אירודינמיקה הוא תחום ידע החוקר את תנועת זרימות האוויר והשפעותיהן על גופים מוצקים. זהו תת-סעיף של דינמיקת הידרו-וגזים. המחקר בתחום זה מתוארך לתקופות קדומות, לתקופת המצאת החצים והחניתות התכנוניות, שאפשרו לשלוח קליע יותר ומדויק יותר למטרה. עם זאת, הפוטנציאל של האווירודינמיקה נחשף במלואו עם המצאת כלי רכב כבדים מהאוויר המסוגלים לטוס או לגלוש למרחקים ניכרים.
מאז ימי קדם
גילוי חוקי האווירודינמיקה במאה ה-20 תרם לזינוק פנטסטי בתחומים רבים של מדע וטכנולוגיה, במיוחד במגזר התחבורה. בהתבסס על הישגיו, נוצרו מטוסים מודרניים, שאפשרו להנגיש לציבור כמעט כל פינה בכדור הארץ.
האזכור הראשון לניסיון לכבוש את השמים נמצא במיתוס היווני של איקרוס ודדלוס. אב ובנו בנו כנפיים דמויות ציפור. זה מצביע על כך שלפני אלפי שנים אנשים חשבו על האפשרות לצאת מהקרקע.
גל נוסףהעניין בבניית מטוסים התעורר בתקופת הרנסנס. החוקר הנלהב לאונרדו דה וינצ'י הקדיש זמן רב לבעיה זו. רשימותיו ידועות, המסבירות את עקרונות הפעולה של המסוק הפשוט ביותר.
עידן חדש
פריצת הדרך הגלובלית במדע (ובאווירונאוטיקה בפרט) נעשתה על ידי אייזק ניוטון. אחרי הכל, הבסיס לאווירודינמיקה הוא מדע מקיף של מכניקה, שמייסדו היה מדען אנגלי. ניוטון היה הראשון שראה בתווך האוויר קונגלומרט של חלקיקים, אשר נתקלים במכשול או נצמדים אליו או משתקפים בצורה אלסטית. בשנת 1726, הוא הציג את התיאוריה של התנגדות אוויר לציבור.
לאחר מכן, התברר שהסביבה באמת מורכבת מהחלקיקים הקטנים ביותר - מולקולות. הם למדו כיצד לחשב את רפלקטיביות האוויר במדויק למדי, ואפקט ה"הדבקה" נחשב להנחה בלתי נסבלת.
למרבה ההפתעה, תיאוריה זו מצאה יישום מעשי מאות שנים מאוחר יותר. בשנות ה-60, עם שחר עידן החלל, התמודדו מעצבים סובייטים עם הבעיה של חישוב הגרר האווירודינמי של רכבי ירידה בעלי צורה כדורית "קהה", המפתחים מהירויות היפרסוניות עם הנחיתה. בשל היעדר מחשבים חזקים, היה בעייתי לחשב מחוון זה. באופן בלתי צפוי התברר כי ניתן לחשב במדויק את ערך הגרר ואף את חלוקת הלחץ על החלק הקדמי באמצעות הנוסחה הפשוטה של ניוטון לגבי השפעת "הדבקה" של חלקיקים לעצם מעופף.
פיתוח אווירודינמיקה
מייסדההידרודינמיסט דניאל ברנולי תיאר בשנת 1738 את הקשר הבסיסי בין לחץ, צפיפות ומהירות לזרימה בלתי דחיסה, הידוע כיום כעיקרון ברנולי, אשר ישים גם לחישובים של עילוי אווירודינמי. בשנת 1799 סר ג'ורג' קיילי הפך לאדם הראשון שזיהה את ארבעת כוחות הטיסה האווירודינמיים (משקל, עילוי, גרירה ודחף) ואת היחסים ביניהם.
