آیرودینامیک رشته‌ای از دانش است که حرکت جریان‌های هوا و تأثیر آنها بر اجسام جامد را مطالعه می‌کند. این یک زیربخش از دینامیک هیدرو و گاز است. تحقیقات در این زمینه به دوران باستان و به زمان اختراع تیرها و نیزه های برنامه ریزی برمی گردد که امکان ارسال پرتابه را بیشتر و دقیق تر به سمت هدف می داد. با این حال، پتانسیل آیرودینامیک با اختراع وسایل نقلیه سنگین تر از هوا که قادر به پرواز یا سر خوردن در فواصل قابل توجه بودند، به طور کامل آشکار شد.
از دوران باستان
کشف قوانین آیرودینامیک در قرن بیستم به یک جهش فوق العاده در بسیاری از زمینه های علم و فناوری، به ویژه در بخش حمل و نقل کمک کرد. بر اساس دستاوردهای آن، هواپیماهای مدرنی ساخته شده است که تقریباً هر گوشه ای از سیاره زمین را در دسترس عموم قرار می دهد.
اولین اشاره به تلاش برای تسخیر آسمان در اسطوره یونانی ایکاروس و ددالوس یافت می شود. پدر و پسر بالهایی شبیه پرنده ساختند. این نشان می دهد که هزاران سال پیش مردم در مورد امکان پایین آمدن از زمین فکر می کردند.
یک افزایش دیگرعلاقه به ساخت هواپیما در دوران رنسانس به وجود آمد. محقق پرشور لئوناردو داوینچی زمان زیادی را به این مشکل اختصاص داد. یادداشت های او شناخته شده است که اصول عملکرد ساده ترین هلیکوپتر را توضیح می دهد.
دوران جدید
پیشرفت جهانی در علم (و به ویژه هوانوردی) توسط اسحاق نیوتن انجام شد. به هر حال اساس آیرودینامیک علم مکانیک جامعی است که بنیانگذار آن دانشمند انگلیسی بوده است. نیوتن اولین کسی بود که محیط هوا را مجموعه ای از ذرات در نظر گرفت که با برخورد به یک مانع، یا به آن می چسبند یا به صورت کشسانی منعکس می شوند. او در سال 1726 تئوری مقاومت هوا را به مردم ارائه کرد.
متعاقباً معلوم شد که محیط واقعاً از کوچکترین ذرات - مولکولها تشکیل شده است. آنها یاد گرفتند که چگونه انعکاس هوا را کاملاً دقیق محاسبه کنند، و اثر "چسبیدن" یک فرض غیرقابل دفاع در نظر گرفته شد.
با کمال تعجب، این نظریه قرن ها بعد کاربرد عملی پیدا کرد. در دهه 60، در طلوع عصر فضا، طراحان شوروی با مشکل محاسبه کشش آیرودینامیکی وسایل نقلیه فرود با شکل کروی "بلانت" مواجه شدند که در هنگام فرود، سرعت های مافوق صوت را توسعه می دهند. به دلیل نبود کامپیوترهای قدرتمند، محاسبه این شاخص مشکل ساز بود. بطور غیر منتظره مشخص شد که محاسبه دقیق مقدار درگ و حتی توزیع فشار روی قسمت جلویی با استفاده از فرمول ساده نیوتن در رابطه با اثر "چسبیدن" ذرات به یک جسم پرنده امکان پذیر است.
توسعه آیرودینامیک
بنیانگذارهیدرودینامیک دانیل برنولی در سال 1738 رابطه اساسی بین فشار، چگالی و سرعت برای جریان تراکم ناپذیر را توصیف کرد که امروزه به عنوان اصل برنولی شناخته می شود، که برای محاسبات بالابر آیرودینامیکی نیز قابل استفاده است. در سال 1799 سر جورج کیلی اولین فردی بود که چهار نیروی آیرودینامیکی پرواز (وزن، بلند کردن، کشش و رانش) و روابط بین آنها را شناسایی کرد.
در سال 1871، فرانسیس هربرت ونهام اولین تونل باد را برای اندازه گیری دقیق نیروهای آیرودینامیکی ایجاد کرد. نظریه های علمی ارزشمندی که توسط ژان لو روند دالامبر، گوستاو کیرشهوف، لرد ریلی ایجاد شده است. در سال 1889، چارلز رنار، مهندس هوانوردی فرانسوی، اولین فردی بود که قدرت لازم برای پرواز پایدار را به صورت علمی محاسبه کرد.
