La resistenza aerodinamica è una forza che agisce in modo opposto al movimento relativo di qualsiasi oggetto. Può esistere tra due strati di superficie solida. A differenza di altri insiemi resistivi, come l'attrito a secco, che sono quasi indipendenti dalla velocità, le forze di trascinamento obbediscono a un dato valore. Sebbene la causa ultima dell'azione sia l'attrito viscoso, la turbolenza è indipendente da esso. La forza di trascinamento è proporzionale alla velocità del flusso laminare.
Concetto
La resistenza aerodinamica è la forza che agisce su qualsiasi corpo solido in movimento nella direzione del fluido in arrivo. In termini di approssimazione del campo vicino, la resistenza è il risultato di forze dovute alla distribuzione della pressione sulla superficie dell'oggetto, simboleggiata da D. A causa dell'attrito della pelle, che è il risultato della viscosità, è indicato De. In alternativa, calcolata dal punto di vista del campo di flusso, la forzala resistenza nasce come risultato di tre fenomeni naturali: onde d'urto, strato di vortici e viscosità. Tutto questo può essere trovato nella tabella della resistenza aerodinamica.
Panoramica
La distribuzione della pressione che agisce sulla superficie di un corpo influenza grandi forze. Essi, a loro volta, possono essere riassunti. Le componenti a valle di questo valore costituiscono il potere di trascinamento, Drp, dovuto alla distribuzione della pressione che interessa il corpo. La natura di queste forze combina effetti di onde d'urto, generazione di sistemi di vortici e meccanismi di scia.
La viscosità di un fluido ha un effetto significativo sulla resistenza. In assenza di questo componente, le forze di pressione che agiscono per rallentare il veicolo vengono neutralizzate dalla potenza che è nella parte poppiera e spinge il veicolo in avanti. Questo è chiamato ripressurizzazione, con conseguente zero resistenza aerodinamica. Cioè, il lavoro che il corpo fa sul flusso d'aria è reversibile e recuperabile poiché non ci sono effetti di attrito per convertire l'energia del flusso in calore.
Il ripristino della pressione funziona anche in caso di movimento viscoso. Questo valore, tuttavia, si traduce in potenza. È la componente dominante della resistenza aerodinamica nel caso di veicoli con regioni di flusso diviso in cui il recupero della prevalenza è considerato piuttosto inefficiente.
La forza di attrito, che è la forza tangenziale sulla superficieaeromobile, dipende dalla configurazione dello strato limite e dalla viscosità. La resistenza aerodinamica, Df, è calcolata come la proiezione a valle degli insiemi di torbiere stimata dalla superficie corporea.
La somma di attrito e resistenza alla pressione è chiamata resistenza viscosa. Dal punto di vista termodinamico, gli effetti del pantano sono fenomeni irreversibili e quindi creano entropia. La resistenza viscosa calcolata Dv utilizza le variazioni di questo valore per prevedere con precisione la forza di rimbalzo.
Qui è anche necessario fornire la formula per la densità dell'aria per il gas: РV=m/MRT.
Quando un aereo produce portanza, c'è un' altra componente del pushback. Resistenza indotta, Di. Nasce dal cambiamento nella distribuzione della pressione del sistema a vortice che accompagna la produzione dell'ascensore. Una prospettiva di portanza alternativa si ottiene considerando la variazione della quantità di moto del flusso d'aria. L'ala intercetta l'aria e la costringe a scendere. Ciò si traduce in una forza di resistenza uguale e contraria che agisce sull'ala, che è la portanza.
La modifica della quantità di moto del flusso d'aria verso il basso comporta una diminuzione del valore inverso. Che sia il risultato della forza che agisce in avanti sull'ala applicata. Sul dorso agisce una massa uguale ma opposta, che è la resistenza indotta. Tende ad essere il componente più importante per gli aerei durante il decollo o l'atterraggio. Un altro oggetto di trascinamento, il trascinamento dell'onda (Dw) è dovuto alle onde d'urtoalle velocità transoniche e supersoniche della meccanica di volo. Questi rulli provocano cambiamenti nello strato limite e nella distribuzione della pressione sulla superficie del corpo.
Cronologia
L'idea che un corpo in movimento che passa attraverso l'aria (formula della densità) o un altro liquido incontri resistenza è nota fin dai tempi di Aristotele. Un articolo di Louis Charles Breguet scritto nel 1922 iniziò uno sforzo per ridurre la resistenza attraverso l'ottimizzazione. L'autore ha continuato a dare vita alle sue idee, creando diversi velivoli da record negli anni '20 e '30. La teoria dello strato limite di Ludwig Prandtl nel 1920 fornì un incentivo per ridurre al minimo l'attrito.
Un altro importante invito al sequenziamento è stato fatto da Sir Melville Jones, che ha introdotto concetti teorici per dimostrare in modo convincente l'importanza del sequenziamento nella progettazione degli aerei. Nel 1929, il suo lavoro The Streamlined Airplane presentato alla Royal Aeronautical Society fu fondamentale. Ha proposto un velivolo ideale che avrebbe una resistenza minima, portando al concetto di un monoplano "pulito" e di un carrello retrattile.
