L'aerodinamica è un campo di conoscenza che studia il movimento dei flussi d'aria e i loro effetti sui corpi solidi. È una sottosezione dell'idrodinamica e del gas. La ricerca in quest'area risale ai tempi antichi, al tempo dell'invenzione delle frecce e delle lance da pianificazione, che consentivano di inviare un proiettile più lontano e con maggiore precisione verso un bersaglio. Tuttavia, il potenziale dell'aerodinamica è stato pienamente rivelato con l'invenzione di veicoli più pesanti dell'aria in grado di volare o planare su distanze considerevoli.
Fin dai tempi antichi
La scoperta delle leggi dell'aerodinamica nel 20° secolo ha contribuito a un fantastico balzo in avanti in molti settori della scienza e della tecnologia, in particolare nel settore dei trasporti. Sulla base dei suoi risultati, sono stati creati velivoli moderni, che hanno permesso di rendere accessibile al pubblico praticamente qualsiasi angolo del pianeta Terra.
La prima menzione di un tentativo di conquista del cielo si trova nel mito greco di Icaro e Dedalo. Padre e figlio costruivano ali simili a uccelli. Ciò indica che migliaia di anni fa la gente pensava alla possibilità di decollare.
Un' altra ondatal'interesse per la costruzione di aerei sorse durante il Rinascimento. L'appassionato ricercatore Leonardo da Vinci ha dedicato molto tempo a questo problema. Sono note le sue note, che spiegano i principi di funzionamento dell'elicottero più semplice.
Nuova era
La svolta globale nella scienza (e nell'aeronautica in particolare) è stata fatta da Isaac Newton. Dopotutto, la base dell'aerodinamica è una scienza completa della meccanica, il cui fondatore era uno scienziato inglese. Newton fu il primo a considerare il mezzo aereo come un conglomerato di particelle che, incontrando un ostacolo, vi si attaccano o si riflettono elasticamente. Nel 1726 presentò al pubblico la teoria della resistenza dell'aria.
Successivamente, si è scoperto che l'ambiente è in re altà costituito dalle particelle più piccole: le molecole. Hanno imparato a calcolare la riflettività dell'aria in modo abbastanza accurato e l'effetto "sticking" è stato considerato un presupposto insostenibile.
Sorprendentemente, questa teoria ha trovato applicazione pratica secoli dopo. Negli anni '60, all'alba dell'era spaziale, i progettisti sovietici affrontarono il problema del calcolo della resistenza aerodinamica dei veicoli di discesa di forma sferica "smussata", che sviluppano velocità ipersoniche all'atterraggio. A causa della mancanza di computer potenti, era problematico calcolare questo indicatore. Inaspettatamente, si è scoperto che è possibile calcolare con precisione il valore della resistenza aerodinamica e persino la distribuzione della pressione sulla parte frontale utilizzando la semplice formula di Newton relativa all'effetto di "adesione" delle particelle a un oggetto volante.
Sviluppo dell'aerodinamica
FondatoreL'idrodinamico Daniel Bernoulli descrisse nel 1738 la relazione fondamentale tra pressione, densità e velocità per il flusso incomprimibile, noto oggi come principio di Bernoulli, che è applicabile anche ai calcoli della portanza aerodinamica. Nel 1799 Sir George Cayley fu la prima persona a identificare le quattro forze aerodinamiche del volo (peso, portanza, resistenza e spinta) e le relazioni tra loro.
Nel 1871, Francis Herbert Wenham creò la prima galleria del vento per misurare con precisione le forze aerodinamiche. Teorie scientifiche inestimabili sviluppate da Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Nel 1889, Charles Renard, un ingegnere aeronautico francese, fu la prima persona a calcolare scientificamente la potenza richiesta per un volo sostenuto.
Dalla teoria alla pratica
Nel 19° secolo, gli inventori consideravano l'ala da un punto di vista scientifico. E grazie allo studio del meccanismo del volo degli uccelli è stata studiata l'aerodinamica in azione, che è stata poi applicata ai velivoli artificiali.
Otto Lilienthal eccelleva soprattutto nella ricerca della meccanica alare. Il progettista di aerei tedesco ha creato e testato 11 tipi di alianti, incluso un biplano. Ha anche effettuato il primo volo su un apparato più pesante dell'aria. Per una vita relativamente breve (46 anni), ha effettuato circa 2000 voli, migliorando costantemente il design, che era più simile a un deltaplano che a un aeroplano. Morì durante il volo successivo il 10 agosto 1896, diventando un pioniereaeronautica, e la prima vittima di un incidente aereo. A proposito, l'inventore tedesco consegnò personalmente uno degli alianti a Nikolai Yegorovich Zhukovsky, un pioniere nello studio dell'aerodinamica degli aerei.
Zhukovsky non ha solo sperimentato i progetti di aerei. A differenza di molti appassionati dell'epoca, considerava principalmente il comportamento delle correnti d'aria da un punto di vista scientifico. Nel 1904 fondò a Cachino, vicino a Mosca, il primo istituto aerodinamico al mondo. Dal 1918 dirigeva il TsAGI (Istituto Centrale di Aeroidrodinamica).
