Aici, pe Pământ, avem tendința de a lua rezistența la aer (de asemenea, „trageți”) de fapt. Pur și simplu presupunem că atunci când aruncăm o minge, lansăm o aeronavă, dezorbităm o navă spațială sau tragem un glonț dintr-o armă, că actul acesteia călătorind prin atmosfera noastră îl va încetini. Dar care este motivul pentru asta? Cum poate aerul să încetinească un obiect, indiferent dacă este în cădere liberă sau în zbor?
Datorită încrederii noastre în călătoriile aeriene, a entuziasmului nostru pentru explorarea spațiului, a iubirii noastre pentru sport și a face lucrurile transmise în aer (inclusiv noi înșine), înțelegerea rezistenței aerului este esențială pentru înțelegerea fizicii și o parte integrantă a multor discipline științifice. Ca parte a subdisciplinei cunoscute sub numele de dinamica fluidelor, se aplică domeniilor aerodinamicii, hidrodinamicii, astrofizicii și fizicii nucleare (pentru a numi câteva).
Definiție:
Prin definiție, rezistența aerului descrie forțele care sunt în opoziție cu mișcarea relativă a unui obiect pe măsură ce trece prin aer. Aceste forțe de tracțiune acționează opus vitezei de curgere viitoare, încetinind astfel obiectul în jos. Spre deosebire de alte forțe de rezistență, tracțiunea depinde direct de viteză, deoarece este componenta forței aerodinamice nete care acționează opus direcției mișcării.
Un alt mod de a spune ar fi să spunem că rezistența aerului este rezultatul coliziunilor suprafeței conducătoare a obiectului cu moleculele de aer. Prin urmare, se poate spune că cei mai comuni doi factori care au un efect direct asupra cantității de rezistență a aerului sunt viteza obiectului și aria secțiunii transversale a obiectului. Ergo, atât viteza crescută, cât și zonele în secțiune transversală vor duce la o cantitate crescută de rezistență la aer.
În ceea ce privește aerodinamica și zborul, tracțiunea se referă atât la forțele care acționează opus tracțiunii, cât și la forțele care lucrează perpendicular pe aceasta (adică ridicare). În astrodinamică, tracțiunea atmosferică este atât o forță pozitivă, cât și o negativă în funcție de situație. Este atât o scurgere a combustibilului, cât și eficiența în timpul ridicării și o economie de combustibil atunci când o navă spațială se întoarce pe Pământ de pe orbită.
Calcularea rezistenței aerului:
Rezistența aerului este de obicei calculată folosind „ecuația de tracțiune”, care determină forța experimentată de un obiect care se deplasează printr-un fluid sau un gaz la o viteză relativ mare. Aceasta poate fi exprimată matematic ca:
În această ecuație, FD reprezintă forța de tracțiune, p este densitatea fluidului, v este viteza obiectului în raport cu sunetul, A este zona de secțiune transversală șiCD este coeficientul de tracțiune. Rezultatul este ceea ce se numește „tracțiune quadratică”. Odată ce acest lucru este determinat, calcularea cantității de putere necesară pentru a depăși antrenarea implică un proces similar, care poate fi exprimat matematic ca:
Aici, Pdeste puterea necesară pentru a depăși forța de tragere, Fd este forța de tracțiune, v este viteza, p este densitatea fluidului, v este viteza obiectului în raport cu sunetul, A este zona de secțiune transversală șiCD este coeficientul de tracțiune. După cum arată, nevoile de putere sunt cubul vitezei, așa că dacă este nevoie de 10 cai putere pentru a merge 80 km / h, va fi nevoie de 80 cai putere pentru a merge 160 km / h. Pe scurt, o dublare a vitezei necesită o aplicare de opt ori mai mare decât puterea.
Tipuri de rezistență la aer:
Există trei tipuri principale de tracțiune în aerodinamică - Lift Induced, Parasitic și Wave. Fiecare afectează capacitatea obiectelor de a rămâne înalte, precum și puterea și combustibilul necesare pentru a-l păstra acolo. Tragerea indusă (sau doar indusă) de ridicare apare ca urmare a creării unui elevator pe un corp de ridicare tridimensional (aripa sau fuselajul). Are două componente principale: tracțiunea vortex și tracțiunea vâscoasă indusă de ridicare.
Vorticele provin din amestecul turbulent de aer cu presiune diferită pe suprafețele superioare și inferioare ale corpului. Acestea sunt necesare pentru a crea ascensor. Pe măsură ce ascensorul crește, la fel și tracțiunea indusă de ascensor. Pentru o aeronavă, acest lucru înseamnă că pe măsură ce unghiul de atac și coeficientul de ridicare cresc până la punctul de blocare, la fel și tracțiunea indusă de ascensor.
În schimb, tracțiunea parazitară este cauzată de deplasarea unui obiect solid printr-un fluid. Acest tip de glisare este alcătuit din mai multe componente, care include „drag drag” și „drag fricțiunea pielii”. În aviație, tracțiunea indusă tinde să fie mai mare la viteze mai mici, deoarece este necesar un unghi mare de atac pentru a menține ridicarea, astfel încât viteza crește, această tracțiune devine mult mai mică, dar tracțiunea parazitară crește, deoarece fluidul curge mai rapid în jurul obiectelor proeminente crescând frecarea. Curba de glisare totală combinată este minimă la unele viteze de aer și va fi la sau aproape de eficiența sa optimă.
Wave drag (compresibilitatea de tracțiune) este creată prin prezența unui corp care se mișcă cu viteză mare printr-un fluid comprimabil. În aerodinamică, tracțiunea de undă constă din mai multe componente, în funcție de regimul de viteză al zborului. În zborul transonic - la viteze de 0,5 sau mai mari, dar totuși mai mic decât Mach 1.0 (numit viteza sunetului) - tragerile de undă sunt rezultatul fluxului supersonic local.
Fluxul supersonic are loc pe corpuri care călătoresc mult sub viteza sunetului, deoarece viteza locală a aerului pe un corp crește atunci când accelerează peste corp. Pe scurt, aeronavele care zboară la viteze transonice produc adesea tracțiune de val ca urmare. Aceasta crește pe măsură ce viteza aeronavei se apropie de bariera sonoră a lui Mach 1.0, înainte de a deveni un obiect supersonic.
În zborul supersonic, tragerile de undă sunt rezultatul undelor de șoc oblice formate la marginile de frunte și de final ale corpului. În fluxuri foarte supersonice, în schimb, se vor forma valuri de arc. La viteze supersonice, tracțiunea de undă este de obicei separată în două componente, tracțiunea supersonică de undă dependentă de ridicare și tracțiunea supersonică de undă dependentă de volum.
Înțelegerea rolului pe care îl joacă fricțiunile aeriene cu zborul, cunoașterea mecanicii sale și cunoașterea tipurilor de putere necesare pentru a-l depăși, sunt cruciale în ceea ce privește explorarea aerospațială și spațială. Știind toate acestea vor fi, de asemenea, critice atunci când va veni timpul să explorați alte planete din Sistemul nostru solar și în alte sisteme stelare cu totul!
Am scris multe articole despre rezistența aerului și zborul aici la Space Magazine. Iată un articol despre Ce este viteza terminală ?, Cum zboară avioanele? Care este coeficientul de frecare? Și care este forța gravitației?
Dacă doriți mai multe informații cu privire la programele aeronave ale NASA, consultați Ghidul pentru aerodinamică pentru începători și iată un link către ecuația de tracțiune.
De asemenea, am înregistrat multe episoade înrudite cu rolul Astronomy Cast. Ascultă aici, episodul 102: Gravity.
