K této aerodynamické síle dochází u letadel v důsledku křídel nebo zvedacího tělesa, které přesměrovává vzduch tak, aby způsobilo vztlak, au vozů s křídly s nosnými křídly, které přesměrovávají vzduch, aby způsobily přítlak. Samuel Langley si všiml, že plošší desky s vyšším poměrem stran mají vyšší zdvih a nižší odpor a byly představeny v roce 1902. Bez vynálezu aerodynamické kvality letadla by moderní konstrukce letadla byla nemožná.
Zvedání a přesun
Celková aerodynamická síla působící na těleso je obvykle považována za sestávající ze dvou složek: zdvihu a přemístění. Podle definice se složka síly rovnoběžná s protiproudem nazývá posunutí, zatímco složka kolmá k protiproudu se nazývá zdvih.
Tyto základy aerodynamiky jsou velmi důležité pro analýzu aerodynamické kvality křídla. Vztlak vzniká změnou směru proudění kolem křídla. Změnasměr vede ke změně rychlosti (i když nedochází k žádné změně rychlosti, jak je vidět při rovnoměrném kruhovém pohybu), což je zrychlení. Ke změně směru proudění je tedy nutné působit na tekutinu silou. To je jasně vidět na každém letadle, stačí se podívat na schematické znázornění aerodynamické kvality An-2.
Ale ne všechno je tak jednoduché. Pokračujeme-li v tématu aerodynamické kvality křídla, stojí za zmínku, že vzduchový vztlak pod ním vzniká při vyšším tlaku, než je tlak vzduchu nad ním. Na křídle s konečným rozpětím způsobuje tento tlakový rozdíl proudění vzduchu od kořene spodního křídla k základně jeho horního povrchu. Tento létající proud vzduchu se spojuje s proudícím vzduchem a způsobuje změnu rychlosti a směru, která stáčí proud vzduchu a vytváří víry podél odtokové hrany křídla. Vzniklé víry jsou nestabilní, rychle se spojují a vytvářejí křídlové víry. Výsledné víry mění rychlost a směr proudění vzduchu za odtokovou hranou, odklánějí jej dolů a tím způsobují klapku za křídlem. Z tohoto pohledu má například letoun MS-21 vysoký poměr vztlaku a odporu.
Ovládání proudění vzduchu
Víry zase mění proudění vzduchu kolem křídla, čímž snižují schopnost křídla generovat vztlak, takže pro stejný vztlak vyžaduje vyšší úhel náběhu, což nakloní celkovou aerodynamickou sílu dozadu a zvýší složku odporu vzduchu. ta síla. Úhlová odchylka je zanedbatelnáovlivňuje zdvih. Dochází však ke zvýšení odporu rovnajícímu se součinu zdvihu a úhlu, kvůli kterému se odchyluje. Protože vychýlení je samo o sobě funkcí vztlaku, přídavný odpor je úměrný úhlu stoupání, což lze jasně vidět na aerodynamice A320.
Historické příklady
Pravoúhlé planetární křídlo vytváří více vířivých vibrací než kónické nebo eliptické křídlo, a proto je mnoho moderních křídel zúženo, aby se zlepšil poměr vztlaku a odporu. Eliptický drak letadla je však účinnější, protože indukované praní (a tudíž efektivní úhel náběhu) je konstantní po celém rozpětí křídel. Kvůli výrobním komplikacím má tento plán jen málo letadel, nejznámějšími příklady jsou Spitfire z druhé světové války a Thunderbolt. Zúžená křídla s rovnou přední a zadní hranou se mohou přiblížit eliptickému rozložení vztlaku. Obecně platí, že rovná, nezúžená křídla produkují o 5 % a zúžená křídla produkují o 1-2 % vyšší indukovaný odpor než eliptické křídlo. Proto mají lepší aerodynamickou kvalitu.
Proporcionalita
Křídlo s vysokým poměrem stran bude produkovat menší indukovaný odpor než křídlo s nízkým poměrem stran, protože na špičce delšího a tenčího křídla dochází k menšímu rušení vzduchu. Proto vyvolanéodpor může být nepřímo úměrný proporcionalitě, bez ohledu na to, jak paradoxní to může znít. Rozložení vztlaku lze také změnit vymytím, otočením křídla, aby se snížil pokles směrem ke křídlům, a výměnou profilu v blízkosti křídel. To vám umožní dostat se více vztlaku blíže ke kořeni křídla a méně ke křídlu, což vede ke snížení síly vírů křídla a v důsledku toho ke zlepšení aerodynamické kvality letadla.
