Aquesta força d'arrossegament es produeix als avions a causa de les ales o d'un cos d'elevació que redirigeix l'aire per provocar la sustentació, i en els cotxes amb ales aerodinàmiques que redirigeixen l'aire per provocar força aerodinàmica. Samuel Langley es va adonar que les plaques més planes i amb una relació d'aspecte més alta tenien una elevació més alta i una resistència més baixa i es van introduir el 1902. Sense la invenció de la qualitat aerodinàmica de l'aeronau, el disseny d'avions modern seria impossible.
Aixecar i moure
La força aerodinàmica total que actua sobre un cos es considera que consta de dos components: sustentació i desplaçament. Per definició, la component de força paral·lela al contracorrent s'anomena desplaçament, mentre que la component perpendicular al contraflux s'anomena sustentació.
Aquests conceptes bàsics d'aerodinàmica són de gran importància per a l'anàlisi de la qualitat aerodinàmica de l'ala. La sustentació es produeix canviant la direcció del flux al voltant de l'ala. CanviaLa direcció dóna lloc a un canvi de velocitat (encara que no hi hagi cap canvi de velocitat, com es veu en el moviment circular uniforme), que és acceleració. Per tant, per canviar la direcció del flux, cal aplicar una força al fluid. Això és clarament visible a qualsevol avió, només cal que mireu la representació esquemàtica de la qualitat aerodinàmica de l'An-2.
Però no tot és tan senzill. Continuant amb el tema de la qualitat aerodinàmica d'una ala, val la pena assenyalar que la creació de la sustentació de l'aire per sota d'ella és a una pressió superior a la pressió de l'aire per sobre. En una ala d'envergadura finita, aquesta diferència de pressió fa que l'aire flueixi des de l'arrel de l'ala de la superfície inferior fins a la base de la seva superfície superior. Aquest flux d'aire volador es combina amb l'aire que flueix per provocar un canvi de velocitat i direcció que torça el flux d'aire i crea vòrtexs al llarg de la vora posterior de l'ala. Els vòrtexs creats són inestables, es combinen ràpidament per crear vòrtexs d'ala. Els vòrtexs resultants canvien la velocitat i la direcció del flux d'aire darrere de la vora posterior, desviant-lo cap avall i provocant així una solapa darrere de l'ala. Des d'aquest punt de vista, per exemple, l'avió MS-21 té un alt nivell de proporció de sustentació/arrossegament.
Control del flux d'aire
Els vòrtexs al seu torn canvien el flux d'aire al voltant de l'ala, reduint la capacitat de l'ala per generar sustentació, de manera que requereix un angle d'atac més elevat per a la mateixa sustentació, que inclina la força aerodinàmica total cap enrere i augmenta el component d'arrossegament de aquella força. La desviació angular és insignificantafecta l'elevació. Tanmateix, hi ha un augment de l'arrossegament igual al producte de la sustentació i l'angle pel qual es desvia. Com que la deflexió és en si mateixa una funció de la sustentació, l'arrossegament addicional és proporcional a l'angle de pujada, que es pot veure clarament en l'aerodinàmica de l'A320.
Exemples històrics
Una ala planetària rectangular crea més vibracions de vòrtex que una ala cònica o el·líptica, i és per això que moltes ales modernes s'afilten per millorar la proporció de sustentació/arrossegament. No obstant això, la cèl·lula el·líptica és més eficient, ja que el rentat induït (i, per tant, l'angle efectiu d'atac) és constant en tota l'envergadura de les ales. A causa de les complicacions de fabricació, pocs avions tenen aquesta forma de planta, els exemples més famosos són el Spitfire de la Segona Guerra Mundial i el Thunderbolt. Les ales afilades amb vores directes i posteriors poden apropar-se a una distribució d'elevació el·líptica. Com a regla general, les ales rectes i no afilades produeixen un 5% i les ales afilades produeixen un 1-2% més d'arrossegament induït que una ala el·líptica. Per tant, tenen una millor qualitat aerodinàmica.
Proporcionalitat
Una ala amb una relació d'aspecte alta produirà menys arrossegament induïda que una ala amb una relació d'aspecte baixa perquè hi ha menys pertorbacions de l'aire a la punta d'una ala més llarga i fina. Per tant, l'induïtla resistència pot ser inversament proporcional a la proporcionalitat, per molt paradoxal que pugui semblar. La distribució de la sustentació també es pot canviar rentant-se, girant l'ala per reduir la caiguda cap a les ales i canviant el perfil aerodinàmic prop de les ales. Això us permet obtenir més sustentació més a prop de l'arrel de l'ala i menys a l'ala, la qual cosa comporta una disminució de la força dels vòrtexs de l'ala i, en conseqüència, una millora de la qualitat aerodinàmica de l'aeronau.
