Aerodynamics ni taaluma inayochunguza mienendo ya mtiririko wa hewa na athari zake kwenye miili dhabiti. Ni sehemu ndogo ya mienendo ya hydro- na gesi. Utafiti katika eneo hili ulianza nyakati za kale, hadi wakati wa uvumbuzi wa mishale na mikuki ya kupanga, ambayo ilifanya iwezekanavyo kutuma projectile zaidi na kwa usahihi zaidi kwa lengo. Hata hivyo, uwezo wa aerodynamics ulifichuliwa kikamilifu kwa uvumbuzi wa magari mazito kuliko hewa yenye uwezo wa kuruka au kuruka juu ya umbali mkubwa.
Tangu zamani za kale
Ugunduzi wa sheria za aerodynamics katika karne ya 20 ulichangia kiwango cha ajabu katika nyanja nyingi za sayansi na teknolojia, haswa katika sekta ya uchukuzi. Kulingana na mafanikio yake, ndege za kisasa zimeundwa, jambo ambalo lilifanya iwezekane kufanya karibu pembe yoyote ya sayari ya Dunia kufikiwa na umma.
Tajo la kwanza la jaribio la kuteka anga linapatikana katika hekaya ya Kigiriki ya Icarus na Daedalus. Baba na mwana walijenga mbawa kama ndege. Hii inaashiria kwamba maelfu ya miaka iliyopita watu walifikiri kuhusu uwezekano wa kushuka ardhini.
Upasuaji mwingineriba katika ujenzi wa ndege iliibuka wakati wa Renaissance. Mtafiti mwenye shauku Leonardo da Vinci alitumia muda mwingi kwa tatizo hili. Maelezo yake yanajulikana, ambayo yanaeleza kanuni za uendeshaji wa helikopta rahisi zaidi.
Enzi mpya
Mafanikio ya kimataifa katika sayansi (na hasa angani) yalifanywa na Isaac Newton. Baada ya yote, msingi wa aerodynamics ni sayansi ya kina ya mechanics, mwanzilishi ambaye alikuwa mwanasayansi wa Kiingereza. Newton alikuwa wa kwanza kuzingatia kati ya hewa kama mkusanyiko wa chembe, ambazo, zikiingia kwenye kizuizi, hushikamana nayo au zinaonyeshwa kwa usawa. Mnamo 1726, aliwasilisha nadharia ya upinzani wa hewa kwa umma.
Baadaye, ilibainika kuwa mazingira kweli yana chembe ndogo zaidi - molekuli. Walijifunza jinsi ya kukokotoa uakisi wa hewa kwa usahihi kabisa, na athari ya "kunata" ilionekana kuwa dhana isiyoweza kutegemewa.
Kwa kushangaza, nadharia hii ilipata matumizi ya vitendo karne nyingi baadaye. Katika miaka ya 60, mwanzoni mwa umri wa nafasi, wabunifu wa Soviet walikabiliwa na tatizo la kuhesabu buruta ya aerodynamic ya magari ya asili ya "blunt" sura ya spherical, ambayo huendeleza kasi ya hypersonic wakati wa kutua. Kwa sababu ya ukosefu wa kompyuta zenye nguvu, ilikuwa shida kuhesabu kiashiria hiki. Bila kutarajia, ikawa kwamba inawezekana kuhesabu kwa usahihi thamani ya kuburuta na hata usambazaji wa shinikizo juu ya sehemu ya mbele kwa kutumia fomula rahisi ya Newton kuhusu athari ya "kushikamana" kwa chembe kwenye kitu kinachoruka.
Maendeleo ya aerodynamics
MwanzilishiMwanahaidrodynamic Daniel Bernoulli alielezea mnamo 1738 uhusiano wa kimsingi kati ya shinikizo, msongamano na kasi ya mtiririko usioshikizwa, unaojulikana leo kama kanuni ya Bernoulli, ambayo inatumika pia kwa hesabu za kiinua cha aerodynamic. Mnamo 1799 Sir George Cayley alikuwa mtu wa kwanza kutambua nguvu nne za aerodynamic za kukimbia (uzito, kuinua, kuvuta na kusukuma) na uhusiano kati yao.
