Itt a földön hajlamosak lennünk a légállósággal (más néven „húzással”) szembenézni. Feltételezzük, hogy amikor golyót dobunk, repülőgépet indítunk, űrhajót felszabadítunk, vagy fegyvert lőhetünk, a légkörünkön áthaladó cselekedete természetesen lelassítja. De mi az oka ennek? Hogyan képes a levegő lelassítani egy tárgyat, akár szabadban esik, akár repülés közben?
Mivel a légiközlekedésben támaszkodunk, lelkesedünk az űrkutatás iránt, és a sport iránti szeretetünket, valamint a dolgok légiforgalmazását (beleértve magunkat is) szeretnénk megérteni, a levegőellenállás megértése kulcsfontosságú a fizika megértésében, és számos tudományos tudományág szerves része. A folyadékdinamikának nevezett alfegyelem részeként az aerodinamika, a hidrodinamika, az asztrofizika és a nukleáris fizika területeire vonatkozik (néhányat említsünk).
Meghatározás:
A levegőellenállás meghatározása szerint azokat az erőket írja le, amelyek ellenzik a tárgy relatív mozgását, amikor az áthalad a levegőn. Ezek a húzóerők a közeledő áramlási sebességgel ellentétesen hatnak, és ezzel lelassítják az objektumot. Más ellenállási erõktõl eltérõen a húzás közvetlenül a sebességtõl függ, mivel ez a nettó aerodinamikai erõ alkotóeleme, amely a mozgás irányával ellentétesen hat.
Egy másik módszer szerint az lenne, ha azt állítanánk, hogy a levegőellenállás az objektum vezető felületének a légmolekulákkal való ütközésének eredménye. Ezért elmondható, hogy a legelterjedtebb két tényező, amely közvetlenül befolyásolja a levegőellenállás mértékét, a tárgy sebessége és a tárgy keresztmetszeti területe. Ergo, mind a megnövekedett sebesség, mind a keresztmetszeti területek növelik a légállóságot.
Az aerodinamika és a repülés szempontjából a húzás mind a tolóerővel ellentétesen ható erőkre, mind a rá merőlegesen működő erőkre (azaz emelésre) vonatkozik. Az asztrodinamika során a légköri húzás mind a helyzettől függően mind pozitív, mind negatív erő. Ez egyúttal az üzemanyag-lefolyás és a hatékonyság leeresztése során, valamint az üzemanyag-megtakarítás, amikor egy űrhajó visszatér a Földre a pályára.
A levegőellenállás kiszámítása:
A levegőellenállást általában a „húzóegyenlettel” számolják, amely meghatározza az erőt, amelyet egy tárgy folytat át egy folyadékon vagy gázzal viszonylag nagy sebességgel. Ez matematikailag kifejezhető:
Ebben az egyenletben FD képviseli a húzóerőt, p a folyadék sűrűsége, v a tárgy sebessége a hanghoz viszonyítva, A a keresztmetszeti terület, ésCD a húzási együttható. Az eredmény az úgynevezett „másodlagos húzás”. Miután ezt meghatározták, a vontatás legyőzéséhez szükséges energiamennyiség kiszámításához hasonló folyamat zajlik, amely matematikailag kifejezhető:
Itt, Pda húzóerő leküzdéséhez szükséges erő, fd a húzóerő, v a sebesség, p a folyadék sűrűsége, v a tárgy sebessége a hanghoz viszonyítva, A a keresztmetszeti terület, ésCD a húzási együttható. Amint azt mutatja, az energiaigény a sebesség kocka, tehát ha 10 lóerőre van szükség 80 km / h sebességre, akkor 80 lóerőre lesz szükség 160 km / h sebesség eléréséhez. Röviden: a sebesség megduplázódásához az erő nyolcszorosát kell alkalmazni.