از تئوری تا عمل
در قرن نوزدهم، مخترعان از دیدگاه علمی به بال نگاه کردند. و به لطف مطالعه مکانیسم پرواز پرندگان، آیرودینامیک در عمل مورد مطالعه قرار گرفت که بعداً در هواپیماهای مصنوعی اعمال شد.
Otto Lilienthal به ویژه در تحقیقات مکانیک بال سرآمد بود. این طراح هواپیمای آلمانی ۱۱ نوع گلایدر از جمله هواپیمای دوباله را ساخت و آزمایش کرد. او همچنین اولین پرواز را با دستگاهی سنگین تر از هوا انجام داد. او برای یک عمر نسبتاً کوتاه (46 سال)، حدود 2000 پرواز انجام داد و مدام طراحی را بهبود بخشید، که بیشتر شبیه یک هواپیمای گلایدر بود تا یک هواپیما. او در پرواز بعدی در 10 اوت 1896 درگذشت و پیشگام شدهوانوردی و اولین قربانی سقوط هواپیما. به هر حال، مخترع آلمانی شخصا یکی از گلایدرها را به نیکولای یگوروویچ ژوکوفسکی، پیشگام در مطالعه آیرودینامیک هواپیما، تحویل داد.
ژوکوفسکی فقط طراحی هواپیما را آزمایش نکرد. بر خلاف بسیاری از علاقه مندان آن زمان، او در درجه اول رفتار جریان هوا را از دیدگاه علمی مورد توجه قرار داد. او در سال 1904 اولین موسسه آیرودینامیک جهان را در کاچینو نزدیک مسکو تأسیس کرد. از سال 1918، او TsAGI (موسسه مرکزی آیرودینامیک) را رهبری کرد.
اولین هواپیما
آیرودینامیک علمی است که به انسان اجازه می دهد آسمان را تسخیر کند. بدون مطالعه آن، ساخت هواپیماهایی که به طور پایدار در جریان هوا حرکت می کنند غیرممکن خواهد بود. اولین هواپیما به معنای معمول ما در 7 دسامبر 1903 توسط برادران رایت ساخته و به هوا بلند شد. با این حال، این رویداد با کار نظری دقیق انجام شده است. آمریکایی ها زمان زیادی را به رفع اشکال طراحی بدنه هواپیما در تونل باد با طراحی خودشان اختصاص دادند.
در طول اولین پروازها، فردریک دبلیو. لانچستر، مارتین ویلهلم کوتا و نیکولای ژوکوفسکی تئوری هایی را مطرح کردند که گردش جریان های هوا را توضیح می دهد که بالابر را ایجاد می کند. کوتا و ژوکوفسکی به توسعه تئوری دو بعدی بال ادامه دادند. لودویگ پراندتل با توسعه تئوری ریاضی نیروهای ظریف آیرودینامیکی و بالابر و همچنین کار با لایه های مرزی اعتبار دارد.
مشکلات و راه حل ها
اهمیت آیرودینامیک هواپیما با افزایش سرعت آنها افزایش یافت.طراحان با فشرده سازی هوا با سرعت صوت یا نزدیک به آن با مشکلاتی مواجه شدند. تفاوت در جریان در این شرایط منجر به مشکلات حمل و نقل هواپیما، افزایش درگ به دلیل امواج ضربه ای و خطر شکست ساختاری به دلیل فلاتر آئروالاستیک شده است. نسبت سرعت جریان به سرعت صوت را عدد ماخ به نام ارنست ماخ نامیدند که یکی از اولین کسانی بود که خواص جریان مافوق صوت را بررسی کرد.
ویلیام جان مک کوورن رانکین و پیر هنری گوگونیو به طور مستقل تئوری خصوصیات جریان هوا را قبل و بعد از یک موج ضربه ای توسعه دادند، در حالی که جاکوب آکرت کار اولیه را بر روی محاسبه بالابر و درگ ایرفویل های مافوق صوت انجام داد. تئودور فون کارمن و هیو لاتیمر درایدن اصطلاح "ترانسونیک" را برای توصیف سرعت در مرز 1 ماخ (965-1236 کیلومتر در ساعت) ابداع کردند، زمانی که مقاومت به سرعت در حال افزایش است. اولین دیوار صوتی در سال 1947 در هواپیمای بل X-1 شکسته شد.