Mnamo 1871, Francis Herbert Wenham aliunda handaki la kwanza la upepo ili kupima kwa usahihi nguvu za angani. Nadharia muhimu sana za kisayansi zilizotengenezwa na Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Mnamo mwaka wa 1889, Charles Renard, mhandisi wa anga wa Ufaransa, alikua mtu wa kwanza kukokotoa kisayansi nguvu zinazohitajika kwa safari endelevu.
Kutoka nadharia hadi mazoezi
Katika karne ya 19, wavumbuzi walitazama mrengo kutoka kwa mtazamo wa kisayansi. Na kutokana na uchunguzi wa utaratibu wa kuruka kwa ndege, aerodynamics katika hatua ilichunguzwa, ambayo baadaye ilitumika kwa ndege bandia.
Otto Lilienthal alifanya vyema hasa katika utafiti wa ufundi wa mabawa. Mbunifu wa ndege wa Ujerumani aliunda na kujaribu aina 11 za glider, ikiwa ni pamoja na biplane. Pia alifanya safari ya kwanza ya ndege kwenye kifaa kizito kuliko hewa. Kwa maisha mafupi (miaka 46), alifanya ndege zipatazo 2000, akiboresha muundo kila wakati, ambao ulikuwa kama glider ya kunyongwa kuliko ndege. Alikufa wakati wa safari iliyofuata ya ndege mnamo Agosti 10, 1896, akiwa painiaangani, na mwathirika wa kwanza wa ajali ya ndege. Kwa njia, mvumbuzi wa Ujerumani alikabidhi kibinafsi moja ya glider kwa Nikolai Yegorovich Zhukovsky, mwanzilishi katika utafiti wa aerodynamics ya ndege.
Zhukovsky hakujaribu tu miundo ya ndege. Tofauti na wapenzi wengi wa wakati huo, alizingatia hasa tabia ya mikondo ya hewa kutoka kwa mtazamo wa kisayansi. Mnamo 1904 alianzisha taasisi ya kwanza ya ulimwengu ya aerodynamic huko Cachino karibu na Moscow. Tangu 1918, aliongoza TsAGI (Taasisi ya Kati ya Aerohydrodynamic).
Ndege za kwanza
Aerodynamics ni sayansi iliyomruhusu mwanadamu kushinda anga. Bila kuisoma, haitawezekana kuunda ndege zinazosonga kwa utulivu kwenye mikondo ya hewa. Ndege ya kwanza kwa maana yetu ya kawaida ilitengenezwa na kuinuliwa angani mnamo Desemba 7, 1903 na akina Wright. Hata hivyo, tukio hili lilitanguliwa na kazi makini ya kinadharia. Waamerika walitumia muda mwingi kutatua muundo wa fremu ya hewa katika njia ya upepo ya muundo wao wenyewe.
Wakati wa safari za kwanza za ndege, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta na Nikolai Zhukovsky waliweka mbele nadharia zilizoelezea mzunguko wa mikondo ya hewa ambayo hutengeneza lifti. Kutta na Zhukovsky waliendelea kukuza nadharia ya pande mbili za mrengo. Ludwig Prandtl anasifiwa kwa kuendeleza nadharia ya hisabati ya nguvu fiche za aerodynamic na lifti, pamoja na kufanya kazi na tabaka za mipaka.
Matatizo na Suluhu
Umuhimu wa aerodynamics ya ndege uliongezeka kadri kasi zao zilivyoongezeka. Wabunifu walianza kupata shida na kukandamiza hewa kwa kasi au karibu na kasi ya sauti. Tofauti za mtiririko chini ya hali hizi zimesababisha matatizo ya utunzaji wa ndege, kuongezeka kwa kuvuta kutokana na mawimbi ya mshtuko, na tishio la kushindwa kwa muundo kutokana na flutter ya aeroelastic. Uwiano wa kasi ya mtiririko kwa kasi ya sauti uliitwa nambari ya Mach baada ya Ernst Mach, ambaye alikuwa mmoja wa wa kwanza kuchunguza sifa za mtiririko wa juu zaidi.
