L'aerodinàmica és un camp de coneixement que estudia el moviment dels fluxos d'aire i els seus efectes sobre els cossos sòlids. És una subsecció de la dinàmica hidrodinàmica i del gas. La investigació en aquesta àrea es remunta a l'antiguitat, a l'època de la invenció de les fletxes i les llances de planificació, que van permetre enviar un projectil més lluny i amb més precisió a un objectiu. Tanmateix, el potencial de l'aerodinàmica es va revelar plenament amb la invenció de vehicles més pesats que l'aire capaços de volar o planejar a distàncies considerables.
Des de l'antiguitat
El descobriment de les lleis de l'aerodinàmica al segle XX va contribuir a un s alt fantàstic en moltes àrees de la ciència i la tecnologia, especialment en el sector del transport. A partir dels seus èxits, s'han creat avions moderns, que han fet possible que pràcticament qualsevol racó del planeta Terra sigui accessible al públic.
La primera menció d'un intent de conquerir el cel es troba al mite grec d'Ícar i Dèdal. Pare i fill van construir ales semblants a un ocell. Això indica que fa milers d'anys la gent va pensar en la possibilitat de sortir del terreny.
Un altre augmentL'interès per la construcció d'avions va sorgir durant el Renaixement. L'apassionat investigador Leonardo da Vinci va dedicar molt de temps a aquest problema. Es coneixen les seves notes, que expliquen els principis de funcionament de l'helicòpter més senzill.
Nova era
L'avenç mundial en ciència (i en aeronàutica en particular) el va fer Isaac Newton. Després de tot, la base de l'aerodinàmica és una ciència integral de la mecànica, el fundador de la qual va ser un científic anglès. Newton va ser el primer a considerar el medi de l'aire com un conglomerat de partícules que, xocant contra un obstacle, s'hi adhereixen o es reflecteixen elàsticament. El 1726, va presentar al públic la teoria de la resistència de l'aire.
Posteriorment, va resultar que l'entorn realment està format per les partícules més petites: molècules. Van aprendre a calcular la reflectivitat de l'aire amb força precisió i l'efecte "enganxament" es va considerar una hipòtesi insostenible.
Sorprenentment, aquesta teoria va trobar aplicació pràctica segles més tard. Als anys 60, a l'alba de l'era espacial, els dissenyadors soviètics es van enfrontar al problema de calcular l'arrossegament aerodinàmic dels vehicles de descens de forma esfèrica "roma", que desenvolupen velocitats hipersòniques en aterrar. A causa de la manca d'ordinadors potents, va ser problemàtic calcular aquest indicador. De manera inesperada, va resultar que és possible calcular amb precisió el valor d'arrossegament i fins i tot la distribució de pressió sobre la part frontal mitjançant la fórmula senzilla de Newton sobre l'efecte d'"enganxar" les partícules a un objecte volador.
Desenvolupament de l'aerodinàmica
FundadorL'hidrodinàmic Daniel Bernoulli va descriure l'any 1738 la relació fonamental entre pressió, densitat i velocitat per al flux incompressible, conegut avui com el principi de Bernoulli, que també és aplicable als càlculs de sustentació aerodinàmica. El 1799 Sir George Cayley es va convertir en la primera persona a identificar les quatre forces aerodinàmiques de vol (pes, sustentació, arrossegament i empenta) i les relacions entre elles.
El 1871, Francis Herbert Wenham va crear el primer túnel de vent per mesurar amb precisió les forces aerodinàmiques. Teories científiques inestimables desenvolupades per Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. El 1889, Charles Renard, un enginyer aeronàutic francès, es va convertir en la primera persona a calcular científicament la potència necessària per a un vol sostingut.
De la teoria a la pràctica
Al segle XIX, els inventors miraven l'ala des d'un punt de vista científic. I gràcies a l'estudi del mecanisme del vol dels ocells, es va estudiar l'aerodinàmica en acció, que després es va aplicar als avions artificials.
Otto Lilienthal va destacar especialment en la investigació de la mecànica de les ales. El dissenyador d'avions alemany va crear i provar 11 tipus de planadors, inclòs un biplà. També va fer el primer vol en un aparell més pesat que l'aire. Durant una vida relativament curta (46 anys), va fer uns 2000 vols, millorant constantment el disseny, que s'assemblava més a un ala delta que a un avió. Va morir durant el següent vol el 10 d'agost de 1896, convertint-se en un pioneraeronàutica, i la primera víctima d'un accident d'avió. Per cert, l'inventor alemany va lliurar personalment un dels planadors a Nikolai Yegorovich Zhukovsky, un pioner en l'estudi de l'aerodinàmica dels avions.
Zhukovsky no només va experimentar amb dissenys d'avions. A diferència de molts entusiastes d'aquella època, va considerar principalment el comportament dels corrents d'aire des d'un punt de vista científic. El 1904 va fundar el primer institut aerodinàmic del món a Cachino, prop de Moscou. Des de 1918, va dirigir el TsAGI (Institut Central Aerohidrodinàmic).
