Her på jorden har vi en tendens til å ta luftmotstand (også kjent som “dra”) for gitt. Vi antar bare at når vi kaster en ball, setter i gang et fly, deorbiterer et romfartøy eller skyter en kule fra en pistol, vil handlingen ved å reise gjennom atmosfæren naturlig bremse den. Men hva er grunnen til dette? Hvordan kan luft bremse et objekt, enten det er i fritt fall eller under flyging?
På grunn av vår avhengighet av flyreiser, vår entusiasme for romutforskning og vår kjærlighet til sport og å gjøre ting luftbårne (inkludert oss selv), er forståelse av luftmotstand nøkkelen til å forstå fysikk, og en integrert del av mange vitenskapelige fagområder. Som en del av underdisiplinen kjent som væskedynamikk, gjelder det felt innen aerodynamikk, hydrodynamikk, astrofysikk og kjernefysikk (for å nevne noen).
Definisjon:
Per definisjon beskriver luftmotstand kreftene som er i opposisjon til den relative bevegelsen til et objekt når det passerer gjennom luften. Disse trekkreftene virker motsatt av den møtende strømningshastigheten og bremser dermed gjenstanden. I motsetning til andre motstandskrefter, avhenger dra direkte av hastigheten, siden det er komponenten i den netto aerodynamiske kraften som virker motsatt av bevegelsesretningen.
En annen måte å si det på ville være å si at luftmotstand er et resultat av kollisjoner av objektets ledende overflate med luftmolekyler. Det kan derfor sies at de to vanligste faktorene som har en direkte effekt på mengden luftmotstand er gjenstandens hastighet og gjenstandens tverrsnittsareal. Ergo, både økte hastigheter og tverrsnittsområder vil resultere i en økt mengde luftmotstand.
Når det gjelder aerodynamikk og flyging, refererer dra både til kreftene som virker motsatt av skyvekraften, så vel som kreftene som fungerer vinkelrett på det (dvs. løft). I astrodynamikk er atmosfærisk drag både en positiv og en negativ kraft avhengig av situasjonen. Det er både et avløp for drivstoff og effektivitet under løfting og en drivstoffbesparelse når et romskip kommer tilbake til jorden fra bane.
Beregning av luftmotstand:
Luftmotstand beregnes vanligvis ved å bruke "dra-ligningen", som bestemmer kraften som oppleves av et objekt som beveger seg gjennom en væske eller en gass med relativt stor hastighet. Dette kan uttrykkes matematisk som:
I denne ligningen FD representerer dragkraften, p er væskens tetthet, v er gjenstandens hastighet i forhold til lyd, EN er tverrsnittsområdet, ogCD er dra-koeffisienten. Resultatet er det som kalles “kvadratisk drag”. Når dette er bestemt, beregner mengden strøm som er nødvendig for å overvinne dra, en lignende prosess, som kan uttrykkes matematisk som:
Her, Pder kraften som trengs for å overvinne dragkraften, fd er dragkraften, v er hastigheten, p er væskens tetthet, v er gjenstandens hastighet i forhold til lyd, EN er tverrsnittsområdet, ogCd er dra-koeffisienten. Som det viser, er strømbehov kuben for hastigheten, så hvis det tar 10 hestekrefter å gå 80 km / t, vil det ta 80 hestekrefter å gå 160 km / t. Kort sagt, en dobling av hastigheten krever en påføring på åtte ganger så mye strøm.
Typer luftmotstand:
Det er tre hovedtyper av luftfartøyer i aerodynamikk - Lift Induced, Parasitic og Wave. Hver påvirker en gjenstandes evne til å holde seg høyt, så vel som kraften og drivstoffet som er nødvendig for å holde den der. Løftindusert (eller bare indusert) dra oppstår som et resultat av oppretting av løft på et tredimensjonalt løftelegeme (vinge eller flykropp). Den har to primære komponenter: virvel dra og løftindusert viskøs dra.
Hvirvlene stammer fra den turbulente blanding av luft med varierende trykk på kroppens øvre og nedre overflater. Disse er nødvendige for å skape løft. Når heisen øker, gjør også løftindusert dra. For et fly betyr dette at når angrepsvinkelen og løftekoeffisienten øker til punktet for stall, så vil også den løftinduserte dra.
Derimot er parasittdrift forårsaket av å bevege en fast gjenstand gjennom en væske. Denne typen dra består av flere komponenter, som inkluderer "form drag" og "skin friction drag". Når det gjelder luftfart, har indusert drag en tendens til å være større ved lavere hastigheter fordi det kreves en høy angrepsvinkel for å opprettholde løft, slik at hastigheten øker blir denne dra mye mindre, men parasittisk dra øker fordi væsken strømmer raskere rundt utstående gjenstander og øker friksjonen. Den kombinerte generelle dragkurven er minimal ved noen lufthastigheter og vil være på eller nær dens optimale effektivitet.
Bølgedrag (komprimerbarhetstrekk) opprettes ved tilstedeværelsen av et legeme som beveger seg i høy hastighet gjennom et komprimerbart fluid. I aerodynamikk består bølgedrag av flere komponenter, avhengig av hastighetsregimet for flyturen. I transonic flight - med hastigheter på Mach 0,5 eller høyere, men fremdeles mindre enn Mach 1.0 (aka. Lydhastighet) - er bølgedrag resultatet av lokal supersonisk flyt.
Supersonic flow oppstår på kropper som beveger seg langt under lydens hastighet, ettersom den lokale lufthastigheten på en kropp øker når den akselererer over kroppen. Kort fortalt har fly som flyr i transoniske hastigheter ofte bølgedrag som et resultat. Dette øker når flyets hastighet nærmer seg lydbarrieren til Mach 1.0, før den blir et supersonisk objekt.
Under supersonisk flyging er bølgedrag et resultat av skrå støtbølger som dannes i kroppens for- og bakkanter. I sterkt supersoniske strømmer vil det i stedet dannes bølgebølger. Ved supersoniske hastigheter skilles bølgedrag ofte i to komponenter, supersonisk løfteavhengig bølgedrag og supersonisk volumavhengig bølgedrag.
Å forstå rollen som luftfriksjoner spiller med flyging, kjenne til dens mekanikk og kjenne til hvilken type kraft som er nødvendig for å overvinne den, er alle avgjørende når det gjelder leting av rom og rom. Å vite alt dette vil også være kritisk når det er på tide å utforske andre planeter i vårt solsystem, og i andre stjernesystemer helt!
Vi har skrevet mange artikler om luftmotstand og flyvning her på Space Magazine. Her er en artikkel om Hva er terminalhastighet ?, Hvordan fly fly?, Hva er friksjonskoeffisienten ?, og hva er tyngdekraften?
Hvis du vil ha mer informasjon om NASAs flyprogrammer, kan du sjekke Nybegynnerguiden for aerodynamikk, og her er en lenke til Drag Equation.
Vi har også spilt inn mange relaterte episoder av Astronomy Cast. Hør her, Episode 102: Gravity.