בשנת 1871, פרנסיס הרברט וונהאם יצר את מנהרת הרוח הראשונה למדידה מדויקת של כוחות אווירודינמיים. תיאוריות מדעיות שלא יסולא בפז שפותחו על ידי ז'אן לה רונד ד'אלמבר, גוסטב קירכהוף, לורד ריילי. בשנת 1889, שארל רנארד, מהנדס אווירונאוטיקה צרפתי, הפך לאדם הראשון שחישב מדעית את ההספק הנדרש לטיסה מתמשכת.
מתיאוריה לפרקטיקה
במאה ה-19, ממציאים הסתכלו על האגף מנקודת מבט מדעית. ובזכות חקר מנגנון מעוף הציפורים, נחקרה אווירודינמיקה בפעולה, אשר יושמה מאוחר יותר על מטוסים מלאכותיים.
אוטו לילינטל הצטיין במיוחד במחקר של מכניקת כנפיים. מעצב המטוסים הגרמני יצר ובדק 11 סוגי דאונים, כולל דו-כנפי. הוא גם ביצע את הטיסה הראשונה על מכשיר כבד יותר מאוויר. במשך חיים קצרים יחסית (46 שנים), הוא ביצע כ-2000 טיסות, תוך שיפור מתמיד בעיצוב, שהיה דומה יותר לרחפן תלוי מאשר למטוס. הוא מת במהלך הטיסה הבאה ב-10 באוגוסט 1896, והפך לחלוץאווירונאוטיקה, והקורבן הראשון של התרסקות מטוס. אגב, הממציא הגרמני מסר באופן אישי את אחד הרחפנים לניקולאי יגורוביץ' ז'וקובסקי, חלוץ בחקר האווירודינמיקה של מטוסים.
ז'וקובסקי לא רק התנסה בעיצובי מטוסים. בניגוד לחובבים רבים מאותה תקופה, הוא התייחס בעיקר להתנהגות של זרמי אוויר מנקודת מבט מדעית. ב-1904 ייסד את המכון האווירודינמי הראשון בעולם בקצ'ינו ליד מוסקבה. מאז 1918, הוא עמד בראש TsAGI (המכון המרכזי לאירוהידרודינמי).
מטוסים ראשונים
אווירודינמיקה הוא המדע שאפשר לאדם לכבוש את השמים. בלי ללמוד אותו, אי אפשר יהיה לבנות מטוסים שנעים ביציבות בזרמי אוויר. המטוס הראשון במובן הרגיל שלנו נוצר והעלה לאוויר ב-7 בדצמבר 1903 על ידי האחים רייט. אולם, לאירוע זה קדמה עבודה תיאורטית קפדנית. האמריקנים הקדישו זמן רב לניפוי שגיאות בעיצוב שלדת המטוס במנהרת רוח בתכנון משלהם.
במהלך הטיסות הראשונות, פרדריק וו. לנצ'סטר, מרטין וילהלם קוטה וניקולאי ז'וקובסקי העלו תיאוריות שהסבירו את זרימת זרמי האוויר היוצרים עילוי. קוטה וז'וקובסקי המשיכו לפתח תיאוריה דו-ממדית של הכנף. לודוויג פראנדל זוכה בפיתוח התיאוריה המתמטית של כוחות אווירודינמיים והרמה עדינים, כמו גם עבודה עם שכבות גבול.
בעיות ופתרונות
חשיבות האווירודינמיקה של מטוסים גדלה ככל שהמהירות שלהם עלתה.מעצבים החלו להיתקל בבעיות עם דחיסת אוויר במהירות הקול או בסמוך לה. הבדלים בזרימה בתנאים אלה הובילו לבעיות טיפול במטוסים, לעלייה בגרור עקב גלי הלם, ולאיום של כשל מבני עקב רפרוף אווירואלסטי. היחס בין מהירות הזרימה למהירות הקול נקרא מספר מאך על שם ארנסט מאך, שהיה אחד הראשונים שחקרו את תכונות הזרימה העל-קולית.