A la història del disseny d'avions
En alguns avions primerencs, les aletes estaven muntades a la punta de les cues. Els avions posteriors tenen una forma d'ala diferent per reduir la intensitat dels vòrtexs i aconseguir la màxima proporció de sustentació/arrossegament.
Els dipòsits de combustible de l'impulsor del terrat també poden proporcionar algun benefici en evitar el flux d'aire caòtic al voltant de l'ala. Ara s'utilitzen en molts avions. La qualitat aerodinàmica del DC-10 es va considerar merescudament revolucionària en aquest sentit. Tanmateix, el mercat de l'aviació moderna fa temps que s'ha omplert amb models molt més avançats.
Fórmula d'arrossegar per arrossegar: explicada en termes senzills
Per calcular la resistència total cal tenir en compte l'anomenada resistència parasitària. Com que l'arrossegament induït és inversament proporcional al quadrat de la velocitat de l'aire (a una sustentació determinada), mentre que l'arrossegament paràsit és directament proporcional a aquest, la corba d'arrossegament global mostra la velocitat mínima. avió,volant a aquesta velocitat, funciona amb qualitats aerodinàmiques òptimes. D'acord amb les equacions anteriors, la velocitat de la resistència mínima es produeix a una velocitat a la qual la resistència induïda és igual a la resistència parasitària. Aquesta és la velocitat a la qual s'aconsegueix l'angle de lliscament òptim per als avions inactius. Per no ser infundat, considereu la fórmula de l'exemple d'un avió:
La continuació de la fórmula també és força curiosa (a la imatge de sota). Volar més alt, on l'aire és més prim, augmentarà la velocitat a la qual es produeix l'arrossegament mínim i, per tant, permetrà viatjar més ràpid en la mateixa quantitat de combustible.
Si un avió vola a la seva velocitat màxima permesa, l' altitud a la qual la densitat de l'aire li proporcionarà la millor qualitat aerodinàmica. L' altitud òptima a la velocitat màxima i la velocitat òptima a l' altitud màxima poden canviar durant el vol.
Resistència
La velocitat per a la màxima resistència (és a dir, el temps a l'aire) és la velocitat per al consum mínim de combustible i la menor velocitat per a l'autonomia màxima. El consum de combustible es calcula com el producte de la potència requerida i el consum específic de combustible per motor (consum de combustible per unitat de potència). La potència requerida és igual al temps d'arrossegament.
Història
El desenvolupament de l'aerodinàmica moderna va començar només al XVIIsegles, però les forces aerodinàmiques han estat utilitzades pels humans durant milers d'anys en velers i molins de vent, i imatges i històries de vol apareixen en tots els documents històrics i obres d'art, com l'antiga llegenda grega d'Ícar i Dèdal. Els conceptes fonamentals de continu, resistència i gradients de pressió apareixen a l'obra d'Aristòtil i Arquimedes.
El 1726, Sir Isaac Newton es va convertir en la primera persona a desenvolupar la teoria de la resistència de l'aire, convertint-la en un dels primers arguments sobre les qualitats aerodinàmiques. El matemàtic holandès-suís Daniel Bernoulli va escriure un tractat el 1738 anomenat Hydrodynamica en el qual descrivia la relació fonamental entre pressió, densitat i velocitat de flux per al flux incompressible, conegut avui com el principi de Bernoulli, que proporciona un mètode per calcular la sustentació aerodinàmica. El 1757, Leonhard Euler va publicar les equacions d'Euler més generals, que es poden aplicar tant als fluxos compressibles com als incompressibles. Les equacions d'Euler es van estendre per incloure els efectes de la viscositat a la primera meitat del 1800, donant lloc a les equacions de Navier-Stokes. El rendiment aerodinàmic/la qualitat aerodinàmica del polar es va descobrir al mateix temps.
A partir d'aquests esdeveniments, així com de la investigació feta al seu propi túnel de vent, els germans Wright van volar el primer avió el 17 de desembre de 1903.
Tipus d'aerodinàmica
Els problemes aerodinàmics es classifiquen per condicions de flux o propietats de flux, incloses característiques com ara la velocitat, la compressibilitat i la viscositat. Sovint es divideixen en dos tipus:
- L'aerodinàmica externa és l'estudi del flux al voltant d'objectes sòlids de diverses formes. Exemples d'aerodinàmica externa són l'avaluació de la sustentació i l'arrossegament d'un avió o les ones de xoc que es formen davant del morro d'un míssil.