Primo aereo
L'aerodinamica è la scienza che ha permesso all'uomo di conquistare il cielo. Senza studiarlo, sarebbe impossibile costruire velivoli che si muovano stabilmente nelle correnti d'aria. Il primo aereo nel nostro solito senso fu costruito e sollevato in aria il 7 dicembre 1903 dai fratelli Wright. Tuttavia, questo evento è stato preceduto da un attento lavoro teorico. Gli americani hanno dedicato molto tempo al debug del progetto della cellula in una galleria del vento di loro progettazione.
Durante i primi voli, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta e Nikolai Zhukovsky hanno avanzato teorie che spiegavano la circolazione delle correnti d'aria che creano portanza. Kutta e Zhukovsky continuarono a sviluppare una teoria bidimensionale dell'ala. Ludwig Prandtl è accreditato di aver sviluppato la teoria matematica delle sottili forze aerodinamiche e di portanza, oltre a aver lavorato con gli strati limite.
Problemi e soluzioni
L'importanza dell'aerodinamica degli aerei è aumentata con l'aumentare della loro velocità. I progettisti hanno iniziato a riscontrare problemi con la compressione dell'aria pari o prossima alla velocità del suono. Le differenze di flusso in queste condizioni hanno portato a problemi di manovrabilità dell'aeromobile, maggiore resistenza aerodinamica a causa delle onde d'urto e minaccia di cedimento strutturale dovuto al flutter aeroelastico. Il rapporto tra la velocità del flusso e la velocità del suono fu chiamato numero di Mach da Ernst Mach, che fu uno dei primi a studiare le proprietà del flusso supersonico.
William John McQuorn Rankine e Pierre Henri Gougoniot hanno sviluppato indipendentemente la teoria delle proprietà del flusso d'aria prima e dopo un'onda d'urto, mentre Jacob Akeret ha svolto il lavoro iniziale sul calcolo della portanza e della resistenza aerodinamica dei profili alari supersonici. Theodor von Karman e Hugh Latimer Dryden hanno coniato il termine "transonico" per descrivere le velocità al confine di Mach 1 (965-1236 km/h), quando la resistenza è in rapido aumento. La prima barriera del suono fu infranta nel 1947 su un aereo Bell X-1.
Caratteristiche principali
Secondo le leggi dell'aerodinamica, per garantire il volo nell'atmosfera terrestre di qualsiasi dispositivo, è importante sapere:
- Resistenza aerodinamica (asse X) esercitata dalle correnti d'aria su un oggetto. In base a questo parametro viene selezionata la potenza della centrale.
- Forza di sollevamento (asse Y), che fornisce la salita e consente al dispositivo di volare orizzontalmente sulla superficie della terra.
- Momenti di forze aerodinamiche lungo tre assi coordinati che agiscono su un oggetto volante. più importanteè il momento della forza laterale lungo l'asse Z (Mz) diretta attraverso l'aeromobile (condizionatamente lungo la linea alare). Determina il grado di stabilità longitudinale (se il dispositivo "si immergerà" o alzerà il muso durante il volo).
Classificazione
Le prestazioni aerodinamiche sono classificate in base alle condizioni e alle proprietà del flusso d'aria, tra cui velocità, comprimibilità e viscosità. L'aerodinamica esterna è lo studio del flusso attorno a oggetti solidi di varie forme. Esempi sono la valutazione della portanza e delle vibrazioni di un aeromobile, nonché delle onde d'urto che si formano davanti al muso di un missile.
L'aerodinamica interna è lo studio del flusso d'aria che si muove attraverso aperture (passaggi) in oggetti solidi. Ad esempio, copre lo studio dei flussi attraverso un motore a reazione.
Le prestazioni aerodinamiche possono anche essere classificate in base alla velocità del flusso:
- Il subsonico è chiamato una velocità inferiore alla velocità del suono.
- Transonico (transonico) - se ci sono velocità sia al di sotto che al di sopra della velocità del suono.
- Supersonico - quando la velocità del flusso è maggiore della velocità del suono.
- Ipersonico - la velocità del flusso è molto maggiore della velocità del suono. Di solito questa definizione significa velocità con numeri di Mach superiori a 5.
Aerodinamica dell'elicottero
Se il principio del volo dell'aeromobile si basa sulla forza di sollevamento durante il movimento di traslazione esercitata sull'ala, l'elicottero, per così dire, crea sollevamento da solo a causa della rotazione delle pale nella modalità di soffiaggio assiale (cioè senza velocità di traslazione). Grazie aCon questa caratteristica, l'elicottero è in grado di librarsi in aria sul posto ed eseguire manovre energiche attorno all'asse.
Altre applicazioni
Naturalmente, l'aerodinamica è applicabile non solo agli aerei. La resistenza dell'aria è sperimentata da tutti gli oggetti che si muovono nello spazio in un mezzo gassoso e liquido. È noto che gli abitanti acquatici - pesci e mammiferi - hanno forme snelle. Sul loro esempio, puoi tracciare l'aerodinamica in azione. Concentrandosi sul mondo animale, le persone rendono anche il trasporto dell'acqua appuntito o a forma di lacrima. Questo vale per navi, barche, sottomarini.
I veicoli sperimentano una notevole resistenza dell'aria: aumenta all'aumentare della velocità. Per ottenere una migliore aerodinamica, le auto hanno una forma aerodinamica. Ciò è particolarmente vero per le auto sportive.
