Tu na Zemlji smo ponavadi jemljemo zračni upor (aka. "Drag") za samoumeven. Samo domnevamo, da ko bomo vrgli žogo, izstrelili letalo, deorbilirali vesoljsko plovilo ali izstrelili metko iz pištole, ga bo njegovo delovanje, ki potuje skozi naše ozračje, seveda upočasnilo. Toda kaj je razlog za to? Kako lahko zrak upočasni predmet, ne glede na to, ali je v prostem padu ali med letom?
Zaradi naše odvisnosti od letalskih potovanj, našega navdušenja za raziskovanje vesolja in naše ljubezni do športa in delanja stvari v zraku (vključno s seboj), je razumevanje zračnega upora ključnega pomena za razumevanje fizike in sestavni del mnogih znanstvenih disciplin. Kot del subdiscipline, imenovane dinamika tekočin, velja za področja aerodinamike, hidrodinamike, astrofizike in jedrske fizike (če jih naštejemo le nekaj).
Opredelitev:
Zračni upor po definiciji opisuje sile, ki so v nasprotju z relativnim gibanjem predmeta, ko ta prehaja skozi zrak. Te sile vleka delujejo nasprotno od prihajajoče hitrosti toka in tako upočasnijo predmet. V nasprotju z drugimi silami upora je vlečenje neposredno odvisno od hitrosti, saj je sestavni del neto aerodinamične sile, ki deluje nasprotno od smeri gibanja.
Drug način bi bil reči, da je zračni upor posledica trka vodilne površine predmeta z molekulami zraka. Zato lahko rečemo, da sta dva najpogostejša dejavnika, ki neposredno vplivata na količino zračnega upora, hitrost predmeta in območje preseka predmeta. Ergo, tako povečana hitrost kot območja prečnega prereza bodo povzročili povečano količino zračnega upora.
Glede aerodinamike in letenja se vlečenje nanaša tako na sile, ki delujejo nasprotno od potiska, kot tudi na sile, ki delujejo pravokotno nanj (t.i. dvigalo). V astrodinamiki je atmosfersko vlečenje tako pozitivna kot negativna sila, odvisno od situacije. To je tako poraba goriva kot učinkovitost med dvigovanjem in prihranek goriva, ko se vesoljsko plovilo vrača na Zemljo iz orbite.
Izračun zračnega upora:
Zračni upor se ponavadi izračuna z uporabo "enačbe povleka", ki določa silo, ki jo ima subjekt, ki se giblje skozi tekočino ali plin z relativno veliko hitrostjo. To lahko izrazimo matematično kot:
V tej enačbi oz. FD predstavlja vlečno silo, str je gostota tekočine, v je hitrost predmeta glede na zvok, A je območje preseka inCD je koeficient vlečenja. Rezultat je tisto, kar se imenuje "kvadratno vlečenje". Ko je to določeno, izračunavanje količine moči, potrebne za premagovanje vleka, vključuje podoben postopek, ki se lahko izrazi matematično kot:
Tukaj, Pdje moč, potrebna za premagovanje sile vlečenja, Fd je sila vlečenja, v je hitrost, str je gostota tekočine, v je hitrost predmeta glede na zvok, A je območje preseka inCd je koeficient vlečenja. Kot kaže, so potrebe po moči kocka hitrosti, tako da, če potrebujete 80 konjskih moči za 80 km / h, potrebuje 160 konjskih moči 160 km / km. Skratka, za podvojitev hitrosti je potreben osemkratni znesek moči.
Vrste zračnega upora:
V aerodinamiki obstajajo tri glavne vrste vlečenja - Lift Induced, Parasitic in Wave. Vsak vpliva na sposobnost predmetov, da ostanejo zraven, pa tudi na moč in gorivo, ki sta potrebna, da se tam zadrži. Vlečenje, povzročeno z dvigom (ali ravnokar inducirano), je posledica ustvarjanja dvigala na tridimenzionalnem dvižnem telesu (krilo ali trup). Ima dve glavni komponenti: vortex vlečenje in dvig, ki ga povzroča viskozno vlečenje.
Vorteksi izhajajo iz burnega mešanja zraka različnega pritiska na zgornjo in spodnjo površino telesa. Te so potrebne za ustvarjanje dvigala. Ko se dvigalo povečuje, se s tem dviga tudi vlečenje. Za zrakoplov to pomeni, da se kot napadnega kota in dvižni koeficient povečujeta do točke zastoja, tako se tudi dvig, ki ga povzroči dvig.
V nasprotju s tem parazitsko vleko povzroči premikanje trdnega predmeta skozi tekočino. Ta vrsta vlečenja je sestavljena iz več komponent, ki vključujejo "povlečenje obrazca" in "trenje kože". V letalstvu je inducirano vlečenje večje pri nižjih hitrostih, ker je za vzdrževanje dviga potreben visok napadni kot, tako da s povečanjem hitrosti to vlečenje postane veliko manj, parazitsko vlečenje pa se poveča, ker tekočina hitreje teče okoli štrlečih predmetov, ki povečuje trenje. Kombinirana skupna krivulja vleka je pri nekaterih hitrostih zraka minimalna in bo dosegala ali dosegala njegovo optimalno učinkovitost.
Vlečenje valov (stiskanje) je ustvarjeno s prisotnostjo telesa, ki se giblje z veliko hitrostjo skozi stisljivo tekočino. V aerodinamiki je valovanje vleka sestavljeno iz več komponent, odvisno od hitrostnega režima leta. Pri transoničnem letu - pri hitrostih Macha 0,5 ali več, vendar še vedno manjši od Macha 1,0 (aka. Hitrost zvoka) - je vlečenje valov posledica lokalnega nadzvočnega pretoka.
Nadzvočni pretok se pojavi na telesih, ki potujejo precej pod hitrostjo zvoka, saj se lokalna hitrost zraka na telesu poveča, ko se pospeši nad telesom. Skratka, letala, ki letijo s transoničnimi hitrostmi, pogosto povzročijo vlečenje valov. Ta se povečuje, ko hitrost letala približuje zvočno oviro Mach 1.0, preden postane nadzvočni objekt.
Pri nadzvočnem letenju je vlečenje valov posledica poševnih udarnih valov, ki so nastali na vodilnih in zadnjih robovih telesa. V zelo nadzvočnem toku se namesto tega oblikujejo loki valovi. Pri nadzvočnih hitrostih se vlečenje valov običajno loči na dve komponenti, od nadzvočnega dviga, ki je odvisen od dviga, in nadzvočni volumen, ki je odvisen od volumna.
Razumevanje vloge zračnega trenja pri poletu, poznavanje njegove mehanike in poznavanje vrste moči, potrebne za njegovo premagovanje, so ključnega pomena pri vesoljskem in vesoljskem raziskovanju. Poznavanje vsega tega bo ključnega pomena tudi, ko bo čas za raziskovanje drugih planetov v našem Osončju in v drugih zvezdnih sistemih!
Tu smo napisali veliko člankov o zračnem uporu in poletu tukaj pri reviji Space Magazine. Tukaj je članek o tem, kaj je terminalna hitrost ?, kako letijo letali ?, kakšen je koeficient trenja ?, in kaj je sila teže?
Če želite več informacij o NASA-inih letalskih programih, si oglejte Vodnik za aerodinamiko za začetnike in tu je povezava do enačbe povleka.
Posneli smo tudi veliko sorodnih epizod Astronomy Cast. Poslušajte tukaj, Epizoda 102: Gravitacija.
