แรงลากนี้เกิดขึ้นบนเครื่องบินเนื่องจากปีกหรือตัวยกที่เปลี่ยนทิศทางอากาศเพื่อทำให้เกิดการยกตัว และในรถยนต์ที่มีปีกแบบ airfoil ซึ่งเปลี่ยนทิศทางของอากาศทำให้เกิดแรงกด ซามูเอล แลงลีย์สังเกตว่าเพลตที่มีอัตราส่วนกว้างยาวและมีอัตราส่วนกว้างยาวสูงขึ้นนั้นมีแรงยกสูงและแรงต้านที่ต่ำกว่า และเปิดตัวในปี 1902 หากไม่มีการประดิษฐ์คุณภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบิน การออกแบบเครื่องบินสมัยใหม่คงเป็นไปไม่ได้
ยกและเคลื่อนย้าย
แรงแอโรไดนามิกทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายมักจะพิจารณาว่าประกอบด้วยสององค์ประกอบ: การยกและการกระจัด ตามคำจำกัดความ ส่วนประกอบแรงขนานกับกระแสเคาน์เตอร์เรียกว่าการกระจัด ในขณะที่ส่วนประกอบตั้งฉากกับกระแสเคาน์เตอร์เรียกว่าการยก
พื้นฐานของแอโรไดนามิกเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์คุณภาพแอโรไดนามิกของปีก ลิฟเกิดจากการเปลี่ยนทิศทางการไหลรอบปีก เปลี่ยนทิศทางส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็ว (แม้ว่าจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วดังที่เห็นในการเคลื่อนที่เป็นวงกลมสม่ำเสมอ) ซึ่งก็คือความเร่ง ดังนั้น ในการเปลี่ยนทิศทางของการไหล จำเป็นต้องใช้แรงกับของไหล สิ่งนี้มองเห็นได้ชัดเจนบนเครื่องบินทุกลำ เพียงแค่ดูที่แผนผังแสดงคุณภาพอากาศพลศาสตร์ของ An-2
แต่ไม่ใช่ทุกอย่างจะง่ายนัก ตามธีมของคุณภาพอากาศพลศาสตร์ของปีกอย่างต่อเนื่อง เป็นที่น่าสังเกตว่าการสร้างลิฟต์อากาศที่อยู่ด้านล่างนั้นอยู่ที่ความกดอากาศที่สูงกว่าความกดอากาศที่อยู่ด้านบน บนปีกที่มีระยะจำกัด ความต่างของแรงดันนี้ทำให้อากาศไหลจากรากของปีกพื้นผิวด้านล่างไปยังฐานของพื้นผิวด้านบน กระแสลมที่ลอยอยู่นี้รวมกับอากาศที่ไหลผ่านทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความเร็วและทิศทางที่หมุนกระแสลมและสร้างกระแสน้ำวนตามขอบด้านท้ายของปีก กระแสน้ำวนที่สร้างขึ้นนั้นไม่เสถียร พวกมันรวมกันอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างกระแสน้ำวนของปีก กระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนความเร็วและทิศทางของกระแสลมที่อยู่ด้านหลังขอบด้านท้าย โดยเบนทิศทางลงด้านล่างและด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดกระพือปีกอยู่ด้านหลังปีก จากมุมมองนี้ ตัวอย่างเช่น เครื่องบิน MS-21 มีอัตราส่วนการยกต่อการลากในระดับสูง
ควบคุมการไหลของอากาศ
กระแสน้ำวนจะเปลี่ยนกระแสลมรอบปีก ลดความสามารถในการสร้างแรงยกของปีก จึงต้องใช้มุมโจมตีที่สูงขึ้นสำหรับลิฟต์ตัวเดียวกัน ซึ่งจะเอียงแรงแอโรไดนามิกทั้งหมดไปด้านหลังและเพิ่มองค์ประกอบการลากของ แรงนั้น ส่วนเบี่ยงเบนเชิงมุมเล็กน้อยส่งผลต่อการยก อย่างไรก็ตาม มีการเพิ่มขึ้นในการลากเท่ากับผลคูณของลิฟต์ยกและมุมเนื่องจากการเบี่ยงเบน เนื่องจากการโก่งตัวเป็นหน้าที่ของลิฟต์ยก การลากเพิ่มเติมจึงเป็นสัดส่วนกับมุมปีน ซึ่งเห็นได้ชัดเจนในแอโรไดนามิกของ A320
ตัวอย่างประวัติศาสตร์
