อากาศพลศาสตร์เป็นสาขาวิชาที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของกระแสลมและผลกระทบต่อวัตถุที่เป็นของแข็ง เป็นส่วนย่อยของพลศาสตร์น้ำและก๊าซ การวิจัยในพื้นที่นี้มีมาตั้งแต่สมัยโบราณ จนถึงเวลาของการประดิษฐ์ลูกศรและหอกวางแผน ซึ่งทำให้สามารถส่งกระสุนปืนไปยังเป้าหมายได้แม่นยำยิ่งขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ศักยภาพของแอโรไดนามิกถูกเปิดเผยอย่างเต็มที่ด้วยการประดิษฐ์ยานพาหนะที่หนักกว่าอากาศที่สามารถบินหรือร่อนได้ในระยะทางไกล
ตั้งแต่สมัยโบราณ
การค้นพบกฎแอโรไดนามิกส์ในศตวรรษที่ 20 มีส่วนทำให้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีก้าวกระโดดอย่างน่าอัศจรรย์ในหลาย ๆ ด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคการขนส่ง จากความสำเร็จของมัน เครื่องบินสมัยใหม่ได้ถูกสร้างขึ้น ซึ่งทำให้คนทั่วไปสามารถเข้าถึงทุกมุมโลกได้
การเอ่ยถึงความพยายามพิชิตท้องฟ้าครั้งแรกนั้นพบได้ในตำนานกรีกของอิคารัสและเดดาลัส พ่อลูกสร้างปีกเหมือนนก สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเมื่อหลายพันปีก่อนผู้คนคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่จะลงจากพื้น
พุ่งไปอีกความสนใจในการสร้างเครื่องบินเกิดขึ้นในช่วงยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา นักวิจัยผู้หลงใหล Leonardo da Vinci อุทิศเวลาให้กับปัญหานี้เป็นอย่างมาก โน้ตของเขาเป็นที่รู้จักซึ่งอธิบายหลักการทำงานของเฮลิคอปเตอร์ที่ง่ายที่สุด
ยุคใหม่
ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ระดับโลก (และโดยเฉพาะอย่างยิ่งวิชาการบิน) เกิดขึ้นโดยไอแซก นิวตัน ท้ายที่สุดแล้วพื้นฐานของแอโรไดนามิกคือวิทยาศาสตร์กลศาสตร์ที่ครอบคลุมซึ่งผู้ก่อตั้งคือนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ นิวตันเป็นคนแรกที่ถือว่าสื่อในอากาศเป็นกลุ่มก้อนของอนุภาค ซึ่งวิ่งเข้าหาสิ่งกีดขวาง ไม่ว่าจะเกาะติดอยู่หรือถูกสะท้อนอย่างยืดหยุ่น ในปี ค.ศ. 1726 เขาได้นำเสนอทฤษฎีการต่อต้านทางอากาศต่อสาธารณชน
ต่อมาปรากฎว่าสิ่งแวดล้อมประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด - โมเลกุลจริงๆ พวกเขาเรียนรู้วิธีคำนวณการสะท้อนแสงของอากาศได้อย่างแม่นยำ และเอฟเฟกต์ "เกาะติด" ถือเป็นข้อสันนิษฐานที่ไม่สามารถแก้ไขได้
น่าแปลกที่ทฤษฎีนี้พบการใช้งานจริงในศตวรรษต่อมา ในยุค 60 ที่รุ่งอรุณของยุคอวกาศ นักออกแบบชาวโซเวียตประสบปัญหาในการคำนวณการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ของยานเกราะที่มีลักษณะเป็นทรงกลม "ทื่อ" ซึ่งพัฒนาความเร็วเหนือเสียงเมื่อลงจอด เนื่องจากไม่มีคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ จึงเกิดปัญหาในการคำนวณตัวบ่งชี้นี้ โดยไม่คาดคิด ปรากฏว่าสามารถคำนวณค่าลากและการกระจายแรงกดบนส่วนหน้าได้อย่างแม่นยำโดยใช้สูตรง่ายๆ ของนิวตันเกี่ยวกับผลกระทบของ "การเกาะ" ของอนุภาคกับวัตถุที่บินได้
การพัฒนาแอโรไดนามิก
ผู้ก่อตั้งนักอุทกพลศาสตร์ Daniel Bernoulli อธิบายในปี ค.ศ. 1738 เกี่ยวกับความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างความดัน ความหนาแน่น และความเร็วสำหรับการไหลแบบบีบอัดไม่ได้ ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อหลักการของ Bernoulli ซึ่งใช้ได้กับการคำนวณการยกตามหลักอากาศพลศาสตร์ด้วย ในปี ค.ศ. 1799 เซอร์จอร์จ เคย์ลีย์กลายเป็นบุคคลแรกในการระบุกองกำลังทางอากาศพลศาสตร์ทั้งสี่ของการบิน (น้ำหนัก การยก การลาก และแรงผลัก) และความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขา
