Вот что значит аэродинамика

Аэродинамика — это. Основы и особенности аэродинамики

Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.

С древних времен

Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля.

Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли.

Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы простейшего вертолета.

Новая эпоха

Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха.

Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц – молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением.

Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.

Развитие аэродинамики

Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними.

В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.

От теории к практике

В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам.

Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.

Жуковский не просто экспериментировал с конструкциями самолетов. В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).

Первые самолеты

Аэродинамика – это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки.

Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.

Проблемы и решения

Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока.

Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.

Основные характеристики

Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:

• Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки.
• Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли.
• Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).

Классификация

Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика – это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты.

Внутренняя аэродинамика – это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель.

Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока:

• Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука.
• Околозвуковой (трансзвуковой) – если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука.
• Сверхзвуковой – когда скорость потока больше скорости звука.
• Гиперзвуковая – скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.

Аэродинамика вертолета

Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.

Другие области применения

Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели – рыбы и млекопитающие – обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.

Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.

Источник

АЭРОДИНАМИКА

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

(от греч. аег — воздух и dynamis — сила) — раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучаются законы движения воздушной (более общо — газообразной) среды и её силового взаимодействия с движущимися в ней твёрдыми телами, гл. обр. близкими по форме к используемым в авиации (крыло, удлинённое тело вращения и т. п.) и в ракетно-космич. технике (корпус ракеты, спускаемый аппарат и т. п.). Кроме собственно А. как общего раздела гидроаэромеханики, развились её нек-рые спец. прикладные области. Так, изучение движения самолёта в целом составило содержание А. самолёта, а отд. вопросы, потребовавшие углублённого рассмотрения движений самолёта и др. летат. аппаратов и их устойчивости, привели к появлению самостоят. отрасли — динамики полёта в атмосфере. Широкая область неавиац. применений А. получила наименование промышленной А. К ней обычно относят теорию и расчёт воздуходувок, ветровых двигателей, струйных аппаратов (напр., эжекторов) и др.

Обширную область совр. прикладной А. составляет А. лопаточных машин — насосов, компрессоров, турбин и А. реактивных двигателей. Изучение движения тел в сильно разреженной атмосфере (на больших высотах) вызвало появление нового раздела А.- динамики разреженных газов. Интенсивное изучение вопросов до- и сверхзвуковых движений воздуха и вообще газов привело к развитию самостоят. раздела гидроаэромеханики — газовой динамики. В А. как простейший её раздел входит аэростатика.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Полезное

Смотреть что такое «АЭРОДИНАМИКА» в других словарях:

аэродинамика — аэродинамика … Орфографический словарь-справочник

АЭРОДИНАМИКА — (от греч. aer воздух, и dynamis сила). Наука о законах движения газов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. АЭРОДИНАМИКА греч., от aer, воздух, и dynamis, сила. Наука о законах движения газообразных тел … Словарь иностранных слов русского языка

Аэродинамика — (от греческого аer воздух и dynamis сила) 1) раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения жидкостей и газов (преимущественно воздуха), а также механическое и тепловое взаимодействие между жидкостью или газом и… … Энциклопедия техники

аэродинамика — и, ж. aérodynamique f. Научная дисциплина, изучающая законы движения воздуха и других газов и их взаимодействие с движущимися в них телами. БАС 2. <Аэрометрия> разделяется на Аэростатику, Пневматику и Аэродинамику. Ян. 1 296. Лекс. Ян. 1803 … Исторический словарь галлицизмов русского языка

аэродинамика — Раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения газа, преимущественно воздуха, а также механическое и тепловое взаимодействие между газом и движущимися в нем телами. [ГОСТ 23281 78] Тематики аэродинамика летательных… … Справочник технического переводчика

АЭРОДИНАМИКА — (от аэро. и греческого dynamis сила), наука о законах движения газов и взаимодействии их с твердыми телами. Сложилась в 1 й четверти 20 в. в связи с потребностями развивающейся авиации в аналитическом определении подъемной силы летательного… … Современная энциклопедия