A levegőellenállás típusai:
Az aerodinamikában három fő típusú húzás létezik: emelő indukált, parazitikus és hullámos. Mindegyik befolyásolja a tárgyak képességét, hogy alul maradjanak, valamint az ott tartásához szükséges energiát és üzemanyagot. Az emeléssel indukált (vagy éppen indukált) húzás a háromdimenziós emelőtestre (szárnyra vagy törzsre) történő felvonás eredményeként jön létre. Két elsődleges alkotóeleme van: örvény-húzás és emelés-indukált viszkózus húzás.
Az örvények a test felső és alsó felületén változó nyomású levegő turbulens keveréséből származnak. Ezekre szükség van a lift kialakításához. Ahogy az emelés növekszik, ugyanúgy növekszik az emelés által kiváltott húzás. Repülőgép esetében ez azt jelenti, hogy ahogy a támadási szög és az emelési együttható növekszik az elakadás pontjáig, ugyanúgy növekszik a lift által kiváltott húzás.
Ezzel szemben a parazita húzódást egy szilárd tárgy mozgatása okozza egy folyadékon keresztül. Ez a fajta húzás több komponensből áll, amelyek magukban foglalják a „formájú húzást” és a „bőr súrlódási húzódását”. A repülésben az indukált húzás általában nagyobb, alacsonyabb sebességeknél, mivel magas emelkedési szög szükséges az emelés fenntartásához, így a sebesség növekedésével ez a húzás sokkal kisebb lesz, de a parazita húzás növekszik, mivel a folyadék gyorsabban áramlik a kiálló tárgyak körül, növelve a súrlódást. A kombinált átfutási görbe egyes légsebességeknél minimális, és optimális hatékonyságán közel lesz vagy hozzá.
A hullámhúzódást (összenyomhatóságot) egy test jelenléte hozza létre, amely nagy sebességgel mozog egy sűríthető folyadékon keresztül. Az aerodinamika során a hullámhúzás több összetevőből áll, a repülés sebességétől függően. Transzonikus repülésnél - legalább 0,5 Mach sebességgel, de még mindig kevesebb, mint 1,0 Mach (más néven: hangsebesség) - a hullámhúzás a helyi szuperszonikus áramlás eredménye.
A szuperszonikus áramlás olyan testeknél fordul elő, amelyek jóval a hangsebesség alatt haladnak, mivel a test levegőjének helyi sebessége növekszik, amikor a test fölé gyorsul. Röviden: a transzonikus sebességgel repülő repülőgépek gyakran hullámhullámot okoznak. Ez növekszik, amikor a repülőgép sebessége eléri a Mach 1.0 hangvédőjét, mielőtt szuperszonikus objektummá válna.
A szuperszonikus repülés során a hullámhúzás ferde ütéshullámok eredménye, amelyek a test vezető és hátsó szélein vannak kialakítva. Nagyon szuperszonikus áramlások esetén íjhullámok alakulnak ki ehelyett. A szuperszonikus sebességeknél a hullámhúzódást általában két részre bontják: szuperszonikus emelkedésfüggő hullámhúzásra és szuperszonikus hangerőfüggő hullámhúzódásra.
A légi súrlódások repüléssel játszott szerepének megértése, azok mechanikájának ismerete és az ahhoz szükséges erő megismerése mind kritikus fontosságú az űrkutatás és az űrkutatás szempontjából. Mindezek ismerete szintén kritikus fontosságú, amikor ideje felfedezni a többi bolygót a Naprendszerünkben, és egészen más csillagrendszerekben is!
Számos cikket írtunk a légállóságról és a repülésről a Space Magazine-ban. Itt egy cikk arról, hogy mi a terminál sebessége, hogyan repülnek a repülőgépek ?, mi a súrlódási együttható? És mi a gravitációs erő?
Ha további információt szeretne a NASA repülőgép-programjairól, olvassa el a Bevezető útmutatót az aerodinamikáról, és itt található egy link a Drag-egyenlethez.
A Csillagászat szereplőinek számos kapcsolódó epizódját is felvettük. Hallgassa meg itt: 102. rész: Gravitáció.