Primers avions
L'aerodinàmica és la ciència que va permetre a l'home conquerir el cel. Sense estudiar-ho, seria impossible construir avions que es moguin de manera estable en corrents d'aire. El primer avió en el nostre sentit habitual va ser fabricat i aixecat a l'aire el 7 de desembre de 1903 pels germans Wright. Tanmateix, aquest esdeveniment va ser precedit d'un acurat treball teòric. Els nord-americans van dedicar molt de temps a depurar el disseny de la cèl·lula en un túnel de vent de disseny propi.
Durant els primers vols, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta i Nikolai Zhukovsky van proposar teories que explicaven la circulació dels corrents d'aire que creen sustentació. Kutta i Zhukovsky van continuar desenvolupant una teoria bidimensional de l'ala. A Ludwig Prandtl se li atribueix el desenvolupament de la teoria matemàtica de les forces aerodinàmiques i de sustentació subtils, a més de treballar amb capes límit.
Problemes i solucions
La importància de l'aerodinàmica dels avions va augmentar a mesura que augmentaven les seves velocitats. Els dissenyadors van començar a tenir problemes amb la compressió de l'aire a la velocitat del so o prop de la mateixa. Les diferències de flux en aquestes condicions han provocat problemes de maneig de l'aeronau, augment de l'arrossegament a causa de les ones de xoc i l'amenaça de fallada estructural a causa del flutter aeroelàstic. La relació entre la velocitat del flux i la velocitat del so es va anomenar nombre de Mach després d'Ernst Mach, que va ser un dels primers a investigar les propietats del flux supersònic.
William John McQuorn Rankine i Pierre Henri Gougoniot van desenvolupar de manera independent la teoria de les propietats del flux d'aire abans i després d'una ona de xoc, mentre que Jacob Akeret va fer el treball inicial sobre el càlcul de la sustentació i l'arrossegament dels perfils aerosònics supersònics. Theodor von Karman i Hugh Latimer Dryden van encunyar el terme "transònic" per descriure les velocitats a la frontera de Mach 1 (965-1236 km/h), quan la resistència augmenta ràpidament. La primera barrera del so es va trencar el 1947 en un avió Bell X-1.
Funcions clau
Segons les lleis de l'aerodinàmica, per garantir el vol a l'atmosfera terrestre de qualsevol dispositiu, és important saber:
- Arrossegament aerodinàmic (eix X) exercit pels corrents d'aire sobre un objecte. En funció d'aquest paràmetre, es selecciona la potència de la central elèctrica.
- Força d'elevació (eix Y), que proporciona ascens i permet que el dispositiu vola horitzontalment a la superfície de la terra.
- Moments de forces aerodinàmiques al llarg de tres eixos de coordenades que actuen sobre un objecte volador. el més importantés el moment de la força lateral al llarg de l'eix Z (Mz) dirigida a través de l'aeronau (condicionalment al llarg de la línia de l'ala). Determina el grau d'estabilitat longitudinal (si el dispositiu "bussejarà" o aixecarà el nas quan vola).
Classificació
El rendiment aerodinàmic es classifica segons les condicions i propietats del flux d'aire, incloses la velocitat, la compressibilitat i la viscositat. L'aerodinàmica externa és l'estudi del flux al voltant d'objectes sòlids de diverses formes. Alguns exemples són l'avaluació de la sustentació i les vibracions d'un avió, així com de les ones de xoc que es formen davant del nas d'un míssil.
L'aerodinàmica interna és l'estudi del flux d'aire que es mou a través d'obertures (passatges) en objectes sòlids. Per exemple, inclou l'estudi dels fluxos a través d'un motor a reacció.
El rendiment aerodinàmic també es pot classificar segons la velocitat del flux:
- El subsònic s'anomena velocitat inferior a la velocitat del so.
- Transònic (transònic): si hi ha velocitats per sota i per sobre de la velocitat del so.
- Susònic: quan la velocitat del flux és superior a la velocitat del so.
- Hipersonic: la velocitat del flux és molt més gran que la velocitat del so. Normalment aquesta definició significa velocitats amb números de Mach superiors a 5.
Aerodinàmica de l'helicòpter
Si el principi del vol de l'avió es basa en la força d'elevació durant el moviment de translació exercida sobre l'ala, l'helicòpter, per dir-ho, crea sustentació per si mateix a causa de la rotació de les pales en el mode de bufat axial (és a dir, sense velocitat de translació). Gràcies aAmb aquesta funció, l'helicòpter és capaç de volar en l'aire al seu lloc i realitzar maniobres enèrgiques al voltant de l'eix.
Altres aplicacions
Naturalment, l'aerodinàmica és aplicable no només a les aeronaus. La resistència de l'aire és experimentada per tots els objectes que es mouen a l'espai en un medi gasós i líquid. Se sap que els habitants aquàtics -peixos i mamífers- tenen formes aerodinàmiques. En el seu exemple, podeu rastrejar l'aerodinàmica en acció. Centrant-nos en el món animal, la gent també fa que el transport d'aigua sigui punxegut o en forma de llàgrima. Això s'aplica a vaixells, vaixells i submarins.
Els vehicles experimenten una resistència a l'aire important: augmenta a mesura que augmenta la velocitat. Per aconseguir una millor aerodinàmica, els cotxes reben una forma aerodinàmica. Això és especialment cert per als cotxes esportius.