V historii designu letadel
U některých raných letadel byly ploutve namontovány na špičkách ocasů. Pozdější letadla mají jiný tvar křídla, aby se snížila intenzita vírů a dosáhlo se maximálního poměru vztlaku a odporu.
Střešní palivové nádrže oběžného kola mohou také poskytnout určitou výhodu tím, že zabrání chaotickému proudění vzduchu kolem křídla. Nyní se používají v mnoha letadlech. Aerodynamická kvalita DC-10 byla v tomto ohledu zaslouženě považována za revoluční. Nicméně, moderní letecký trh je již dlouho doplněn mnohem pokročilejšími modely.
Vzorec přetažení: vysvětleno jednoduše
Pro výpočet celkového odporu je nutné vzít v úvahu tzv. parazitní odpor. Protože indukovaný odpor je nepřímo úměrný druhé mocnině rychlosti vzduchu (při daném vztlaku), zatímco parazitní odpor je přímo úměrný tomu, celková křivka odporu ukazuje minimální rychlost. Letoun,létající takovou rychlostí pracuje s optimálními aerodynamickými vlastnostmi. Podle výše uvedených rovnic nastává rychlost minimálního odporu při rychlosti, při které je indukovaný odpor roven parazitnímu odporu. To je rychlost, při které je dosaženo optimálního úhlu skluzu pro nečinná letadla. Aby to nebylo nepodložené, zvažte vzorec na příkladu letadla:
Pokračování formule je také docela kuriózní (obrázek níže) Let výše, kde je vzduch řidší, zvýší rychlost, při které dochází k minimálnímu odporu, a umožňuje tak rychlejší cestování na stejném množství palivo.
Pokud letadlo letí maximální povolenou rychlostí, pak výška, ve které hustota vzduchu mu poskytne nejlepší aerodynamickou kvalitu. Optimální výška při maximální rychlosti a optimální rychlost při maximální výšce se může během letu změnit.
Výdrž
Rychlost pro maximální výdrž (tj. čas ve vzduchu) je rychlost pro minimální spotřebu paliva a nižší rychlost pro maximální dojezd. Spotřeba paliva se vypočítá jako součin požadovaného výkonu a měrné spotřeby paliva na motor (spotřeba paliva na jednotku výkonu). Požadovaný výkon se rovná době tažení.
Historie
Vývoj moderní aerodynamiky začal teprve v XVIIstoletí, ale aerodynamické síly lidé používali po tisíce let v plachetnicích a větrných mlýnech a obrazy a příběhy o letu se objevují ve všech historických dokumentech a uměleckých dílech, jako je starořecká legenda o Ikarovi a Daedalovi. Základní pojmy kontinua, odporu a tlakových gradientů se objevují v díle Aristotela a Archiméda.
V roce 1726 se Sir Isaac Newton stal prvním člověkem, který vyvinul teorii odporu vzduchu, čímž se stala jedním z prvních argumentů o aerodynamických vlastnostech. Nizozemsko-švýcarský matematik Daniel Bernoulli napsal v roce 1738 pojednání nazvané Hydrodynamica, ve kterém popsal základní vztah mezi tlakem, hustotou a rychlostí proudění pro nestlačitelné proudění, dnes známý jako Bernoulliho princip, který poskytuje jednu metodu pro výpočet aerodynamického vztlaku. V roce 1757 publikoval Leonhard Euler obecnější Eulerovy rovnice, které lze aplikovat na stlačitelné i nestlačitelné proudění. Eulerovy rovnice byly rozšířeny tak, aby zahrnovaly účinky viskozity v první polovině 19. století, čímž vznikly Navier-Stokesovy rovnice. Aerodynamický výkon/aerodynamická kvalita poláry byla objevena přibližně ve stejnou dobu.
Na základě těchto událostí a také výzkumu provedeného ve vlastním aerodynamickém tunelu letěli bratři Wrightové 17. prosince 1903 prvním letadlem.
Typy aerodynamiky
Aerodynamické problémy jsou klasifikovány podle podmínek proudění nebo vlastností proudění, včetně charakteristik, jako je rychlost, stlačitelnost a viskozita. Nejčastěji se dělí na dva typy:
- Vnější aerodynamika je studium proudění kolem pevných objektů různých tvarů. Příklady vnější aerodynamiky jsou hodnocení vztlaku a odporu letadla nebo rázové vlny, které se tvoří před nosem střely.
