Овде на Земљи имамо тенденцију да ваздушни отпор (ака. „Драг“) узимамо здраво за готово. Само претпостављамо да када бацимо лопту, лансирамо авион, деорбитујемо свемирску летјелицу или испалимо метак из пиштоља, да ће га чин путовања кроз нашу атмосферу природно успорити. Али шта је разлог за то? Колико је ваздух у стању да успори предмет, било да је у слободном паду или у лету?
Због ослањања на ваздухопловство, нашег ентузијазма за истраживање свемира и наше љубави према спорту и стварању ствари у ваздуху (укључујући и нас саме), разумевање отпора ваздуха је кључно за разумевање физике и саставни део многих научних дисциплина. Као део субдисциплине познате као динамика флуида, примењује се на поља аеродинамике, хидродинамике, астрофизике и нуклеарне физике (да набројимо неколико).
Дефиниција:
По дефиницији, ваздушни отпор описује силе које су у супротности са релативним кретањем објекта током његовог проласка кроз ваздух. Ове силе повлачења делују супротно брзини надолазећег тока, успоравајући тако објект. За разлику од других сила отпора, повлачење директно зависи од брзине, јер је компонента нето аеродинамичке силе која делује супротно од смера кретања.
Други начин би био рећи да је отпор ваздуха резултат судара водеће површине објекта са молекулама ваздуха. Стога се може рећи да су два најчешћа фактора која директно утичу на количину ваздушног отпора брзина објекта и површина попречног пресека објекта. Ерго, и повећане брзине и површине попречног пресека резултираће повећаном количином отпора ваздуха.
У погледу аеродинамике и лета, повлачење се односи и на силе које делују супротно од притиска, као и на силе које делују окомито на њега (тј. Дизање). У астродинамици, атмосферско повлачење је и позитивна и негативна сила у зависности од ситуације. То је и губитак горива и ефикасност током полетања и уштеда горива када се свемирски брод враћа из Земље из орбите.
Израчунавање ваздушног отпора:
Отпор ваздуха обично се израчунава помоћу „једнаџбе повлачења“, која одређује силу коју доживљава предмет који се креће кроз течност или гас при релативно великим брзинама. То се може математички изразити као:
У овој једначини, ФД представља силу вучења, п је густина течности, в је брзина објекта у односу на звук, А је површина попречног пресека иЦД је коефицијент вучења. Резултат је оно што се назива "квадратним повлачењем". Једном када се то утврди, израчунавање количине снаге потребне за превазилажење повлачења укључује сличан процес, који се може математички изразити као:
Ево, Пдје снага потребна да се савлада сила вучења, Фд је сила вучења, в је брзина, п је густина течности, в је брзина објекта у односу на звук, А је површина попречног пресека иЦД је коефицијент вучења. Као што показује, потребе за напајањем су коцка брзине, тако да ако треба 10 коњских снага да достигну 80 км / х, требаће 80 коњских снага да достигну 160 км / х. Укратко, двострука брзина захтева употребу осмоструке веће снаге.
Врсте отпорности ваздуха:
Постоје три главне врсте повлачења у аеродинамици: Лифт индуцед, Параситиц и Ваве. Сваки од њих утиче на способност објеката да остану по висини, као и на снагу и гориво потребне за задржавање ондје. Повлачење изазвано подизањем (или само индуковано) настаје као резултат стварања дизала на тродимензионалном каросерији за подизање (крило или труп). Има две главне компоненте: вортек вучење и виско вучење изазвано подизањем.
Вортекси потичу из бурног мешања ваздуха различитог притиска на горњу и доњу површину тела. Они су потребни за креирање лифта. Како се подизање повећава, тако расте и вучење изазвано подизањем. За авион то значи да како се нападни угао и коефицијент дизања повећавају до тачке застоја, расте и вучење изазвано подизањем.
Супротно томе, паразитско повлачење настаје померањем чврстог предмета кроз течност. Ова врста повлачења састоји се од више компоненти, што укључује „повлачење облика“ и „повлачење трењем коже“. У ваздухопловству, индуковано повлачење има тенденцију да буде веће при нижим брзинама, јер је за одржавање подизања потребан висок угао напада, тако да брзина повећава то повлачење постаје много мање, али паразитско повлачење расте јер се течност брже креће око стршећих предмета и повећава трење. Комбинована општа вучна кривуља је минимална при брзини ваздуха и биће близу или близу њене оптималне ефикасности.
Вучење таласа (вучење компресибилности) настаје присуством тела које се креће великом брзином кроз флуид који се може компримирати. У аеродинамици се повлачење таласа састоји од више компоненти у зависности од режима брзине лета. У трансонском лету - при брзинама Мацха 0,5 или већим, али још увек мањим од Мацха 1.0 (ака. Брзина звука) - повлачење таласа је резултат локалног надзвучног протока.
Надзвучни проток се јавља на телима која путују знатно испод брзине звука, јер се локална брзина ваздуха на телу повећава када се убрзава над телом. Укратко, авиони који лете прекозвучним брзинама често резултирају повлачењем таласа. То се повећава како се брзина авиона приближава звучној баријери Мацх 1.0, пре него што постане надзвучни објект.
Код надзвучног лета, повлачење таласа је последица пошевних таласа насталих на водећим и задњим ивицама тела. У високозвучним токовима уместо њих ће се формирати прамчани таласи. При надзвучним брзинама, вучно валовање се обично раздваја на две компоненте, повлачење таласа зависног од дизања и надзвучно вучење.
Разумевање улоге ваздушних трења које играју током лета, познавање његове механике и познавање врста снаге потребне за његово превазилажење, све су пресудне када је реч о ваздухопловству и свемирским истраживањима. Знајући све ово такође ће бити пресудно када дође време да се истраже друге планете у нашем Сунчевом систему, и уопште у другим звезданим системима!
Овдје смо писали многе чланке о зрачном отпору и бијегу овдје у часопису Спаце Магазине. Ево чланка о томе шта је терминална брзина ?, како авиони лете ?, шта је коефицијент трења ?, и шта је сила гравитације?
Ако желите више информација о НАСА-иним програмима за авионе, погледајте Водич за аеродинамику за почетнике и ево линка на Драг Екуатион.
Такође смо снимили много повезаних епизода из Астрономи Цаст-а. Слушајте овде, епизода 102: Гравитација.