Uno degli aspetti del lavoro di Jones che ha scioccato di più i progettisti dell'epoca è stata la sua trama di cavalli in funzione della velocità per un aereo reale e ideale. Se guardi il punto dati di un aeromobile e lo estrapoli orizzontalmente su una curva perfetta, puoi presto vedere il guadagno per la stessa potenza. Quando Jones ebbe finito la sua presentazione, uno degli ascoltatorilivello di importanza come il ciclo di Carnot in termodinamica.
Resistenza indotta dal sollevamento
Il contraccolpo indotto dal sollevamento risulta dalla creazione di una pendenza su un corpo tridimensionale come l'ala di un aereo o la fusoliera. La frenatura indotta è costituita principalmente da due componenti:
- Trascina a causa della creazione di vortici finali.
- Avere una resistenza viscosa aggiuntiva che non è presente quando la portanza è zero.
I vortici di ritorno nel campo di flusso presenti a seguito del sollevamento del corpo sono dovuti alla turbolenta miscelazione dell'aria sopra e sotto l'oggetto, che fluisce in più direzioni a causa della creazione di portanza.
Con altri parametri che rimangono gli stessi della portanza creata dal corpo, aumenta anche la resistenza causata dalla pendenza. Ciò significa che all'aumentare dell'angolo di attacco dell'ala, il coefficiente di portanza aumenta, così come il rimbalzo. All'inizio di uno stallo, la forza aerodinamica prona diminuisce drasticamente, così come la resistenza indotta dal sollevamento. Ma questo valore aumenta a causa della formazione di un flusso turbolento distaccato dopo il corpo.
Trascinamento spurio
Questa è la resistenza causata dal movimento di un oggetto solido attraverso un liquido. La resistenza parassitaria ha diverse componenti, incluso il movimento dovuto alla pressione viscosa e dovuto alla rugosità superficiale (attrito della pelle). Inoltre, la presenza di più corpi in relativa prossimità può causare il cosiddettoresistenza alle interferenze, che a volte è descritta come una componente del termine.
Nell'aviazione, il contraccolpo indotto tende ad essere più forte alle basse velocità perché è necessario un angolo di attacco elevato per mantenere la portanza. Tuttavia, all'aumentare della velocità, può essere ridotta, così come la resistenza indotta. La resistenza parassitaria, tuttavia, aumenta perché il fluido scorre più velocemente attorno agli oggetti sporgenti, aumentando l'attrito.
A velocità più elevate (transonica), la resistenza delle onde raggiunge un nuovo livello. Ognuna di queste forme di repulsione varia proporzionalmente alle altre a seconda della velocità. Quindi la curva di resistenza complessiva mostra un minimo a una certa velocità: l'aereo avrà un'efficienza quasi ottimale. I piloti utilizzeranno questa velocità per massimizzare la resistenza (consumo minimo di carburante) o la distanza di planata in caso di guasto al motore.
Curva del potere aeronautico
L'interazione tra parassita e resistenza indotta in funzione della velocità relativa può essere rappresentata come una linea caratteristica. In aviazione, questa viene spesso definita curva di potenza. È importante per i piloti perché mostra che al di sotto di una certa velocità relativa, e controintuitivamente, è necessaria più spinta per mantenerla man mano che la velocità relativa diminuisce, non meno. Le implicazioni dell'essere "dietro le quinte" in volo sono importanti e vengono insegnate come parte dell'addestramento dei piloti. Su subsonicovelocità in cui la forma a U di questa curva è significativa, la resistenza dell'onda non è ancora diventata un fattore. Ecco perché non è mostrato sulla curva.
Frenare nel flusso transonico e supersonico
La resistenza dell'onda di compressione è la resistenza che si crea quando un corpo si muove attraverso un fluido comprimibile e a velocità vicine a quella del suono nell'acqua. In aerodinamica, la resistenza dell'onda ha molte componenti a seconda della modalità di guida.
Nell'aerodinamica del volo transonico, la resistenza dell'onda è il risultato della formazione di onde d'urto nel liquido, che si formano quando si creano aree locali di flusso supersonico. In pratica un tale moto si verifica su corpi che si muovono ben al di sotto della velocità del segnale, poiché la velocità locale dell'aria aumenta. Tuttavia, il flusso supersonico completo sul veicolo non si svilupperà fino a quando il valore non sarà andato molto oltre. Gli aerei che volano a velocità transonica spesso sperimentano condizioni d'onda durante il normale corso del volo. Nel volo transonico, questa repulsione viene comunemente definita resistenza alla compressibilità transonica. Si intensifica notevolmente all'aumentare della sua velocità di volo, dominando altre forme a quelle velocità.
