Тут, на Землі, ми схильні сприймати опір повітря (т.к. «тягнути») як належне. Ми просто припускаємо, що коли ми кидаємо кульку, запускаємо літальний апарат, декорбіруємо космічний корабель або вистрілюємо кулю з пістолета, то дія цього, що подорожує нашою атмосферою, природно сповільнить його. Але в чому причина цього? Тільки як повітря здатний уповільнити предмет, будь то у вільному падінні чи в польоті?
Через нашу залежність від повітряних подорожей, наш ентузіазм до вивчення космосу та нашу любов до спорту та виготовлення речей у повітрі (включаючи нас самих), розуміння опору повітря є ключовим для розуміння фізики та є невід’ємною частиною багатьох наукових дисциплін. Як частина піддисципліни, відома як динаміка рідини, вона застосовується до полів аеродинаміки, гідродинаміки, астрофізики та ядерної фізики (назвати декілька).
Визначення:
За визначенням опір повітря описує сили, які перебувають в опозиції щодо відносного руху предмета, коли він проходить через повітря. Ці сили перетягування діють протилежно швидкості зустрічного потоку, тим самим сповільнюючи об'єкт. На відміну від інших сил опору, тягання безпосередньо залежить від швидкості руху, оскільки це складова чистої аеродинамічної сили, що діє протилежно напрямку руху.
Іншим способом можна сказати, що опір повітря є результатом зіткнення передньої поверхні об'єкта з молекулами повітря. Тому можна сказати, що два найпоширеніші фактори, які безпосередньо впливають на величину опору повітря, - це швидкість об єкта та площа поперечного перерізу об’єкта. Ерго, як збільшена швидкість, так і площа поперечного перерізу призведе до збільшення кількості опору повітря.
З точки зору аеродинаміки та польоту тягне відношення як до сил, що діють протилежно від тяги, так і до сил, що працюють перпендикулярно до неї (тобто підйому). В астродинаміці атмосферне потяг є як позитивною, так і негативною силою залежно від ситуації. Це і витрата палива, і ефективність під час зльоту, і економія палива, коли космічний апарат повертається на Землю з орбіти.
Розрахунок опору повітря:
Опір повітря, як правило, розраховується за допомогою "рівняння перетягування", яке визначає силу, яку відчуває об'єкт, що рухається через рідину або газ з відносно великою швидкістю. Це можна виразити математично як:
У цьому рівнянні FD представляє силу перетягування, p - щільність рідини, v - швидкість об'єкта відносно звуку, А - площа поперечного перерізу, іCD - коефіцієнт зносу. Результат - це те, що називається «квадратичним перетягуванням». Після того, як це буде визначено, обчислення кількості потужності, необхідної для подолання перетягування, включає аналогічний процес, який можна виразити математично як:
Ось Pd- сила, необхідна для подолання сили перетягування, Fd - сила тяги, v - швидкість, p - щільність рідини, v - швидкість об'єкта відносно звуку, А - площа поперечного перерізу, іCd - коефіцієнт зносу. Як показано, потреба в потужності - це куб швидкості, тому, якщо потрібно 80 к.с. на 10 кінських сил, для 160 кілометрів на год знадобиться 80 кінських сил. Коротше кажучи, подвоєння швидкості вимагає застосування у вісім разів більше потужності.
Види опору повітря:
У аеродинаміці є три основні типи перетягування: "Підйом ліній", "Паразит" та "Хвиля". Кожен впливає на здатність предметів залишатися осторонь, а також на потужність і паливо, необхідні для його утримання. Потяг, викликаний підйомом (або просто індукований), виникає в результаті створення підйомника на тривимірному підйомному корпусі (крило або фюзеляж). Він має два основні компоненти: вихрове перетягування та в'язке в’язке, спричинене ліфтом.
Вихри виникають в результаті бурхливого перемішування повітря різного тиску на верхній і нижній поверхнях тіла. Вони потрібні для створення підйомника. Зі збільшенням підйому збільшується і тягнуче підняття. Для літака це означає, що як кут атаки, так і коефіцієнт підйому збільшуються до точки затримки, так збільшується і тягування, спричинене ліфтом.
Навпаки, паразитичне затягування викликається переміщенням твердого предмета через рідину. Цей тип перетягування складається з декількох компонентів, що включає "перетягування форми" та "перетягування тертя шкіри". В авіації індуковане перетягування має тенденцію бути більшим на менших швидкостях, оскільки для підтримання підйому потрібен високий кут атаки, тому при збільшенні швидкості ця опора стає набагато меншою, але паразитичне перетягування збільшується через те, що рідина швидше тече навколо виступаючих предметів, збільшуючи тертя. Комбінована загальна крива перетягування мінімальна при деяких швидкостях повітря і буде наближатися до оптимальної ефективності.
Перетягування хвилі (перетягування стиснення) створюється наявністю тіла, що рухається з великою швидкістю через рідину, що стискається. В аеродинаміці перетягування хвиль складається з декількох компонентів залежно від швидкісного режиму польоту. При трансконічному польоті - зі швидкістю Маха 0,5 або більшою, але все ж меншою, ніж Мах 1,0 (також. Швидкість звуку) - перетягування хвиль є результатом локального надзвукового потоку.
Надзвуковий потік виникає на тіла, що рухаються значно нижче швидкості звуку, оскільки локальна швидкість повітря на тілі збільшується, коли він прискорюється над тілом. Коротше кажучи, літаки, що летять з трансконічною швидкістю, часто спричиняють перетягування хвиль. Це зростає, коли швидкість літака наближається до звукового бар'єру Mach 1.0, перш ніж стати надзвуковим об'єктом.
При надзвуковому польоті хвильове перетягування є результатом косих ударних хвиль, що утворюються на передових і задніх краях тіла. У високозвукових потоках замість цього утворюватимуться лукові хвилі. При надзвукових швидкостях перетягування хвиль зазвичай розділяється на дві складові, надзвукове підняття хвилі, залежне від підйому, і надзвукове об'ємне перетягування хвиль.
Розуміння ролі тертя повітря, яке відіграє при польоті, знання його механіки та знання потужності, необхідної для його подолання, є усіма вирішальними питаннями аерокосмічної та космічної розвідки. Знання про все це також буде критично важливим, коли настане час вивчити інші планети нашої Сонячної системи та взагалі в інших зіркових системах!
Ми написали багато статей про опір повітряного польоту та політ тут у Space Magazine. Ось стаття на тему: Що таке термінальна швидкість ?, Як літають літаки ?, Що таке коефіцієнт тертя ?, Що таке сила тяжіння?
Якщо вам потрібна додаткова інформація про літальні програми NASA, перегляньте Посібник для аеродинаміки для початківців, і ось посилання на рівняння перетягування.
Ми також записали багато споріднених епізодів ролі "Астрономія". Слухайте тут, Епізод 102: Гравітація.