William John McQuorn Rankine na Pierre Henri Gougoniot walikuza kwa kujitegemea nadharia ya sifa za mtiririko wa hewa kabla na baada ya wimbi la mshtuko, huku Jacob Akeret akifanya kazi ya awali ya kukokotoa kunyanyua na kuvuta kwa karatasi za anga za juu. Theodor von Karman na Hugh Latimer Dryden walibuni neno "transonic" kuelezea kasi kwenye mpaka wa Mach 1 (965-1236 km/h), wakati upinzani unaongezeka kwa kasi. Kizuizi cha kwanza cha sauti kilivunjwa mnamo 1947 kwenye ndege ya Bell X-1.
Sifa Muhimu
Kulingana na sheria za aerodynamics, ili kuhakikisha kifaa chochote kinaruka katika angahewa ya dunia, ni muhimu kujua:
- Uburuta wa aerodynamic (mhimili wa X) unaotekelezwa na mikondo ya hewa kwenye kitu. Kulingana na kigezo hiki, nguvu za mitambo huchaguliwa.
- Nguvu ya kuinua (Y-axis), ambayo hutoa kupanda na kuruhusu kifaa kuruka mlalo hadi kwenye uso wa dunia.
- Muda mfupi wa nguvu za aerodynamic kwenye mihimili mitatu ya kuratibu inayotenda kwenye kitu kinachoruka. muhimu zaidini wakati wa nguvu ya upande kwenye mhimili wa Z (Mz) unaoelekezwa kwenye ndege (kwa masharti kwenye mstari wa bawa). Huamua kiwango cha uthabiti wa longitudinal (kama kifaa "kitapiga mbizi" au kuinua pua yake juu wakati wa kuruka).
Ainisho
Utendaji wa angani huainishwa kulingana na hali na sifa za mtiririko wa hewa, ikijumuisha kasi, mgandamizo na mnato. Aerodynamics ya nje ni utafiti wa mtiririko karibu na vitu vikali vya maumbo mbalimbali. Mifano ni kutathmini mwinuko na mitetemo ya ndege, pamoja na mawimbi ya mshtuko yanayotokea mbele ya pua ya kombora.
Aerodynamics ya ndani ni utafiti wa mtiririko wa hewa unaosogea kupitia fursa (vifungu) katika vitu vigumu. Kwa mfano, inashughulikia utafiti wa mtiririko kupitia injini ya ndege.
Utendaji wa angani pia unaweza kuainishwa kulingana na kasi ya mtiririko:
- Subsonic inaitwa kasi ndogo kuliko kasi ya sauti.
- Transonic (transonic) - ikiwa kuna kasi chini na juu ya kasi ya sauti.
- Supersonic - wakati kasi ya mtiririko ni kubwa kuliko kasi ya sauti.
- Hypersonic - kasi ya mtiririko ni kubwa zaidi kuliko kasi ya sauti. Kwa kawaida ufafanuzi huu unamaanisha kasi iliyo na nambari za Mach zaidi ya 5.
Aerodynamics ya helikopta
Ikiwa kanuni ya kuruka kwa ndege inategemea nguvu ya kuinua wakati wa mwendo wa kutafsiri unaofanywa kwenye bawa, basi helikopta, kana kwamba, inaunda kiinua yenyewe kwa sababu ya kuzunguka kwa blade katika hali ya kupuliza kwa axial (yaani bila kasi ya kutafsiri). Shukrani kwaKwa kipengele hiki, helikopta inaweza kuelea angani mahali pake na kufanya maneva ya nguvu kuzunguka mhimili.
Programu zingine
Kwa kawaida, aerodynamics inatumika si kwa ndege pekee. Upinzani wa hewa unakabiliwa na vitu vyote vinavyotembea kwenye nafasi katika gesi na kati ya kioevu. Inajulikana kuwa wenyeji wa majini - samaki na mamalia - wana maumbo yaliyosawazishwa. Kwa mfano wao, unaweza kufuatilia aerodynamics katika hatua. Kwa kuzingatia ulimwengu wa wanyama, watu pia hufanya usafiri wa majini kuwa na ncha au umbo la machozi. Hii inatumika kwa meli, boti, nyambizi.
Magari hupata ukinzani mkubwa wa hewa: huongezeka kadiri kasi inavyoongezeka. Ili kufikia aerodynamics bora, magari hupewa sura iliyopangwa. Hii ni kweli hasa kwa magari ya michezo.