- L'aerodinàmica interna és l'estudi del flux a través de passatges en objectes sòlids. Per exemple, l'aerodinàmica interna inclou l'estudi del flux d'aire a través d'un motor a reacció o a través d'una xemeneia d'aire condicionat.
Els problemes aerodinàmics també es poden classificar segons les velocitats de flux per sota o prop de la velocitat del so.
El problema es diu:
- subsònic, si totes les velocitats del problema són inferiors a la velocitat del so;
- transonic si hi ha velocitats tant per sota com per sobre de la velocitat del so (normalment quan la velocitat característica és aproximadament igual a la velocitat del so);
- supersònic, quan la velocitat del flux característica és superior a la velocitat del so;
- hipersonic, quan la velocitat del flux és molt més gran que la velocitat del so.
Els aerodinàmics no estan d'acord sobre la definició exacta del flux hipersònic.
L'efecte de la viscositat sobre el flux dicta una tercera classificació. Alguns problemes només poden tenir efectes viscosos molt petits, en aquest cas la viscositat es pot considerar insignificant. Les aproximacions a aquests problemes s'anomenen inviscidscorrents. Els fluxos per als quals no es pot descuidar la viscositat s'anomenen fluxos viscosos.
Compressibilitat
Un flux incompressible és un flux en què la densitat és constant tant en el temps com en l'espai. Tot i que tots els fluids reals són compressibles, sovint s'aproxima el flux com a incompressible si l'efecte d'un canvi de densitat només provoca petits canvis en els resultats calculats. Això és més probable quan el cabal és molt per sota de la velocitat del so. Els efectes de la compressibilitat són més significatius a velocitats properes o superiors a la velocitat del so. El nombre de Mach s'utilitza per avaluar la possibilitat d'incompressibilitat, en cas contrari s'han d'incloure efectes de compressibilitat.
Segons la teoria de l'aerodinàmica, el flux es considera comprimible si la densitat canvia al llarg de la línia de corrent. Això vol dir que, a diferència d'un flux incompressible, es tenen en compte els canvis de densitat. En general, aquest és el cas quan el nombre de Mach d'una part o de tot el flux supera 0, 3. El valor de Mach de 0, 3 és més aviat arbitrari, però s'utilitza perquè un flux de gas per sota d'aquest valor presenta canvis de densitat inferiors al 5%. A més, el canvi màxim de densitat del 5% es produeix al punt d'estancament (el punt de l'objecte on la velocitat del flux és zero), mentre que la densitat al voltant de la resta de l'objecte serà molt menor. Els fluxos transònics, supersònics i hipersònics són tots compressibles.
Conclusió
L'aerodinàmica és una de les ciències més importants del món actual. Ella ens proporcionaconstruir avions, vaixells, cotxes i llançadores còmics de qualitat. Té un paper important en el desenvolupament de tipus moderns d'armes: míssils balístics, impulsors, torpedes i drons. Tot això seria impossible si no fos pels conceptes moderns avançats de qualitat aerodinàmica.
Així, les idees sobre el tema de l'article van canviar de belles, però ingènues fantasies sobre Ícar, a avions funcionals i realment funcionals que van sorgir a principis del segle passat. Avui no podem imaginar les nostres vides sense cotxes, vaixells i avions, i aquests vehicles continuen millorant amb nous avenços en aerodinàmica.
Les qualitats aerodinàmiques dels planadors van ser un autèntic avenç a la seva època. En un primer moment, tots els descobriments en aquest àmbit es van fer mitjançant càlculs teòrics abstractes, de vegades divorciats de la realitat, que eren realitzats per matemàtics francesos i alemanys als seus laboratoris. Més tard, totes les seves fórmules es van utilitzar per a altres propòsits més fantàstics (segons els estàndards del segle XVIII), com ara calcular la forma i la velocitat ideals dels futurs avions. Al segle XIX, aquests aparells van començar a construir-se en grans quantitats, començant per planeadores i dirigibles, els europeus van passar a poc a poc a la construcció d'avions. Aquests últims es van utilitzar per primera vegada exclusivament amb finalitats militars. Els ass de la Primera Guerra Mundial van mostrar com d'important és el tema del domini de l'aire per a qualsevol país, i els enginyers del període d'entreguerres van descobrir que aquests avions són efectius no només per als militars, sinó també per als civils.metes. Amb el pas del temps, l'aviació civil ha entrat amb fermesa a les nostres vides, i avui cap estat no pot prescindir-ne.