АЭРОДИНАМИКА — раздел аэромеханики, в котором изучаются законы движения газа (напр., воздуха) и силы, возникающие на поверхности обтекаемого газом тела. Сформировалась в 20 в. в связи с развитием авиации. Основные задачи аэродинамики: определение сил,… … Большой Энциклопедический словарь

АЭРОДИНАМИКА — АЭРОДИНАМИКА, наука о движении газов и о силах, действующих на предметы, например, самолеты, движущиеся в воздушной среде. Авиаконструктор должен учитывать четыре важнейших фактора и их взаимосвязь: вес аппарата и груза, который должен быть… … Научно-технический энциклопедический словарь

АЭРОДИНАМИКА — АЭРОДИНАМИКА, аэродинамики, мн. нет, жен. (от греч. aer воздух и dynamis сила) (научн.). Учение о сопротивлении воздуха при движении тел. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

АЭРОДИНАМИКА — АЭРОДИНАМИКА, и, жен. Раздел аэромеханики, изучающий движение воздуха и других газов и взаимодействие газов с обтекаемыми ими телами. | прил. аэродинамический, ая, ое. А. нагрев (повышение температуры тела, движущегося с большой скоростью в… … Толковый словарь Ожегова

Источник

Что такое аэродинамика автомобиля и как это работает?

Рассказываем о том, что такое аэродинамика, как встречные потоки воздуха могут вмешаться в управление автомобилем, и как работают спойлеры.

Спойлеры, сплиттеры, воздухозаборники, обвесы… Это лишь малая часть тех «украшений», которые наводнили наши улицы в нулевых годах. Пожалуй, тогда в России настала «золотая» эпоха народного автомобильного тюнинга, и безумные антикрылья вырастали даже там, где им, кажется, совсем не место. Об их истинном предназначении догадывались единицы, а просчитать и установить аэродинамические элементы так, чтобы они выполняли свою прямую функцию, было под силу лишь самым заумным инженерам сопроматчикам.

Сейчас технологии, позволяющие «просчитать» машину в несколько кликов, стали доступнее. Появилось достаточно точное компьютерное моделирование, а аэродинамические трубы больше не ассоциируются только с космической промышленностью. Первопроходцами в области автомобильных аэродинамических изысканий, как всегда, стали спортивные команды, но очень скоро и производители серийных авто присмотрелись к результатам исследований и переняли опыт просветлённых товарищей. Фигурное прорезание воздуха — целое искусство и речь здесь не только о приятных глазу формах, но и о том, что можно ощутить только в движении.

Оказывается, аэродинамика может повлиять и на шум в машине, и на пресловутый разгон 0-100 км/ч, и даже на расход горючего. Как это работает? Давайте разберёмся вместе.

Коэффициент лобового сопротивления

Оказывается, воздух — субстанция капризная и непредсказуемая. В безветренную погоду о его существовании можно даже забыть, но всё меняется, когда вы начинаете двигаться. Невесомый газ будет превращаться практически в кисель по мере того, как вы будете ускоряться. Автомобиль лицом к лицу сталкивается со встречным потоком, и для того, чтобы понять, насколько эффективно машина преодолевает бесконечную воздушную преграду, придумали достаточно эфемерную, но прижившуюся величину — коэффициент лобового сопротивления. Этот показатель относительный и его нужно с чем-то сравнивать, поэтому господа учёные выбрали «эталон». И это не какая-то хитроумная фигура, а самый обычный цилиндр. Он должен быть такого же диаметра, как и самая широкая часть машины и сопротивление которое он встречает при движении принято считать равным 1. И вот когда сопротивление металлической «колбасы» известно, в такие же условия помещают тестируемый автомобиль. И если машина встречает вдвое меньшее сопротивление воздуха, то коэффициент её лобового сопротивления будет равен 0,5. Но сейчас такой показатель считается практически «провальным». Хотя многие представители «кирпичной» аэродинамики любимы и уважаемы на дорогах. Коэффициент лобового сопротивления брутального Gelandewagen, например, составляет целых 0,54. Для сравнения, самый аэродинамичный на сегодняшний день автомобиль может похвастаться значением 0,189. Это футуристичное творение концерна VAG — Volkswagen XL1.