וויליאם ג'ון מק'קורן רנקין ופייר אנרי גוגוניוט פיתחו באופן עצמאי את התיאוריה של תכונות זרימת אוויר לפני ואחרי גל הלם, בעוד שג'ייקוב עקרת עשה את העבודה הראשונית על חישוב העילוי והגרר של כנפי אוויר על-קוליים. תיאודור פון קרמן ויו לאטימר דריידן טבעו את המונח "טרנסוני" כדי לתאר מהירויות בגבול מאך 1 (965-1236 קמ"ש), כאשר ההתנגדות גוברת במהירות. מחסום הקול הראשון נשבר ב-1947 במטוס Bell X-1.
תכונות עיקריות
לפי חוקי האווירודינמיקה, כדי להבטיח טיסה באטמוספירה של כדור הארץ של כל מכשיר, חשוב לדעת:
- גרירה אווירודינמית (ציר X) המופעלת על ידי זרמי אוויר על עצם. בהתבסס על פרמטר זה, הספק של תחנת הכוח נבחר.
- כוח הרמה (ציר Y), המספק טיפוס ומאפשר למכשיר לעוף אופקית אל פני כדור הארץ.
- רגעים של כוחות אווירודינמיים לאורך שלושה צירי קואורדינטות הפועלים על עצם מעופף. הכי חשובהוא הרגע של הכוח הרוחבי לאורך ציר ה-Z (Mz) המכוון על פני המטוס (בתנאי לאורך קו הכנף). הוא קובע את מידת היציבות האורכית (האם המכשיר "יצלול" או ירים את האף למעלה בעת טיסה).
Classification
ביצועים אווירודינמיים מסווגים לפי תנאי זרימת אוויר ומאפיינים, כולל מהירות, דחיסה וצמיגות. אווירודינמיקה חיצונית היא חקר הזרימה סביב עצמים מוצקים בעלי צורות שונות. דוגמאות לכך הן הערכת ההתרוממות והרעידות של כלי טיס, כמו גם גלי ההלם שנוצרים מול אפו של טיל.
אווירודינמיקה פנימית היא חקר זרימת האוויר הנעה דרך פתחים (מעברים) בעצמים מוצקים. לדוגמה, הוא מכסה את חקר זרימות דרך מנוע סילון.
ניתן לסווג ביצועים אווירודינמיים גם לפי מהירות זרימה:
- תת-קולי נקראת מהירות נמוכה ממהירות הקול.
- טרנסוני (טרנסוני) - אם יש מהירויות גם מתחת ומעל למהירות הקול.
- Supersonic - כאשר מהירות הזרימה גדולה ממהירות הקול.
- היפרסונלית - מהירות הזרימה גדולה בהרבה ממהירות הקול. בדרך כלל משמעות ההגדרה הזו היא מהירויות עם מספרי מאך מעל 5.
אווירודינמיקה של מסוקים
אם עקרון הטיסה של המטוס מבוסס על כוח ההרמה במהלך תנועת תרגום המופעלת על הכנף, אז המסוק, כביכול, יוצר עילוי מעצמו עקב סיבוב הלהבים במצב הנשיפה הצירית (כלומר, ללא מהירות תרגום). הודות לעם תכונה זו, המסוק מסוגל לרחף באוויר במקום ולבצע תמרונים אנרגטיים סביב הציר.
יישומים אחרים
כמובן, אווירודינמיקה חלה לא רק על מטוסים. התנגדות אוויר נחווית על ידי כל העצמים הנעים בחלל בתווך גז ונוזל. ידוע שלתושבים במים - דגים ויונקים - צורות יעילות. בדוגמה שלהם, אתה יכול לעקוב אחר האווירודינמיקה בפעולה. בהתמקדות בעולם החי, אנשים גם עושים את הובלת המים מחודדת או בצורת דמעה. זה חל על ספינות, סירות, צוללות.
כלי רכב חווים התנגדות אוויר משמעותית: היא עולה ככל שהמהירות עולה. כדי להשיג אווירודינמיקה טובה יותר, מכוניות מקבלים צורה יעילה. זה נכון במיוחד עבור מכוניות ספורט.
