Zde na Zemi máme tendenci brát vzdušný odpor (aka. „Drag“) za samozřejmost. Předpokládáme pouze, že když hodíme míč, vypustíme letadlo, deorbitujeme kosmickou loď nebo vystřelíme kulku z pistole, její akt, který prochází naší atmosférou, ji přirozeně zpomalí. Jaký je však důvod? Jak je vzduch schopen zpomalit předmět, ať už jde o volný pád nebo za letu?
Protože se spoléháme na letecké cestování, naše nadšení pro průzkum vesmíru a naši lásku ke sportu a vytváření věcí ve vzduchu (včetně nás samých), porozumění odporu vzduchu je klíčem k pochopení fyziky a nedílnou součástí mnoha vědeckých disciplín. Jako součást subdisciplíny známé jako dynamika tekutin se vztahuje na pole aerodynamiky, hydrodynamiky, astrofyziky a jaderné fyziky (abychom jmenovali alespoň některé).
Definice:
Podle definice vzduchový odpor popisuje síly, které jsou v opozici vůči relativnímu pohybu objektu, když prochází vzduchem. Tyto tažné síly působí opačně než nastávající rychlost toku, čímž zpomalují objekt. Na rozdíl od jiných odporových sil závisí tažení přímo na rychlosti, protože je to součást čisté aerodynamické síly působící opačně ke směru pohybu.
Jiným způsobem by bylo říci, že odpor vzduchu je výsledkem kolizí předního povrchu objektu s molekulami vzduchu. Lze proto říci, že dva nejběžnější faktory, které mají přímý vliv na velikost odporu vzduchu, jsou rychlost předmětu a plocha průřezu předmětu. Ergo, jak zvýšené rychlosti, tak průřezové oblasti povedou ke zvýšenému odporu vzduchu.
Pokud jde o aerodynamiku a let, táhnout se týká jak sil působících opačně než tahu, tak i sil působících kolmo na to (tj. Zvedání). V astrodynamice je atmosférický odpor v závislosti na situaci kladnou i zápornou silou. Je to jak vypouštění paliva, tak i účinnost během zvedání a úspora paliva, když se kosmická loď vrací na Zemi z oběžné dráhy.
Výpočet odporu vzduchu:
Vzduchový odpor se obvykle počítá pomocí „rovnice tažení“, která určuje sílu, kterou působí předmět, který se pohybuje relativně relativně rychle tekutinou nebo plynem. To lze matematicky vyjádřit jako:
V této rovnici FD představuje tažnou sílu, str je hustota kapaliny, proti je rychlost objektu vzhledem ke zvuku, A je plocha průřezu aCD je součinitel odporu. Výsledkem je to, co se nazývá „kvadratický tah“. Jakmile je toto stanoveno, výpočet množství energie potřebné k překonání odporu zahrnuje podobný proces, který lze matematicky vyjádřit jako:
Tady, Pdje síla potřebná k překonání síly tažení, Fd je tažná síla, v je rychlost, str je hustota kapaliny, proti je rychlost objektu vzhledem ke zvuku, A je plocha průřezu aCD je součinitel odporu. Jak ukazuje, energetické potřeby jsou krychlí rychlosti, takže pokud to trvá 10 koňských sil, aby to bylo 80 km / h, bude to trvat 80 koňských sil, aby to bylo 160 km / h. Stručně řečeno, zdvojnásobení rychlosti vyžaduje aplikaci osminásobku množství energie.
Typy odporu vzduchu:
V aerodynamice existují tři hlavní typy aerodynamiky - Lift Induced, Parasitic a Wave. Každý z nich ovlivňuje schopnost objektů zůstat nahoře, stejně jako sílu a palivo potřebné k udržení tam. Tažení vyvolané (nebo právě indukované) tažení nastává v důsledku vytvoření vztlaku na trojrozměrném těle (křídlo nebo trup). Má dvě primární složky: vířivý a viskózní tah vyvolaný zvedáním.
Víry pocházejí z turbulentního míchání vzduchu s různým tlakem na horní a dolní povrch těla. Ty jsou potřebné k vytvoření výtahu. Jak se zvedání zvyšuje, zvyšuje se i tah vyvolaný zvedáním. Pro letadlo to znamená, že jak se úhel útoku a koeficient zdvihu zvyšují do bodu zablokování, zvyšuje se i odpor vyvolaný zdvihem.
Naproti tomu parazitický odpor je způsoben pohybem pevného objektu tekutinou. Tento typ tažení je tvořen několika komponenty, které zahrnují „tažení formy“ a „tření tření kůže“. V letectví má indukovaný odpor tendenci být větší při nižších rychlostech, protože k udržení vztlaku je vyžadován vysoký úhel útoku, takže při zvyšování rychlosti je tento odpor mnohem menší, ale parazitní odpor se zvyšuje, protože tekutina proudí rychleji kolem vystupujících objektů a zvyšuje tření. Kombinovaná celková brzdná křivka je při některých rychlostech letu minimální a bude na nebo v blízkosti své optimální účinnosti.
Wave drag (stlačitelnost drag) je vytvořen přítomností těla pohybujícího se vysokou rychlostí stlačitelnou tekutinou. V aerodynamice se vlnový odpor skládá z více složek v závislosti na rychlostním režimu letu. Při transonovém letu - při rychlostech Mach 0,5 nebo vyšších, ale stále nižších než Mach 1.0 (aka. Rychlost zvuku) - je vlnění přetažením výsledkem místního nadzvukového toku.
Nadzvukový tok nastává na tělech, která cestují výrazně pod rychlostí zvuku, protože místní rychlost vzduchu na těle se zvyšuje, když se zrychluje nad tělem. Stručně řečeno, letadlo létající transonovými rychlostmi často způsobuje vlnové tažení. To se zvyšuje, když se rychlost letadla blíží zvukové barvě Machu 1.0, než se stane nadzvukovým objektem.
Při nadzvukovém letu je vlnový odpor výsledkem šikmých rázových vln vytvořených na předních a zadních hranách těla. Ve vysoce nadzvukových proudech se místo toho vytvoří vlny přídě. Při nadzvukových rychlostech se vlnový odpor obvykle dělí na dvě složky, nadzvukový vlnový vlnově závislý na vlně a nadzvukový vlnově vlněný vlnově závislý na objemu.
Pochopení úlohy, kterou vzduchové tření hraje s letem, poznání jeho mechaniky a poznání druhů energie potřebné k jeho překonání, jsou klíčové, pokud jde o letecký a kosmický průzkum. Znalost tohoto všeho bude také kritická, když přijde čas prozkoumat další planety v naší Sluneční soustavě a v jiných hvězdných systémech úplně!
Zde jsme psali mnoho článků o odporu vzduchu a letu zde ve Space Magazine. Zde je článek o tom, co je rychlost terminálu? Jak létají letadla ?, Co je koeficient tření? A jaká je síla gravitace?
Pokud byste chtěli získat více informací o leteckých programech NASA, podívejte se do Průvodce aerodynamikou pro začátečníky a zde je odkaz na Drag rovnici.
Zaznamenali jsme také mnoho souvisejících epizod obsazení astronomie. Poslouchejte zde, Epizoda 102: Gravity.