ویژگی های کلیدی
طبق قوانین آیرودینامیک، برای اطمینان از پرواز در جو زمین هر وسیله ای باید بدانید:
- کشش آیرودینامیکی (محور X) که توسط جریان هوا بر روی یک جسم اعمال می شود. بر اساس این پارامتر، توان نیروگاه انتخاب می شود.
- نیروی بالابر (محور Y)، که صعود را فراهم می کند و به دستگاه اجازه می دهد تا به صورت افقی به سطح زمین پرواز کند.
- لحظه های نیروهای آیرودینامیکی در امتداد سه محور مختصاتی که بر روی یک جسم پرنده عمل می کنند. مهمترینلحظه نیروی جانبی در امتداد محور Z (Mz) است که در سراسر هواپیما (به طور مشروط در امتداد خط بال) هدایت می شود. درجه پایداری طولی را تعیین می کند (آیا دستگاه هنگام پرواز "شیرجه" می شود یا دماغه خود را بالا می برد).
طبقه بندی
عملکرد آیرودینامیکی بر اساس شرایط و ویژگی های جریان هوا، از جمله سرعت، تراکم پذیری و ویسکوزیته طبقه بندی می شود. آیرودینامیک خارجی مطالعه جریان در اطراف اجسام جامد با اشکال مختلف است. به عنوان مثال می توان به ارزیابی بلند کردن و ارتعاشات یک هواپیما و همچنین امواج ضربه ای که در مقابل دماغه موشک ایجاد می شود.
آیرودینامیک داخلی مطالعه جریان هوا در حال حرکت از طریق منافذ (معابر) در اجسام جامد است. به عنوان مثال، مطالعه جریان‌های موتور جت را پوشش می‌دهد.
عملکرد آیرودینامیک را نیز می توان بر اساس سرعت جریان طبقه بندی کرد:
- Subsonic به سرعت کمتر از سرعت صوت می گویند.
- فراصوت (ترانسونیک) - اگر سرعت هایی هم کمتر و هم بالاتر از سرعت صوت وجود داشته باشد.
- مافوق صوت - وقتی سرعت جریان بیشتر از سرعت صوت باشد.
- هایپرسونیک - سرعت جریان بسیار بیشتر از سرعت صوت است. معمولاً این تعریف به معنای سرعت با اعداد ماخ بالای 5 است.
آیرودینامیک هلیکوپتر
اگر اصل پرواز هواپیما بر اساس نیروی بالابر در حین حرکت انتقالی اعمال شده روی بال باشد، هلیکوپتر، همانطور که گفته شد، به دلیل چرخش پره ها در حالت دمش محوری، به خودی خود بالابر ایجاد می کند. یعنی بدون سرعت ترجمه). با تشکر ازبا این ویژگی، هلیکوپتر قادر است در هوا در جای خود شناور شود و مانورهای پرانرژی حول محور انجام دهد.
سایر برنامه ها
به طور طبیعی، آیرودینامیک نه تنها برای هواپیماها قابل استفاده است. مقاومت هوا توسط تمام اجسام در حال حرکت در فضا در یک محیط گازی و مایع تجربه می شود. مشخص است که ساکنان آبزی - ماهی ها و پستانداران - دارای اشکال ساده هستند. در مثال آنها، می توانید آیرودینامیک را در عمل ردیابی کنید. با تمرکز بر دنیای حیوانات، مردم حمل و نقل آب را نیز به شکل نوک تیز یا قطره ای شکل می دهند. این در مورد کشتی‌ها، قایق‌ها، زیردریایی‌ها صدق می‌کند.
خودروها مقاومت هوای قابل توجهی را تجربه می کنند: با افزایش سرعت این مقاومت افزایش می یابد. برای دستیابی به آیرودینامیک بهتر، به خودروها شکل ساده ای داده می شود. این به ویژه در مورد خودروهای اسپورت صادق است.