- Vnitřní aerodynamika je studium proudění průchody v pevných předmětech. Například vnitřní aerodynamika zahrnuje studium proudění vzduchu proudovým motorem nebo komínem klimatizace.
Aerodynamické problémy lze také klasifikovat podle rychlosti proudění pod nebo blízko rychlosti zvuku.
Problém se jmenuje:
- subsonické, pokud jsou všechny rychlosti v problému menší než rychlost zvuku;
- transonic, pokud existují rychlosti pod i nad rychlostí zvuku (obvykle když je charakteristická rychlost přibližně rovna rychlosti zvuku);
- nadzvukový, když charakteristická rychlost proudění je větší než rychlost zvuku;
- hypersonické, kdy je rychlost proudění mnohem větší než rychlost zvuku.
Aerodynamici se neshodnou na přesné definici hypersonického proudění.
Vliv viskozity na průtok vyžaduje třetí klasifikaci. Některé problémy mohou mít pouze velmi malé viskózní účinky, v takovém případě může být viskozita považována za zanedbatelnou. Přiblížení k těmto problémům se nazývá inviscidproudy. Toky, u kterých nelze zanedbat viskozitu, se nazývají viskózní toky.
Stlačitelnost
Nestlačitelné proudění je proudění, ve kterém je hustota konstantní jak v čase, tak v prostoru. Ačkoli jsou všechny skutečné tekutiny stlačitelné, proudění je často aproximováno jako nestlačitelné, pokud účinek změny hustoty způsobí pouze malé změny ve vypočítaných výsledcích. To je pravděpodobnější, když je průtok výrazně pod rychlostí zvuku. Účinky stlačitelnosti jsou významnější při rychlostech blízkých nebo vyšších než rychlost zvuku. Machovo číslo se používá k vyhodnocení možnosti nestlačitelnosti, jinak musí být zahrnuty efekty stlačitelnosti.
Podle teorie aerodynamiky je proudění považováno za stlačitelné, pokud se hustota mění podél proudnice. To znamená, že na rozdíl od nestlačitelného proudění jsou brány v úvahu změny hustoty. Obecně se jedná o případ, kdy Machovo číslo části nebo celého toku překročí 0,3 Machova hodnota 0,3 je spíše libovolná, ale používá se proto, že tok plynu pod touto hodnotou vykazuje méně než 5% změny hustoty. Také maximální změna hustoty o 5 % nastane v bodě stagnace (bod na objektu, kde je rychlost proudění nulová), zatímco hustota kolem zbytku objektu bude mnohem nižší. Transsonické, nadzvukové a hypersonické toky jsou všechny stlačitelné.
Závěr
Aerodynamika je dnes jednou z nejdůležitějších věd na světě. Poskytuje námstavba kvalitních letadel, lodí, aut a komiksových raketoplánů. Hraje obrovskou roli ve vývoji moderních typů zbraní – balistických raket, boosterů, torpéd a dronů. To vše by bylo nemožné, kdyby nebylo moderních vyspělých konceptů aerodynamické kvality.
Představy o předmětu článku se tak změnily z krásných, ale naivních fantazií o Ikaru na funkční a skutečně fungující letadla, která vznikla na začátku minulého století. Dnes si nedokážeme představit svůj život bez aut, lodí a letadel a tato vozidla se neustále zlepšují díky novým průlomům v aerodynamice.
Aerodynamické vlastnosti kluzáků byly ve své době skutečným průlomem. Zpočátku byly všechny objevy v této oblasti činěny pomocí abstraktních, někdy od reality oddělených, teoretických výpočtů, které prováděli francouzští a němečtí matematici ve svých laboratořích. Později byly všechny jejich vzorce použity pro jiné, fantastičtější (na poměry 18. století) účely, jako je výpočet ideálního tvaru a rychlosti budoucích letadel. V 19. století se tato zařízení začala vyrábět ve velkém, počínaje kluzáky a vzducholodí, Evropané postupně přešli ke konstrukci letadel. Ty byly nejprve používány výhradně pro vojenské účely. Esa první světové války ukázala, jak důležitá je pro kteroukoli zemi otázka dominance ve vzduchu, a inženýři meziválečného období zjistili, že taková letadla jsou účinná nejen pro armádu, ale i pro civilisty.cíle. Civilní letectví postupem času pevně vstoupilo do našich životů a dnes se bez něj neobejde ani jeden stát.