ปีกดาวเคราะห์สี่เหลี่ยมสร้างแรงสั่นสะเทือนของกระแสน้ำวนมากกว่าปีกทรงกรวยหรือวงรี ซึ่งเป็นสาเหตุที่ปีกสมัยใหม่จำนวนมากถูกลดขนาดลงเพื่อปรับปรุงอัตราส่วนการยกต่อการลาก อย่างไรก็ตาม โครงเครื่องบินทรงรีมีประสิทธิภาพมากกว่าเนื่องจากการล้างแบบเหนี่ยวนำ (และด้วยเหตุนี้มุมที่มีประสิทธิภาพของการโจมตี) จะคงที่ตลอดช่วงปีกทั้งหมด เนื่องจากความยุ่งยากในการผลิต เครื่องบินเพียงไม่กี่ลำมีแผนผังนี้ ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุดคือสงครามโลกครั้งที่ 2 และ Thunderbolt ปีกเรียวที่มีขอบตรงและนำหน้าตรงสามารถเข้าใกล้การกระจายตัวยกรูปวงรีได้ ตามกฎทั่วไป ปีกที่ตรงและไม่เรียวสร้าง 5% และปีกเรียวสร้างแรงดึงดูดมากกว่าปีกรูปไข่ 1-2% ดังนั้นจึงมีคุณภาพอากาศพลศาสตร์ที่ดีกว่า
สัดส่วน
ปีกที่มีอัตราส่วนกว้างยาวทำให้เกิดการลากจูงน้อยกว่าปีกที่มีอัตราส่วนกว้างยาว เนื่องจากการรบกวนของอากาศที่ส่วนปลายของปีกที่ยาวและบางกว่านั้นน้อยกว่า ดังนั้นการชักนำให้เกิดความต้านทานสามารถแปรผกผันกับสัดส่วนไม่ว่าจะฟังดูขัดแย้งแค่ไหน การกระจายตัวของลิฟต์ยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยการชะล้างออกไป บิดปีกไปรอบๆ เพื่อลดการหล่นลงมาทางปีก และโดยการเปลี่ยนแผ่นลมใกล้กับปีก วิธีนี้ช่วยให้คุณยกตัวขึ้นใกล้กับรากของปีกมากขึ้น และใกล้กับปีกน้อยลง ซึ่งนำไปสู่ความแรงของกระแสน้ำวนของปีกที่ลดลง และทำให้คุณภาพอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินดีขึ้น
ในประวัติศาสตร์การออกแบบเครื่องบิน
ในเครื่องบินลำแรกบางลำ ครีบถูกติดไว้ที่ปลายหาง ภายหลังเครื่องบินมีรูปร่างปีกที่แตกต่างกันเพื่อลดความเข้มของกระแสน้ำวนและบรรลุอัตราส่วนการยกต่อการลากสูงสุด
ถังเชื้อเพลิงใบพัดบนชั้นดาดฟ้ายังสามารถให้ประโยชน์บางอย่างได้ด้วยการป้องกันการไหลของอากาศที่วุ่นวายรอบปีก ตอนนี้ใช้ในเครื่องบินหลายลำ คุณภาพแอโรไดนามิกของ DC-10 สมควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นการปฏิวัติในเรื่องนี้ อย่างไรก็ตาม ตลาดการบินสมัยใหม่ได้รับการเติมเต็มด้วยโมเดลที่ล้ำหน้ากว่ามากมานานแล้ว
สูตรลากต่อลาก: อธิบายแบบง่ายๆ
ในการคำนวณความต้านทานรวม จำเป็นต้องคำนึงถึงความต้านทานกาฝากที่เรียกว่า เนื่องจากแรงต้านเหนี่ยวนำแปรผกผันกับกำลังสองของความเร็วอากาศ (ที่ลิฟต์ยกที่กำหนด) ในขณะที่การลากแบบกาฝากเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมัน เส้นโค้งการลากโดยรวมจึงแสดงความเร็วต่ำสุด เครื่องบิน,บินด้วยความเร็วดังกล่าว ทำงานด้วยคุณสมบัติแอโรไดนามิกที่เหมาะสมที่สุด ตามสมการข้างต้น ความเร็วของความต้านทานขั้นต่ำเกิดขึ้นที่ความเร็วที่ความต้านทานเหนี่ยวนำจะเท่ากับความต้านทานกาฝาก นี่คือความเร็วที่มุมการลื่นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเครื่องบินที่ไม่ได้ใช้งาน เพื่อไม่ให้ไม่มีมูล ลองพิจารณาสูตรของตัวอย่างเครื่องบิน:
ความต่อเนื่องของสูตรก็ค่อนข้างแปลกเช่นกัน (ภาพด้านล่าง) การบินที่สูงขึ้นในที่ที่อากาศบางลงจะเพิ่มความเร็วที่การลากขั้นต่ำเกิดขึ้นและทำให้การเดินทางเร็วขึ้นในปริมาณเท่ากัน เชื้อเพลิง.
