Aerodynamika je oblast znalostí, která studuje pohyb proudění vzduchu a jejich účinky na pevná tělesa. Je to podsekce dynamiky hydro- a plynů. Výzkum v této oblasti sahá až do starověku, do doby vynálezu šípů a plánovacích oštěpů, které umožňovaly vyslat střelu dále a přesněji na cíl. Avšak potenciál aerodynamiky byl plně odhalen s vynálezem vozidel těžších než vzduch schopných létat nebo klouzat na značné vzdálenosti.
Od starověku
Objev zákonů aerodynamiky ve 20. století přispěl k fantastickému skoku v mnoha oblastech vědy a techniky, zejména v sektoru dopravy. Na základě jeho úspěchů byla vytvořena moderní letadla, která umožnila zpřístupnit veřejnosti prakticky jakýkoli kout planety Země.
První zmínka o pokusu dobýt oblohu se nachází v řeckém mýtu o Ikarovi a Daedalovi. Otec a syn postavili křídla podobná ptákům. To naznačuje, že před tisíci lety lidé přemýšleli o možnosti vzlétnout ze země.
Další vlnazájem o stavbu letadel vznikl v období renesance. Vášnivý badatel Leonardo da Vinci tomuto problému věnoval spoustu času. Známé jsou jeho poznámky, které vysvětlují principy fungování nejjednoduššího vrtulníku.
Nová éra
Globální průlom ve vědě (a zejména v letectví) učinil Isaac Newton. Ostatně základem aerodynamiky je ucelená nauka o mechanice, jejímž zakladatelem byl anglický vědec. Newton byl první, kdo považoval vzduchové médium za konglomerát částic, které se po najetí na překážku buď přilepí, nebo se pružně odrážejí. V roce 1726 představil veřejnosti teorii odporu vzduchu.
Následně se ukázalo, že prostředí se opravdu skládá z těch nejmenších částic – molekul. Naučili se poměrně přesně vypočítat odrazivost vzduchu a efekt „přilepení“byl považován za neudržitelný předpoklad.
Překvapivě tato teorie našla praktické uplatnění o staletí později. V 60. letech, na úsvitu vesmírného věku, čelili sovětští konstruktéři problému výpočtu aerodynamického odporu sestupových vozidel „tupého“kulového tvaru, která při přistání vyvíjejí nadzvukovou rychlost. Vzhledem k nedostatku výkonných počítačů bylo problematické vypočítat tento ukazatel. Nečekaně se ukázalo, že je možné přesně vypočítat hodnotu odporu a dokonce i rozložení tlaku na přední část pomocí jednoduchého Newtonova vzorce týkajícího se efektu „přilepení“částic k létajícímu předmětu.
Vývoj aerodynamiky
ZakladatelHydrodynamik Daniel Bernoulli popsal v roce 1738 základní vztah mezi tlakem, hustotou a rychlostí pro nestlačitelné proudění, dnes známý jako Bernoulliho princip, který je také použitelný pro výpočty aerodynamického vztlaku. V roce 1799 se Sir George Cayley stal prvním člověkem, který identifikoval čtyři aerodynamické síly letu (hmotnost, vztlak, odpor a tah) a vztahy mezi nimi.
V roce 1871 vytvořil Francis Herbert Wenham první aerodynamický tunel pro přesné měření aerodynamických sil. Neocenitelné vědecké teorie vyvinuté Jeanem Le Rondem d'Alembertem, Gustavem Kirchhoffem, Lordem Rayleighem. V roce 1889 se Charles Renard, francouzský letecký inženýr, stal prvním člověkem, který vědecky vypočítal výkon potřebný pro trvalý let.
Od teorie k praxi
V 19. století se vynálezci dívali na křídlo z vědeckého hlediska. A díky studiu mechanismu letu ptáků byla studována aerodynamika v akci, která byla později aplikována na umělá letadla.
Otto Lilienthal vynikal zejména ve výzkumu mechaniky křídel. Německý letecký konstruktér vytvořil a otestoval 11 typů kluzáků včetně dvouplošníku. Také uskutečnil první let na přístroji těžším než vzduch. Za relativně krátkou životnost (46 let) provedl asi 2000 letů a neustále zdokonaloval konstrukci, která připomínala spíše závěsný kluzák než letadlo. Zemřel při dalším letu 10. srpna 1896 a stal se průkopníkemletectví a první obětí leteckého neštěstí. Mimochodem, německý vynálezce osobně předal jeden z kluzáků Nikolai Jegoroviči Žukovskému, průkopníkovi ve studiu aerodynamiky letadel.
