Ovdje na Zemlji skloni smo zračnom otporu (aka. „Vuci“) zdravo za gotovo. Mi samo pretpostavljamo da kada bacimo kuglu, lansiramo zrakoplov, deorbitujemo svemirsku letjelicu ili ispalimo metak iz pištolja, da će ga čin koji putuje kroz našu atmosferu prirodno usporiti. Ali što je razlog za to? Samo kako zrak može usporiti predmet, bez obzira pada li on u slobodnom padu ili u letu?
Zbog naše ovisnosti o zračnim putovanjima, našeg entuzijazma za istraživanje svemira i naše ljubavi prema sportu i stvaranju stvari u zraku (uključujući i nas same), razumijevanje otpora zraka ključno je za razumijevanje fizike i sastavni je dio mnogih znanstvenih disciplina. Kao dio subdiscipline poznate kao dinamika fluida, primjenjuje se na područja aerodinamike, hidrodinamike, astrofizike i nuklearne fizike (da nabrojimo neke).
Definicija:
Otpor zraka prema definiciji opisuje sile koje su u suprotnosti s relativnim gibanjem nekog predmeta dok prolazi zrakom. Te vučne sile djeluju suprotno brzini nadolazećeg toka, usporavajući tako objekt. Za razliku od drugih sila otpora, povlačenje izravno ovisi o brzini, budući da je ona komponenta neto aerodinamičke sile koja djeluje suprotno smjeru kretanja.
Drugi način bi rekao da je otpor zraka rezultat sudara vodeće površine objekta sa molekulama zraka. Stoga se može reći da su dva najčešća faktora koja izravno utječu na količinu otpora zraka brzina objekta i površina poprečnog presjeka objekta. Ergo, i povećana brzina i površine poprečnog presjeka rezultirat će povećanom količinom otpora zraka.
U pogledu aerodinamike i leta, povlačenje se odnosi na sile koje djeluju suprotno od potiska, kao i sile koje djeluju okomito na njega (tj. Dizanje). U astrodinamici, atmosfersko povlačenje je i pozitivna i negativna sila, ovisno o situaciji. To je i trošak goriva i efikasnost tijekom polijetanja, kao i ušteda goriva kada se svemirski brod vraća iz Zemlje u orbitu.
Izračunavanje otpora zraka:
Otpor zraka obično se izračunava pomoću "jednadžbe povlačenja", koja određuje silu koju doživljava objekt koji se kreće kroz fluid ili plin pri relativno velikim brzinama. To se može matematički izraziti kao:
U ovoj jednadžbi F D predstavlja silu povlačenja, p je gustoća tekućine, v je brzina objekta u odnosu na zvuk, je područje presjeka, iCD koeficijent povrata. Rezultat je ono što se naziva "kvadratno povlačenje". Kad se to utvrdi, izračunavanje količine snage potrebne za prevladavanje povlačenja uključuje sličan postupak, koji se može matematički izraziti kao:
Ovdje, Pdje snaga potrebna za svladavanje sile povlačenja, F D je sila vučenja, v je brzina, p je gustoća tekućine, v je brzina objekta u odnosu na zvuk, je područje presjeka, iCD koeficijent povrata. Kao što pokazuje, potrebe za napajanjem su kocka brzine, pa ako treba 10 konjskih snaga za 80 km / h, trebati će 80 konjskih snaga 160 km / h. Ukratko, dvostruka brzina zahtijeva uporabu od osam puta veće snage.
Vrste otpornosti na zrak:
Postoje tri glavne vrste povlačenja u aerodinamici: Lift induced, Parasitic i Wave. Svaki od njih utječe na sposobnost objekata da ostanu po visini, kao i na snagu i gorivo potrebne za zadržavanje ondje. Povlačenje uzrokovano podizanjem (ili samo inducirano) javlja se kao rezultat stvaranja dizala na trodimenzionalnom tijelu za podizanje (krilo ili trup). Sadrži dvije glavne komponente: vortex vučenje i visko vučenje uzrokovano podizanjem.
Vorcesi potječu od burnog miješanja zraka različitog pritiska na gornju i donju površinu tijela. Oni su potrebni za stvaranje dizala. Kako se dizalo povećava, tako raste i povlačenja izazvana dizanjem. Za zrakoplov to znači da kako se kut napada i koeficijent podizanja povećavaju do mjesta zastoja, povećava se i povlačenje izazvano podizanjem.
Suprotno tome, parazitsko povlačenje nastaje pomicanjem čvrstog predmeta kroz fluid. Ova vrsta povlačenja sastoji se od više komponenti, što uključuje "povlačenje oblika" i "povlačenje trenjem kože". U zrakoplovstvu inducirano povlačenje ima tendenciju veće pri nižim brzinama jer je za održavanje podizanja potreban visoki napadni kut, pa kako povećava brzina to povlačenje postaje mnogo manje, ali parazitsko povlačenje povećava se jer tekućina brže teče oko stršećih predmeta povećavajući trenje. Kombinirana ukupna krivulja vučenja minimalna je za neke brzine zraka i bit će pri ili blizu njezinoj optimalnoj učinkovitosti.
Vučenje valova (povlačenje kompresibilnosti) nastaje prisustvom tijela koje se kreće velikom brzinom kroz fluid koji se može komprimirati. U aerodinamičnosti povlačenje valova sastoji se od više komponenata ovisno o brzinskom režimu leta. U transonskom letu - pri brzinama Macha 0,5 ili većim, ali još uvijek manjim od Macha 1,0 (aka. Brzina zvuka) - povlačenje valova rezultat je lokalnog nadzvučnog protoka.
Nadzvučni protok javlja se na tijelima koja putuju znatno ispod brzine zvuka, jer se lokalna brzina zraka na tijelu povećava kad se ubrzava nad tijelom. Ukratko, zrakoplovi koji lete prekozvučnim brzinama često rezultiraju povlačenjem valova. To se povećava kako se brzina zrakoplova približava zvučnoj barijeri Mach 1.0 prije nego što postane nadzvučni objekt.
U nadzvučnom letu, vučno valovanje rezultat je kosih valova nastalih na vodećim i zavojnim rubovima tijela. U visokozvučnim strujama umjesto toga formirat će se lučni valovi. Pri nadzvučnim brzinama povlačenje valova obično se dijeli na dvije komponente, povlačenje valova koji ovisi o o nadzvučnom podizanju i povlačenje valova ovisno o volumenu.
Razumijevanje uloge zračnog trenja koje igra pri letu, poznavanje njegove mehanike i poznavanje vrsta snage potrebne za njegovo prevladavanje, sve su presudne u pitanju zrakoplovnih i svemirskih istraživanja. Znajući sve to bit će i presudno kada dođe vrijeme za istraživanje drugih planeta u našem Sunčevom sustavu, ali i u drugim zvjezdanim sustavima!
Ovdje smo pisali mnoge članke o zračnom otporu i letu i to u časopisu Space Magazine. Evo članka o tome što je terminalna brzina ?, kako avioni lete ?, što je koeficijent trenja ?, i što je sila gravitacije?
Ako želite više informacija o NASA-inim programima zrakoplova, pogledajte Vodič za aerodinamiku za početnike i evo poveznice na Drag Equation.
Također smo snimili i mnoge povezane epizode iz astronomske glume. Slušajte ovdje, epizoda 102: Gravitacija.