ในปี 1871 ฟรานซิส เฮอร์เบิร์ต เวนแฮมได้สร้างอุโมงค์ลมแห่งแรกเพื่อวัดแรงแอโรไดนามิกอย่างแม่นยำ ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์อันล้ำค่าซึ่งพัฒนาโดย Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh ในปี พ.ศ. 2432 ชาร์ลส์ เรนาร์ วิศวกรการบินชาวฝรั่งเศส กลายเป็นบุคคลแรกที่คำนวณพลังงานที่จำเป็นสำหรับการบินอย่างยั่งยืนด้วยวิทยาศาสตร์
จากทฤษฎีสู่การปฏิบัติ
ในศตวรรษที่ 19 นักประดิษฐ์มองปีกจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ และต้องขอบคุณการศึกษากลไกการบินของนก จึงมีการศึกษาแอโรไดนามิกในการทำงาน ซึ่งต่อมานำไปใช้กับเครื่องบินประดิษฐ์
อ็อตโต ลิเลียนธัล เก่งมากโดยเฉพาะในการวิจัยกลศาสตร์ปีก นักออกแบบเครื่องบินชาวเยอรมันได้สร้างและทดสอบเครื่องร่อน 11 ประเภท รวมทั้งเครื่องบินปีกสองชั้น เขายังทำการบินครั้งแรกด้วยเครื่องมือที่หนักกว่าอากาศ ด้วยอายุขัยที่ค่อนข้างสั้น (46 ปี) เขาบินได้ประมาณ 2,000 เที่ยว ปรับปรุงการออกแบบอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเหมือนเครื่องร่อนมากกว่าเครื่องบิน เขาเสียชีวิตระหว่างเที่ยวบินถัดไปเมื่อวันที่ 10 สิงหาคม พ.ศ. 2439 กลายเป็นผู้บุกเบิกวิชาการบินและเหยื่อรายแรกของเครื่องบินตก อย่างไรก็ตาม นักประดิษฐ์ชาวเยอรมันได้มอบเครื่องร่อนให้กับ Nikolai Yegorovich Zhukovsky ผู้บุกเบิกการศึกษาอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินเป็นการส่วนตัว
Zhukovsky ไม่ได้แค่ทดลองกับการออกแบบเครื่องบินเท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากผู้ที่ชื่นชอบในเวลานั้น เขาพิจารณาพฤติกรรมของกระแสอากาศเป็นหลักจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ ในปี 1904 เขาได้ก่อตั้งสถาบันแอโรไดนามิกแห่งแรกของโลกที่ Cachino ใกล้กรุงมอสโก ตั้งแต่ปี 1918 เขาเป็นหัวหน้า TsAGI (สถาบันแอโรไฮโดรไดนามิกกลาง)
เครื่องบินลำแรก
อากาศพลศาสตร์เป็นศาสตร์ที่ทำให้มนุษย์พิชิตท้องฟ้าได้ หากไม่มีการศึกษา จะไม่สามารถสร้างเครื่องบินที่เคลื่อนที่ได้อย่างมั่นคงในกระแสอากาศ เครื่องบินลำแรกในความหมายปกติของเราถูกสร้างขึ้นและยกขึ้นไปในอากาศเมื่อวันที่ 7 ธันวาคม พ.ศ. 2446 โดยพี่น้องไรท์ อย่างไรก็ตาม เหตุการณ์นี้นำหน้าด้วยการทำงานเชิงทฤษฎีอย่างรอบคอบ ชาวอเมริกันทุ่มเทอย่างมากในการดีบักการออกแบบเฟรมเครื่องบินในอุโมงค์ลมที่ออกแบบเอง
ระหว่างเที่ยวบินแรก Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta และ Nikolai Zhukovsky หยิบยกทฤษฎีที่อธิบายการหมุนเวียนของกระแสอากาศที่สร้างแรงยก Kutta และ Zhukovsky ยังคงพัฒนาทฤษฎีสองมิติของปีกต่อไป Ludwig Prandtl ได้รับการยกย่องในการพัฒนาทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของแอโรไดนามิกและแรงยก รวมถึงการทำงานกับเลเยอร์ขอบเขต
ปัญหาและแนวทางแก้ไข
ความสำคัญของอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินเพิ่มขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้นนักออกแบบเริ่มประสบปัญหาเกี่ยวกับการอัดอากาศที่ความเร็วเสียงหรือใกล้เคียง ความแตกต่างของการไหลภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้นำไปสู่ปัญหาในการจัดการเครื่องบิน การลากที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากคลื่นกระแทก และการคุกคามของความล้มเหลวของโครงสร้างเนื่องจากการกระพือปีก อัตราส่วนของความเร็วการไหลต่อความเร็วของเสียงเรียกว่าเลข Mach หลังจาก Ernst Mach ซึ่งเป็นคนแรกที่ตรวจสอบคุณสมบัติของการไหลเหนือเสียง