หากเครื่องบินบินด้วยความเร็วสูงสุดที่อนุญาต ระดับความสูงที่ความหนาแน่นของอากาศจะให้คุณภาพอากาศพลศาสตร์ที่ดีที่สุดแก่เครื่องบิน ระดับความสูงที่เหมาะสมที่สุดที่ความเร็วสูงสุดและความเร็วที่เหมาะสมที่ระดับความสูงสูงสุดอาจเปลี่ยนแปลงระหว่างเที่ยวบิน
ความแข็งแกร่ง
ความเร็วสำหรับความอดทนสูงสุด (เช่นเวลาในอากาศ) คือความเร็วสำหรับการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงขั้นต่ำและความเร็วน้อยกว่าสำหรับช่วงสูงสุด ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงคำนวณเป็นผลคูณของกำลังที่ต้องการและปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเฉพาะต่อเครื่องยนต์ (ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงต่อหน่วยกำลัง) กำลังที่ต้องการเท่ากับเวลาลาก
ประวัติศาสตร์
การพัฒนาแอโรไดนามิกส์สมัยใหม่เริ่มขึ้นใน XVII. เท่านั้นหลายร้อยปี แต่มนุษย์ได้ใช้แรงแอโรไดนามิกในเรือใบและกังหันลมมานานนับพันปี และภาพและเรื่องราวของการบินปรากฏในเอกสารทางประวัติศาสตร์และงานศิลปะทั้งหมด เช่น ตำนานกรีกโบราณของอิคารัสและเดดาลัส แนวคิดพื้นฐานของการไล่ระดับความต่อเนื่อง ความต้านทาน และแรงดันปรากฏในงานของอริสโตเติลและอาร์คิมิดีส
ในปี 1726 เซอร์ไอแซก นิวตัน เป็นคนแรกที่พัฒนาทฤษฎีการต้านทานอากาศ ทำให้เป็นหนึ่งในข้อโต้แย้งแรกๆ เกี่ยวกับคุณสมบัติแอโรไดนามิก นักคณิตศาสตร์ชาวดัตช์-สวิส Daniel Bernoulli เขียนบทความเรื่อง Hydrodynamica ในปี ค.ศ. 1738 ซึ่งเขาได้อธิบายถึงความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างความดัน ความหนาแน่น และความเร็วของการไหลสำหรับการไหลแบบบีบอัดไม่ได้ ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อหลักการของ Bernoulli ซึ่งมีวิธีการหนึ่งสำหรับการคำนวณการยกตามหลักอากาศพลศาสตร์ ในปี ค.ศ. 1757 ลีออนฮาร์ด ออยเลอร์ได้ตีพิมพ์สมการออยเลอร์ทั่วไปมากขึ้น ซึ่งสามารถนำไปใช้กับกระแสทั้งแบบบีบอัดและแบบบีบอัดไม่ได้ สมการออยเลอร์ได้รับการขยายเพื่อรวมผลกระทบของความหนืดในช่วงครึ่งแรกของปี 1800 ทำให้เกิดสมการเนเวียร์-สโตกส์ ประสิทธิภาพแอโรไดนามิก/คุณภาพแอโรไดนามิกของขั้วถูกค้นพบในเวลาเดียวกัน
จากเหตุการณ์เหล่านี้ เช่นเดียวกับการวิจัยที่ทำในอุโมงค์ลมของพวกเขาเอง พี่น้องตระกูล Wright ขึ้นเครื่องบินลำแรกเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม 1903
ประเภทของอากาศพลศาสตร์
