Тук на Земята сме склонни да приемаме въздушното съпротивление (известен още като „влачене“) за даденост. Ние просто предполагаме, че когато хвърлим топка, стартираме самолет, дезорбираме космически кораб или изстреляме куршум от пистолет, че действието на него, пътуващо през нашата атмосфера, естествено ще го забави. Но каква е причината за това? Как въздухът може да забави даден обект, независимо дали е в свободно падане или в полет?
Поради нашето разчитане на въздушните пътувания, ентусиазма ни към космическите проучвания и любовта ни към спорта и правенето на нещата във въздуха (включително самите нас), разбирането на въздушното съпротивление е ключово за разбирането на физиката и е неразделна част от много научни дисциплини. Като част от субдисциплината, известна като динамика на флуидите, тя се прилага за области от аеродинамиката, хидродинамиката, астрофизиката и ядрената физика (за да назовем няколко).
Определение:
По дефиниция въздушното съпротивление описва силите, които са в опозиция на относителното движение на даден обект, докато той преминава през въздуха. Тези сили на влачене действат противоположно на скоростта на настъпващия поток, като по този начин забавят обекта. За разлика от другите сили на съпротивление, влаченето зависи пряко от скоростта, тъй като е компонентът на нетната аеродинамична сила, действаща противоположно на посоката на движение.
Друг начин да се каже е, че въздушното съпротивление е резултат от сблъсъци на водещата повърхност на обекта с въздушни молекули. Следователно може да се каже, че двата най-често срещани фактора, които имат пряко влияние върху размера на въздушното съпротивление, са скоростта на обекта и площта на напречното сечение на обекта. Ergo, както увеличените скорости, така и зоните на напречното сечение ще доведат до увеличено количество на въздушното съпротивление.
От гледна точка на аеродинамиката и полета, влаченето се отнася както за силите, действащи противоположно на тягата, така и за силите, работещи перпендикулярно на нея (т.е. повдигане). В астродинамиката атмосферното съпротивление е едновременно положителна и отрицателна сила в зависимост от ситуацията. Това е както източване на гориво, така и ефективност по време на излитане и икономия на гориво, когато космически кораб се връща на Земята от орбита.
Изчисляване на въздушното съпротивление:
Съпротивлението на въздуха обикновено се изчислява с помощта на „уравнение на влачене“, което определя силата, изпитвана от обект, движещ се през течност или газ със сравнително голяма скорост. Това може да се изрази математически като:
В това уравнение, FD представлява силата на влачене, р е плътността на течността, V е скоростта на обекта спрямо звука, А е площта на напречното сечение иCD е коефициентът на съпротивление. Резултатът е това, което се нарича „квадратично влачене“. След като това бъде определено, изчисляването на количеството мощност, необходимо за преодоляване на влаченето, включва подобен процес, който може да се изрази математически като:
Тук, Pdе силата, необходима за преодоляване на силата на влачене, Fd е силата на влачене, v е скоростта, р е плътността на течността, V е скоростта на обекта спрямо звука, А е площта на напречното сечение иCD е коефициентът на съпротивление. Както показва, нуждите от енергия са кубът на скоростта, така че ако са необходими 10 конски сили, за да отидете 80 kph, ще са необходими 80 конски сили, за да отидете 160 kph. Накратко, удвояването на скоростта изисква прилагане на осем пъти повече от мощността.
Видове въздушно съпротивление:
Има три основни типа влачене в аеродинамиката - Lift Induced, Parasitic и Wave. Всеки от тях влияе върху способността на обектите да стоят на височина, както и на мощността и горивото, необходими за задържането му там. Индуцираното (или просто индуцираното) повдигане се получава в резултат на създаването на асансьор върху триизмерно повдигащо тяло (крило или фюзелаж). Той има два основни компонента: вихрово влачене и повдигане, предизвикано от повдигане.
Вихрите се получават от бурното смесване на въздух с различно налягане върху горната и долната повърхност на тялото. Те са необходими за създаване на асансьор. С увеличаването на асансьора се увеличава и повдигането, предизвикано от асансьора. За самолет това означава, че когато ъгълът на атака и коефициентът на повдигане се увеличават до точката на спиране, така се увеличава и съпротивлението, предизвикано от асансьора.
За разлика от тях паразитното влачене се причинява от преместване на твърд предмет през течност. Този тип влачене е съставен от множество компоненти, които включват „влачене на формата“ и „влачене на триене на кожата“. В авиацията индуцираното влачене има тенденция да бъде по-голямо при по-ниски скорости, тъй като е необходим висок ъгъл на атака за поддържане на повдигането, така че увеличаването на скоростта това съпротивление става много по-малко, но паразитното влачене се увеличава, защото течността тече по-бързо около изпъкнали обекти, увеличаващи триенето. Комбинираната обща крива на влачене е минимална при някои скорости и ще бъде или близка до нейната оптимална ефективност.
Вълновото влачене (влачене на сгъваемостта) се създава от наличието на тяло, което се движи с висока скорост чрез сгъстяваща течност. В аеродинамиката влаченето на вълни се състои от множество компоненти в зависимост от режима на скорост на полета. При трансконичен полет - със скорост на Мах 0,5 или по-голяма, но все пак по-малка от Мах 1,0 (известна още като скорост на звука) - влаченето на вълната е резултат от локален свръхзвуков поток.
Свръхзвуков поток възниква върху тела, пътуващи доста под скоростта на звука, тъй като локалната скорост на въздуха върху тялото се увеличава, когато той се ускорява над тялото. Накратко, самолетите, които летят с трансконична скорост, често водят до влачене на вълната. Това се увеличава, когато скоростта на самолета приближава звуковата бариера на Mach 1.0, преди да стане свръхзвуков обект.
При свръхзвуков полет, влаченето на вълната е резултат от наклонени ударни вълни, образувани във водещите и задните краища на тялото. В силно свръхзвукови потоци вместо тях ще се образуват лъкови вълни. При свръхзвукови скорости влаченето на вълната обикновено се разделя на два компонента, свръхзвуково повдигане на вълната и свръхзвуково обемно влачене.
Разбирането на ролята на триенето на въздуха при полета, познаването на неговата механика и познаването на видовете енергия, необходима за преодоляването му, са изключително важни, когато става дума за космическото и космическото проучване. Знаейки всичко това също ще бъде от решаващо значение, когато дойде време да изследваме други планети в нашата Слънчева система, както и в други звездни системи!
Написахме много статии за въздушното съпротивление и полета тук в Space Magazine. Ето статия на тема „Какво е терминалната скорост?“, Как летят самолетите ?, какъв е коефициентът на триене? “И каква е силата на гравитацията?
Ако искате повече информация за летателните програми на НАСА, вижте Ръководството за аеродинамика за начинаещи и ето линк към уравнението за влачене.
Записали сме и много свързани епизоди на Астрономически роли. Чуйте тук, Епизод 102: Гравитация.