Nel volo supersonico, la resistenza dell'onda è il risultato di onde d'urto presenti nel fluido e attaccate al corpo, che si formano ai bordi di attacco e di uscita del corpo. Nei flussi supersonici, o in scafi con angoli di rotazione sufficientemente ampi, ci saranno invecesi formano shock sciolti o onde curve. Inoltre, aree locali di flusso transonico possono verificarsi a velocità supersoniche inferiori. A volte portano allo sviluppo di onde d'urto aggiuntive presenti sulle superfici di altri corpi portanti, simili a quelle che si trovano nei flussi transonici. Nei regimi di flusso potenti, la resistenza delle onde è solitamente divisa in due componenti:
- Sollevamento supersonico a seconda del valore.
- Volume, che dipende anche dal concetto.
La soluzione in forma chiusa per la resistenza d'onda minima di un corpo di rivoluzione con una lunghezza fissa è stata trovata da Sears e Haack ed è nota come "Distribuzione Seers-Haack". Allo stesso modo, per un volume fisso, la forma per la resistenza d'onda minima è "Von Karman Ogive".
Il biplano di Busemann, in linea di principio, non è soggetto a tale azione quando funziona alla velocità di progetto, ma non è nemmeno in grado di generare portanza.
Prodotti
Una galleria del vento è uno strumento utilizzato nella ricerca per studiare l'effetto dell'aria che si muove oltre gli oggetti solidi. Questo progetto consiste in un passaggio tubolare con l'oggetto in prova posizionato al centro. L'aria viene spostata oltre l'oggetto da un potente sistema di ventole o altri mezzi. L'oggetto di prova, spesso indicato come modello di tubo, è dotato di sensori appropriati per misurare le forze dell'aria, la distribuzione della pressione o altrocaratteristiche aerodinamiche. Ciò è necessario anche per rilevare e correggere il problema nel sistema in tempo.
Quali sono i tipi di aeromobili
Prima diamo un'occhiata alla storia. Le prime gallerie del vento furono inventate alla fine del 19° secolo, agli albori della ricerca aeronautica. Fu allora che molti cercarono di sviluppare velivoli più pesanti dell'aria di successo. La galleria del vento è stata concepita come un mezzo per invertire il paradigma convenzionale. Invece di rimanere fermi e spostare un oggetto attraverso di esso, lo stesso effetto si otterrebbe se l'oggetto fosse fermo e l'aria si muovesse a una velocità maggiore. In questo modo, un osservatore fermo può studiare il prodotto volante in azione e misurare l'aerodinamica pratica che gli viene imposta.
Lo sviluppo dei tubi ha accompagnato lo sviluppo del velivolo. Grandi oggetti aerodinamici furono costruiti durante la seconda guerra mondiale. I test in tale tubo erano considerati strategicamente importanti durante lo sviluppo di velivoli e missili supersonici durante la Guerra Fredda. Oggi gli aerei sono qualsiasi cosa. E quasi tutti gli sviluppi più importanti sono già stati introdotti nella vita di tutti i giorni.
La ricerca successiva nella galleria del vento è diventata una cosa ovvia. L'effetto del vento su strutture o oggetti artificiali doveva essere studiato quando gli edifici diventavano abbastanza alti da presentare grandi superfici al vento e le forze risultanti dovevano essere contrastate dagli elementi interni dell'edificio. La definizione di tali insiemi era necessaria prima che i codici edilizi potesserodeterminare la forza richiesta delle strutture. E tali test continuano ad essere utilizzati per edifici grandi o insoliti fino ad oggi.
Anche più tardi, sono stati applicati controlli alla resistenza aerodinamica delle auto. Ma non si trattava di determinare le forze in quanto tali, ma di stabilire modi per ridurre la potenza richiesta per spostare l'auto lungo il fondo stradale a una determinata velocità. In questi studi, l'interazione tra strada e veicolo gioca un ruolo significativo. È lui che deve essere preso in considerazione quando si interpretano i risultati del test.
In una situazione reale, la carreggiata si muove rispetto al veicolo, ma l'aria è ancora relativa alla strada. Ma in una galleria del vento, l'aria si muove rispetto alla strada. Mentre quest'ultimo è fermo rispetto al veicolo. Alcune gallerie del vento per veicoli di prova includono nastri mobili sotto il veicolo di prova. Questo per avvicinarsi allo stato attuale. Dispositivi simili sono utilizzati nelle configurazioni di decollo e atterraggio in galleria del vento.
Attrezzature
Anche i campioni di attrezzature sportive sono comuni da molti anni. Includevano mazze e palline da golf, bob olimpici e ciclisti e caschi per auto da corsa. L'aerodinamica di quest'ultimo è particolarmente importante nei veicoli con cabina aperta (Indycar, Formula Uno). Una forza di sollevamento eccessiva sul casco può causare uno stress significativosul collo del guidatore e la separazione del flusso sul lato posteriore è una tenuta turbolenta e, di conseguenza, compromissione della vista alle alte velocità.
I progressi nelle simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) su computer digitali ad alta velocità hanno ridotto la necessità di test in galleria del vento. Tuttavia i risultati dei CFD non sono ancora completamente affidabili, questo strumento viene utilizzato per verificare le previsioni dei CFD.
