Εδώ στη Γη, έχουμε την τάση να θεωρούμε δεδομένη την αντίσταση του αέρα (γνωστός και ως "drag"). Υποθέτουμε απλώς ότι όταν ρίχνουμε μια μπάλα, εκτοξεύουμε ένα αεροσκάφος, αφαιρούμε ένα διαστημικό σκάφος ή βάζουμε μια σφαίρα από ένα όπλο, ότι η πράξη του που ταξιδεύει μέσα από την ατμόσφαιρά μας θα την επιβραδύνει φυσικά. Αλλά ποιος είναι ο λόγος για αυτό; Πώς μπορεί ο αέρας να επιβραδύνει ένα αντικείμενο, είτε βρίσκεται σε ελεύθερη πτώση είτε κατά την πτήση;
Λόγω της εμπιστοσύνης μας στα αεροπορικά ταξίδια, του ενθουσιασμού μας για την εξερεύνηση του διαστήματος και της αγάπης μας για τον αθλητισμό και για να κάνουμε τα πράγματα αερομεταφερόμενα (συμπεριλαμβανομένου του εαυτού μας), η κατανόηση της αντίστασης του αέρα είναι το κλειδί για την κατανόηση της φυσικής και αναπόσπαστο μέρος πολλών επιστημονικών επιστημών. Ως μέρος της υπο-πειθαρχίας που είναι γνωστή ως δυναμική ρευστού, εφαρμόζεται σε πεδία αεροδυναμικής, υδροδυναμικής, αστροφυσικής και πυρηνικής φυσικής (για να αναφέρουμε μερικές).
Ορισμός:
Εξ ορισμού, η αντίσταση του αέρα περιγράφει τις δυνάμεις που έρχονται σε αντίθεση με τη σχετική κίνηση ενός αντικειμένου καθώς διέρχεται από τον αέρα. Αυτές οι δυνάμεις έλξης δρουν αντίθετα με την επικείμενη ταχύτητα ροής, επιβραδύνοντας έτσι το αντικείμενο προς τα κάτω. Σε αντίθεση με άλλες δυνάμεις αντίστασης, η οπισθέλκηση εξαρτάται άμεσα από την ταχύτητα, καθώς είναι το συστατικό της καθαρής αεροδυναμικής δύναμης που δρα αντίθετα προς την κατεύθυνση της κίνησης.
Ένας άλλος τρόπος για να το πούμε θα ήταν να πούμε ότι η αντίσταση του αέρα είναι το αποτέλεσμα συγκρούσεων της αρχικής επιφάνειας του αντικειμένου με μόρια αέρα. Μπορούμε λοιπόν να πούμε ότι οι δύο πιο συνηθισμένοι παράγοντες που έχουν άμεση επίδραση στην ποσότητα της αντίστασης του αέρα είναι η ταχύτητα του αντικειμένου και η περιοχή διατομής του αντικειμένου. Το Ergo, τόσο οι αυξημένες ταχύτητες όσο και οι διατομές θα οδηγήσουν σε αυξημένη ποσότητα αντίστασης στον αέρα.
Όσον αφορά την αεροδυναμική και την πτήση, η έλξη αναφέρεται τόσο στις δυνάμεις που δρουν αντίθετα από την ώθηση, όσο και στις δυνάμεις που λειτουργούν κάθετα σε αυτήν (δηλαδή ανύψωση). Στην αστροδυναμική, η ατμοσφαιρική αντίσταση είναι τόσο θετική όσο και αρνητική δύναμη ανάλογα με την κατάσταση. Αποτελεί τόσο την κατανάλωση καυσίμου όσο και την αποδοτικότητα κατά την ανύψωση και την εξοικονόμηση καυσίμου όταν ένα διαστημικό σκάφος επιστρέφει στη Γη από τροχιά.
Υπολογισμός αντίστασης αέρα:
Η αντίσταση του αέρα συνήθως υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την «εξίσωση έλξης», η οποία καθορίζει τη δύναμη που βιώνει ένα αντικείμενο που κινείται μέσω ενός ρευστού ή αερίου σε σχετικά μεγάλη ταχύτητα. Αυτό μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως:
Σε αυτήν την εξίσωση, FD αντιπροσωπεύει τη δύναμη έλξης, Π είναι η πυκνότητα του υγρού, β είναι η ταχύτητα του αντικειμένου σε σχέση με τον ήχο, ΕΝΑ είναι η περιοχή διατομής, καιCD είναι ο συντελεστής έλξης. Το αποτέλεσμα είναι αυτό που ονομάζεται «τετραγωνική μεταφορά». Μόλις αυτό προσδιοριστεί, ο υπολογισμός της ποσότητας ισχύος που απαιτείται για να ξεπεραστεί η αντίσταση περιλαμβάνει μια παρόμοια διαδικασία, η οποία μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως:
Εδώ, Δρείναι η δύναμη που απαιτείται για να ξεπεραστεί η δύναμη της έλξης, Fd είναι η δύναμη έλξης, το v είναι η ταχύτητα, Π είναι η πυκνότητα του υγρού, β είναι η ταχύτητα του αντικειμένου σε σχέση με τον ήχο, ΕΝΑ είναι η περιοχή διατομής, καιCD είναι ο συντελεστής έλξης. Όπως δείχνει, οι ανάγκες σε ισχύ είναι ο κύβος της ταχύτητας, οπότε αν χρειάζεται 10 ίππους για να πάει 80 kph, θα χρειαστεί 80 ίππους για να πάει 160 kph. Εν ολίγοις, ο διπλασιασμός της ταχύτητας απαιτεί εφαρμογή οκτώ φορές την ισχύ.