William John McQuorn Rankine และ Pierre Henri Gougoniot ได้พัฒนาทฤษฎีคุณสมบัติการไหลของอากาศอย่างอิสระก่อนและหลังคลื่นกระแทก ในขณะที่ Jacob Akeret ทำงานเบื้องต้นในการคำนวณแรงยกและแรงต้านของ airfoils ที่มีความเร็วเหนือเสียง Theodor von Karman และ Hugh Latimer Dryden บัญญัติศัพท์คำว่า "transonic" เพื่ออธิบายความเร็วที่เส้นขอบมัค 1 (965-1236 กม./ชม.) เมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว กำแพงเสียงลำแรกถูกทำลายในปี 1947 บนเครื่องบิน Bell X-1
คุณสมบัติหลัก
ตามกฎของอากาศพลศาสตร์เพื่อให้แน่ใจว่าจะบินในชั้นบรรยากาศของโลกด้วยอุปกรณ์ใด ๆ สิ่งสำคัญที่ต้องรู้:
- ลากแอโรไดนามิก (แกน X) ที่เกิดจากกระแสอากาศบนวัตถุ ตามพารามิเตอร์นี้ กำลังของโรงไฟฟ้าจะถูกเลือก
- แรงยก (แกน Y) ซึ่งให้การปีนและทำให้อุปกรณ์สามารถบินในแนวนอนสู่พื้นผิวโลก
- ช่วงเวลาของแรงแอโรไดนามิกตามแกนพิกัดทั้งสามที่กระทำต่อวัตถุที่บินได้ สำคัญที่สุดคือ โมเมนต์ของแรงด้านข้างตามแนวแกน Z (Mz) ที่พุ่งผ่านเครื่องบิน (ตามเงื่อนไขตามแนวปีก) มันกำหนดระดับความมั่นคงตามยาว (ไม่ว่าอุปกรณ์จะ "ดำน้ำ" หรือยกจมูกขึ้นเมื่อบิน)
การจำแนก
ประสิทธิภาพแอโรไดนามิกจำแนกตามสภาวะและคุณสมบัติของการไหลของอากาศ รวมถึงความเร็ว การอัดตัว และความหนืด อากาศพลศาสตร์ภายนอกเป็นการศึกษาการไหลรอบวัตถุที่เป็นของแข็งที่มีรูปร่างต่างๆ ตัวอย่างคือการประเมินการยกและการสั่นของเครื่องบิน ตลอดจนคลื่นกระแทกที่ก่อตัวหน้าจมูกของขีปนาวุธ
อากาศพลศาสตร์ภายในเป็นการศึกษาการไหลของอากาศที่เคลื่อนผ่านช่องเปิด (ทางผ่าน) ในวัตถุแข็ง ตัวอย่างเช่น ครอบคลุมการศึกษาการไหลผ่านเครื่องยนต์ไอพ่น
ประสิทธิภาพแอโรไดนามิกยังสามารถจำแนกตามความเร็วในการไหล:
- เปรี้ยงปร้างเรียกว่าความเร็วน้อยกว่าความเร็วของเสียง
- Transonic (transonic) - หากมีความเร็วต่ำกว่าและสูงกว่าความเร็วของเสียง
- Supersonic - เมื่อความเร็วการไหลมากกว่าความเร็วของเสียง
- Hypersonic - ความเร็วในการไหลมากกว่าความเร็วของเสียงมาก โดยปกติคำจำกัดความนี้หมายถึงความเร็วด้วยเลขมัคที่สูงกว่า 5.
เฮลิคอปเตอร์แอโรไดนามิก
หากหลักการของการบินของเครื่องบินขึ้นอยู่กับแรงยกระหว่างการเคลื่อนที่เชิงแปลที่กระทำบนปีก เฮลิคอปเตอร์ก็สร้างแรงยกด้วยตัวเองเนื่องจากการหมุนของใบมีดในโหมดเป่าตามแนวแกน (นั่นคือไม่มีความเร็วในการแปล) ขอบคุณด้วยคุณสมบัตินี้ เฮลิคอปเตอร์จึงสามารถลอยขึ้นไปในอากาศและเคลื่อนที่อย่างกระฉับกระเฉงรอบแกนได้
แอปพลิเคชั่นอื่นๆ
โดยธรรมชาติแล้ว แอโรไดนามิกไม่เพียงแต่ใช้ได้กับเครื่องบินเท่านั้น แรงต้านของอากาศเกิดขึ้นได้จากวัตถุทั้งหมดที่เคลื่อนที่ในอวกาศในตัวกลางที่เป็นก๊าซและของเหลว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสัตว์น้ำ - ปลาและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม - มีรูปร่างเพรียวบาง ในตัวอย่าง คุณสามารถติดตามการดำเนินการตามหลักอากาศพลศาสตร์ได้ ผู้คนยังให้ความสำคัญกับสัตว์โลกทำให้การขนส่งทางน้ำแหลมหรือรูปหยดน้ำ ใช้ได้กับเรือ เรือ เรือดำน้ำ
ยานพาหนะมีแรงต้านอากาศอย่างมาก: จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น เพื่อให้ได้แอโรไดนามิกที่ดีขึ้น รถยนต์จะได้รับรูปทรงที่เพรียวบาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรถสปอร์ต