ปัญหาแอโรไดนามิกจำแนกตามสภาพการไหลหรือคุณสมบัติของการไหล รวมถึงลักษณะเฉพาะ เช่น ความเร็ว การอัดตัว และความหนืด ส่วนใหญ่มักจะแบ่งออกเป็นสองประเภท:
- อากาศพลศาสตร์ภายนอกเป็นการศึกษาการไหลรอบวัตถุแข็งที่มีรูปร่างต่างๆ ตัวอย่างของแอโรไดนามิกภายนอก ได้แก่ การประเมินการยกและลากบนเครื่องบิน หรือคลื่นกระแทกที่ก่อตัวด้านหน้าจมูกของขีปนาวุธ
- อากาศพลศาสตร์ภายในคือการศึกษาการไหลผ่านทางเดินในวัตถุแข็ง ตัวอย่างเช่น อากาศพลศาสตร์ภายในครอบคลุมการศึกษาการไหลของอากาศผ่านเครื่องยนต์ไอพ่นหรือผ่านปล่องเครื่องปรับอากาศ
ปัญหาแอโรไดนามิกยังสามารถจำแนกตามความเร็วการไหลด้านล่างหรือใกล้กับความเร็วของเสียง
ปัญหาที่เรียกว่า:
- เปรี้ยงปร้าง ถ้าความเร็วทั้งหมดในปัญหาน้อยกว่าความเร็วของเสียง
- transonic หากมีความเร็วทั้งต่ำกว่าและสูงกว่าความเร็วของเสียง (โดยปกติเมื่อความเร็วลักษณะเฉพาะประมาณเท่ากับความเร็วของเสียง);
- supersonic เมื่อความเร็วการไหลของลักษณะเฉพาะมากกว่าความเร็วของเสียง
- hypersonic เมื่อความเร็วการไหลมากกว่าความเร็วของเสียงมาก
นักแอโรไดนามิกไม่เห็นด้วยกับคำจำกัดความที่แน่นอนของการไหลแบบไฮเปอร์โซนิก
ผลของความหนืดต่อการไหลกำหนดการจัดประเภทที่สาม ปัญหาบางอย่างอาจมีผลหนืดเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งในกรณีนี้ ความหนืดอาจถือว่าเล็กน้อย การประมาณปัญหาเหล่านี้เรียกว่า inviscidกระแสน้ำ การไหลที่ไม่สามารถละเลยความหนืดได้เรียกว่าการไหลหนืด
การบีบอัด
การไหลที่บีบอัดไม่ได้คือการไหลที่มีความหนาแน่นคงที่ทั้งในเวลาและพื้นที่ แม้ว่าของไหลจริงทั้งหมดจะถูกบีบอัดได้ แต่การไหลมักจะถูกประมาณว่าไม่สามารถบีบอัดได้ หากผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในผลลัพธ์ที่คำนวณได้ ซึ่งมีแนวโน้มมากขึ้นเมื่ออัตราการไหลต่ำกว่าความเร็วของเสียง ผลกระทบของการบีบอัดมีความสำคัญมากกว่าที่ความเร็วใกล้หรือสูงกว่าความเร็วของเสียง ค่า Mach ใช้ในการประเมินความเป็นไปได้ของการบีบอัด มิฉะนั้นจะต้องรวมเอฟเฟกต์การบีบอัดด้วย
ตามทฤษฎีอากาศพลศาสตร์ การไหลจะถือว่าบีบอัดได้หากความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงไปตามสตรีมไลน์ ซึ่งหมายความว่า ตรงกันข้ามกับการไหลที่ไม่สามารถบีบอัดได้ การเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นจะถูกนำมาพิจารณาด้วย โดยทั่วไป กรณีนี้จะเป็นกรณีที่จำนวนมัคของชิ้นส่วนหรือทั้งหมดของการไหลเกิน 0.3 ค่ามัคที่ 0.3 ค่อนข้างเป็นกฎเกณฑ์ แต่จะใช้เนื่องจากการไหลของก๊าซที่ต่ำกว่าค่านี้แสดงการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นน้อยกว่า 5% นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นสูงสุด 5% จะเกิดขึ้นที่จุดชะงักงัน (จุดบนวัตถุที่ความเร็วการไหลเป็นศูนย์) ในขณะที่ความหนาแน่นรอบวัตถุที่เหลือจะต่ำกว่ามาก โฟลว์ Transonic, supersonic และ hypersonic ทั้งหมดสามารถบีบอัดได้
สรุป
อากาศพลศาสตร์เป็นหนึ่งในศาสตร์ที่สำคัญที่สุดในโลกในปัจจุบัน เธอให้เราการสร้างเครื่องบิน เรือ รถยนต์ และรถรับส่งการ์ตูนที่มีคุณภาพ มีบทบาทอย่างมากในการพัฒนาอาวุธประเภทใหม่ เช่น ขีปนาวุธ บูสเตอร์ ตอร์ปิโด และโดรน ทั้งหมดนี้คงเป็นไปไม่ได้หากไม่ใช่เพราะแนวคิดขั้นสูงที่ทันสมัยในด้านคุณภาพแอโรไดนามิก
ดังนั้น แนวคิดเกี่ยวกับหัวเรื่องของบทความจึงเปลี่ยนจากจินตนาการที่สวยงามแต่ไร้เดียงสาเกี่ยวกับอิคารัส เป็นเครื่องบินที่ใช้งานได้จริงและใช้งานได้จริงซึ่งเกิดขึ้นเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา วันนี้เราไม่สามารถจินตนาการถึงชีวิตของเราโดยปราศจากรถยนต์ เรือ และเครื่องบิน และยานพาหนะเหล่านี้ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องด้วยความก้าวหน้าครั้งใหม่ในด้านอากาศพลศาสตร์
คุณสมบัติแอโรไดนามิกของเครื่องร่อนถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในยุคนั้น ในตอนแรก การค้นพบทั้งหมดในพื้นที่นี้เกิดจากนามธรรม ซึ่งบางครั้งก็แยกจากความเป็นจริง การคำนวณทางทฤษฎี ซึ่งดำเนินการโดยนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสและเยอรมันในห้องทดลองของพวกเขา ต่อมา สูตรทั้งหมดของพวกเขาถูกใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่น (ตามมาตรฐานของศตวรรษที่ 18) อื่น ๆ ที่น่าอัศจรรย์ยิ่งขึ้น เช่น การคำนวณรูปร่างในอุดมคติและความเร็วของเครื่องบินในอนาคต ในศตวรรษที่ 19 อุปกรณ์เหล่านี้เริ่มถูกสร้างขึ้นในปริมาณมาก โดยเริ่มจากเครื่องร่อนและเรือบิน ชาวยุโรปค่อยๆ เปลี่ยนมาใช้การสร้างเครื่องบิน หลังถูกใช้ครั้งแรกเพื่อวัตถุประสงค์ทางการทหารเท่านั้น เอซของสงครามโลกครั้งที่หนึ่งแสดงให้เห็นว่าปัญหาการครอบงำในอากาศมีความสำคัญต่อประเทศใด ๆ และวิศวกรของยุคระหว่างสงครามได้ค้นพบว่าเครื่องบินดังกล่าวมีผลไม่เพียง แต่สำหรับทหารเท่านั้น แต่ยังรวมถึงพลเรือนด้วยเป้าหมาย เมื่อเวลาผ่านไป การบินพลเรือนเข้ามาในชีวิตเราอย่างแน่นหนา และวันนี้ไม่มีรัฐเดียวที่สามารถทำได้โดยปราศจากมัน