Τύποι αντίστασης αέρα:
Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι έλξης στην αεροδυναμική - Lift Induced, Parasitic και Wave. Κάθε ένα επηρεάζει την ικανότητα ενός αντικειμένου να παραμένει ψηλά, καθώς και την ισχύ και το καύσιμο που απαιτείται για να το κρατήσει εκεί. Η ολίσθηση που προκαλείται από την ανύψωση (ή απλώς η επαγόμενη) εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της δημιουργίας ανύψωσης σε ένα τρισδιάστατο σώμα ανύψωσης (πτέρυγα ή άτρακτο). Έχει δύο κύρια συστατικά: drag vortex και ιξώδες drag που προκαλείται από ανύψωση.
Οι στροφές προέρχονται από την ταραχώδη ανάμιξη αέρα ποικίλης πίεσης στις άνω και κάτω επιφάνειες του σώματος. Αυτά είναι απαραίτητα για τη δημιουργία ανελκυστήρα. Καθώς ο ανελκυστήρας αυξάνεται, το ίδιο κάνει και η έλξη που προκαλείται από την ανύψωση. Για ένα αεροσκάφος αυτό σημαίνει ότι καθώς η γωνία επίθεσης και ο συντελεστής ανύψωσης αυξάνονται στο σημείο στάσης, το ίδιο ισχύει και για την έλξη που προκαλείται από τον ανελκυστήρα.
Αντίθετα, η παρασιτική έλξη προκαλείται από τη μετακίνηση ενός στερεού αντικειμένου μέσω ενός υγρού. Αυτός ο τύπος έλξης αποτελείται από πολλαπλά στοιχεία, τα οποία περιλαμβάνουν το "form drag" και το "skin friction drag". Στην αεροπορία, η επαγόμενη έλξη τείνει να είναι μεγαλύτερη σε χαμηλότερες ταχύτητες επειδή απαιτείται υψηλή γωνία προσβολής για τη διατήρηση της ανύψωσης, έτσι ώστε η ταχύτητα αυξάνει αυτή η έλξη γίνεται πολύ μικρότερη, αλλά η παρασιτική έλξη αυξάνεται επειδή το ρευστό ρέει γρηγορότερα γύρω από τα προεξέχοντα αντικείμενα αυξάνοντας την τριβή. Η συνδυασμένη συνολική καμπύλη οπισθέλκουσας είναι ελάχιστη σε ορισμένες ταχύτητες αέρα και θα είναι στην ή κοντά στη βέλτιστη απόδοσή της.
Η μεταφορά κύματος (drag compressibility) δημιουργείται από την παρουσία ενός σώματος που κινείται με υψηλή ταχύτητα μέσω ενός συμπιέσιμου υγρού. Στην αεροδυναμική, η οπισθέλκηση κυμάτων αποτελείται από πολλά εξαρτήματα ανάλογα με το καθεστώς ταχύτητας της πτήσης. Στην πτήση transonic - σε ταχύτητες Mach 0,5 ή μεγαλύτερες, αλλά ακόμα μικρότερες από Mach 1,0 (γνωστή και ως ταχύτητα ήχου) - η μεταφορά κυμάτων είναι το αποτέλεσμα της τοπικής υπερηχητικής ροής.
Η υπερηχητική ροή συμβαίνει σε σώματα που ταξιδεύουν πολύ κάτω από την ταχύτητα του ήχου, καθώς η τοπική ταχύτητα αέρα σε ένα σώμα αυξάνεται όταν επιταχύνεται πάνω από το σώμα. Εν ολίγοις, τα αεροσκάφη που πετούν με διανονικές ταχύτητες συνεπάγονται συχνά έλξη κύματος. Αυτό αυξάνεται καθώς η ταχύτητα του αεροσκάφους πλησιάζει το ηχητικό φράγμα του Mach 1.0, πριν γίνει υπερηχητικό αντικείμενο.
Στην υπερηχητική πτήση, η οπισθέλκηση των κυμάτων είναι το αποτέλεσμα των λοξών κρουστικών κυμάτων που σχηματίζονται στα μπροστινά και πίσω άκρα του σώματος. Σε εξαιρετικά υπερηχητικές ροές θα σχηματιστούν κύματα τόξου. Στις υπερηχητικές ταχύτητες, η οπισθέλκηση κυμάτων συνήθως διαχωρίζεται σε δύο συνιστώσες, την υπερηχητική ολίσθηση που εξαρτάται από την ανύψωση και την υπερηχητική ογκομετρική κίνηση.
Η κατανόηση του ρόλου που διαδραματίζει η αεροπορική τριβή με την πτήση, η γνώση της μηχανικής της, και η γνώση των ειδών ισχύος που απαιτείται για να το ξεπεράσουν, είναι όλα ζωτικής σημασίας όσον αφορά την αεροδιαστημική και την εξερεύνηση του διαστήματος. Η γνώση όλων αυτών θα είναι επίσης κρίσιμη όταν έρθει η ώρα να εξερευνήσουμε άλλους πλανήτες στο Ηλιακό μας Σύστημα και σε άλλα συστήματα αστεριών!
Έχουμε γράψει πολλά άρθρα σχετικά με την αντίσταση του αέρα και την πτήση εδώ στο Space Magazine. Εδώ είναι ένα άρθρο για το Τι είναι η ταχύτητα του τερματικού ;, Πώς πετούν τα αεροπλάνα ;, Ποιος είναι ο συντελεστής τριβής;
Εάν θέλετε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα προγράμματα αεροσκαφών της NASA, ανατρέξτε στον Οδηγό για αρχάριους για την αεροδυναμική και εδώ είναι ένας σύνδεσμος για την εξίσωση έλξης.
Καταγράψαμε επίσης πολλά σχετικά επεισόδια του Astronomy Cast. Ακούστε εδώ, επεισόδιο 102: Βαρύτητα.
