiiremini, suurendades hõõrdumist. Kombineeritud üldine tõmbekõver on mõnel õhukiirusel minimaalne ja on optimaalse kasuteguri juures või lähedal sellele.
Lainejõud (kokkusurutavus) luuakse tänu kehale, mis liigub kokkusurutatava vedeliku kaudu suurel kiirusel. Aerodünaamikas koosneb lainetakistus mitmest komponendist, sõltuvalt lennu kiiruse režiimist. Transoonilise lennu ajal - kiirusel 0,5 Machit või suuremat, kuid siiski vähem kui Machi 1,0 (aka. Heli kiirus) - on laine tõmme kohaliku ülehelikiiruse tagajärg.
Üleheli voog toimub kehadel, mis rändavad kõvasti alla helikiiruse, kuna kehal õhu õhu kiirus suureneb, kui see keha kohal kiirendab. Lühidalt, transoonse kiirusega lendavad õhusõidukid põhjustavad sageli lainetakistust. See suureneb, kui lennuki kiirus läheneb Machi 1.0 helitõkkele enne, kui sellest saab ülehelikiiruse objekt.
Ülahelikiirusel on lainejõud keha kaldumise korral esiservale moodustatud kaldus lööklaine. Väga ülehelikiirusel tekivad selle asemel vöörilained. Ülehelikiirusel eraldatakse lainetakistus tavaliselt kaheks komponendiks: ülehelikiirusest sõltuv lainetakistus ja ülehelikiirusest sõltuv lainetakistus.
Õhuhõõrdetegurite roll lennul, selle mehaanika tundmine ja selle ületamiseks vajaliku jõu tundmine on kõik olulised lennunduse ja kosmose uurimisel. Selle kõige tundmine on kriitiline ka siis, kui on aeg uurida meie päikesesüsteemi ja kõigi teiste tähesüsteemide planeete!
Oleme siin ajakirjas Space Magazine kirjutanud palju artikleid õhutakistuse ja lendude kohta. Siin on artikkel teemal Mis on terminali kiirus ?, Kuidas lennukid lendavad ?, Mis on hõõrdetegur? Ja Mis on gravitatsioonijõud?
Kui soovite lisateavet NASA lennukiprogrammide kohta, vaadake Algajate juhendit aerodünaamika kohta ja siin on link lohistusvõrrandisse.
Samuti oleme salvestanud paljusid sellega seotud astronoomialavastuste episoode. Kuulake siin, episood 102: gravitatsioon.