Žukovskij neexperimentoval jen s návrhy letadel. Na rozdíl od mnoha tehdejších nadšenců uvažoval především o chování vzdušných proudů z vědeckého hlediska. V roce 1904 založil v Cachinu u Moskvy první aerodynamický institut na světě. Od roku 1918 vedl TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
První letadla
Aerodynamika je věda, která umožnila člověku dobýt oblohu. Bez jeho prostudování by nebylo možné postavit letadla, která se stabilně pohybují ve vzdušných proudech. První letadlo v našem obvyklém smyslu vyrobili a zvedli do vzduchu 7. prosince 1903 bratři Wrightové. Této události však předcházela pečlivá teoretická práce. Američané věnovali spoustu času ladění konstrukce draku letadla v aerodynamickém tunelu vlastní konstrukce.
Během prvních letů Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta a Nikolai Zhukovsky předložili teorie, které vysvětlovaly cirkulaci vzdušných proudů, které vytvářejí vztlak. Kutta a Žukovskij pokračovali ve vývoji dvourozměrné teorie křídla. Ludwig Prandtl se zasloužil o rozvoj matematické teorie jemných aerodynamických a vztlakových sil a také o práci s hraničními vrstvami.
Problémy a řešení
Význam aerodynamiky letadel rostl s rostoucí rychlostí. Konstruktéři začali narážet na problémy se stlačováním vzduchu rychlostí zvuku nebo blízkou rychlosti zvuku. Rozdíly v proudění za těchto podmínek vedly k problémům s ovládáním letadla, zvýšenému odporu v důsledku rázových vln a hrozbě strukturálního selhání v důsledku aeroelastického flutteru. Poměr rychlosti proudění k rychlosti zvuku se nazýval Machovo číslo podle Ernsta Macha, který jako jeden z prvních zkoumal vlastnosti nadzvukového proudění.
William John McQuorn Rankine a Pierre Henri Gougoniot nezávisle vyvinuli teorii vlastností proudění vzduchu před a po rázové vlně, zatímco Jacob Akeret provedl počáteční práci na výpočtu zdvihu a odporu nadzvukových profilů. Theodor von Karman a Hugh Latimer Dryden vymysleli termín „transonic“k popisu rychlostí na hranici Mach 1 (965-1236 km/h), kdy odpor rychle roste. První zvuková bariéra byla proražena v roce 1947 na letadle Bell X-1.
Klíčové funkce
Pro zajištění letu v zemské atmosféře jakéhokoli zařízení je podle zákonů aerodynamiky důležité vědět:
- Aerodynamický odpor (osa X) vyvíjený proudy vzduchu na předmět. Na základě tohoto parametru se volí výkon elektrárny.
- Zvedací síla (osa Y), která zajišťuje stoupání a umožňuje zařízení letět vodorovně k povrchu Země.
- Okamžiky aerodynamických sil podél tří souřadnicových os působících na letící objekt. nejdůležitějšíje moment boční síly podél osy Z (Mz) směřující napříč letadlem (podmíněně podél linie křídla). Určuje míru podélné stability (zda se zařízení při letu „potáří“nebo zvedne nos nahoru).
Klasifikace
Aerodynamický výkon je klasifikován podle podmínek proudění vzduchu a vlastností, včetně rychlosti, stlačitelnosti a viskozity. Externí aerodynamika je studium proudění kolem pevných objektů různých tvarů. Příklady jsou hodnocení vztlaku a vibrací letadla, stejně jako rázové vlny, které se tvoří před nosem střely.
Interní aerodynamika je studium proudění vzduchu pohybujícího se otvory (průchody) v pevných předmětech. Zahrnuje například studium proudění proudovým motorem.
Aerodynamický výkon lze také klasifikovat podle rychlosti proudění:
- Subsonická se nazývá rychlost menší než rychlost zvuku.
- Transonic (transonic) – pokud existují rychlosti pod i nad rychlostí zvuku.
- Nadzvukové – když je rychlost proudění větší než rychlost zvuku.
- Hypersonické – rychlost proudění je mnohem vyšší než rychlost zvuku. Obvykle tato definice znamená rychlosti s Machovými čísly nad 5.
Aerodynamika helikoptér
Pokud je princip letu letadla založen na vztlakové síle při translačním pohybu vyvíjené na křídlo, pak vrtulník jakoby sám vytváří vztlak díky rotaci lopatek v režimu axiálního foukání (tedy bez translační rychlosti). DíkyDíky této funkci je vrtulník schopen viset ve vzduchu na místě a provádět energické manévry kolem osy.
Další aplikace
Samozřejmě, že aerodynamika neplatí pouze pro letadla. Odpor vzduchu pociťují všechny objekty pohybující se v prostoru v plynném a kapalném prostředí. Je známo, že vodní obyvatelé - ryby a savci - mají proudnicové tvary. Na jejich příkladu můžete sledovat aerodynamiku v akci. Lidé se zaměřují na svět zvířat a také dělají vodní dopravu špičatou nebo ve tvaru slzy. To platí pro lodě, čluny, ponorky.
Vozidla vykazují značný odpor vzduchu: zvyšuje se s rostoucí rychlostí. Pro dosažení lepší aerodynamiky dostávají vozy aerodynamický tvar. To platí zejména pro sportovní vozy.