От чего зависят аэродинамические показатели?

На самом деле, факторов может набраться на пару полноценных книг. Но выделить основные категории все таки можно:

• геометрия передней части;
• геометрия боков;
• геометрия задней части;
• геометрия днища;
• шероховатость поверхностей.

Для того, чтобы машина встречала меньшее сопротивление воздуха, важно, чтобы его потоки обтекали автомобиль максимально плавно. При встрече с препятствием воздушный поток сначала сопротивляется, а потом всё же разделяется. Одна его часть минует преграду сверху, другая — снизу, а третья и четвёртая части — сбоку. Представьте, что воздух вокруг машины — это горизонтальные ниточки с пружинами по всей длине. Когда автомобиль въезжает в это полосатое пространство происходит вот что: сначала нужно заставить преграду расступиться. Чем больше площадь участка который первым встретился с эластичным препятствием, тем большее пружин придётся сжать одновременно для того, чтобы продолжить движение. Когда это случилось, нитки начинают постепенно распределяться по кузову и днищу.

Пружины начинают сжиматься дальше, и за счёт этого нити поднимаются по решётке радиатора пока не доберутся до капота. Там обычно есть вполне себе внушительная ступенька, поэтому пружине надо резко сжаться ещё. Затем настаёт очередь ветрового стекла, которое заставляет витки напрячься ещё больше. Так продолжается до тех пор, пока кузов не начнёт сглаживаться и у пружины не появится место для того, чтобы разжаться до нормального состояния. Если линия крыши постепенно заваливается и перетекает в багажник, воображаемая пружина будет разжиматься постепенно, а не менее воображаемая нить будет спокойно очерчивать контур. А вот если сжатая пружина внезапно потеряет опору, то она сначала резко разожмётся, а потом будет колебаться до тех пор, пока не израсходует всю накопленную энергию. Такие хаотичные движения в момент внезапной потери опоры отлично визуализируют турбулентность. В момент её возникновения образуются потоки так называемого возмущённого воздуха, которые завихряются и, тем самым, создают область пониженного давления. Самый простой пример зоны повышенной турбулентности — конец прицепа фуры. Можно физически ощутить, как туда «затягивает», если проехать мимо. Ещё из курса школьной физики известно, что любой предмет стремиться двигаться туда, где давление меньше. Этим и обусловлен такой неприятный эффект. Но если с соседями по потоку всё понятно, то о собственноручно генерируемом «вакууме» многие забывают. Если воздушный поток внезапно оборвался позади вашей машины, то возникшая турбулентность будет буквально засасывать вас обратно, препятствуя движению вперёд.

А ещё стоит учесть, что современные автомобили по своей геометрии отдалённо напоминают форму крыла самолёта.

Днище вашего автомобиля достаточно плоское, и поэтому турбулентных потоков возникает относительно немного, чего не сказать о верхней части кузова. Это значит, что над крышей давление воздуха меньше, чем под колёсами. От этого автомобиль немного приподнимается над дорогой и чем дорожный просвет больше, тем сильнее этот эффект. Самолёты похожим образом опираются на воздух и генерируют подъёмную силу из разницы давлений. На машине вы, конечно, не взлетите, но о таких шутках воздуха лучше не забывать, особенно когда вы едете быстро.

Как аэродинамика влияет на поведение автомобиля

Аэродинамика начинает работать тогда, когда автомобиль сдвигается с места, но на низких скоростях ощутить это практически невозможно. Но чем быстрее вы будете двигаться, тем большее влияние на машину будет оказывать окружающая среда.

Чем быстрее вы едете, тем шумнее становится в салоне. И гудят не только покрышки. Ко всем сопутствующим ежедневной езде звукам добавляются ещё и аэродинамические шумы. Всё гудение и кряхтение, раздающееся вокруг — это звук, с которым воздух «срывается» с кузова автомобиля, а потом «бьётся» в стёкла и двери. Чем быстрее вы будете ехать, тем большее количество воздуха будет с шумом «утекать» со стоек, зеркал и других излишне выступающих частей экстерьера, отсюда и нарастающий шум.

Разгон

Неспроста я успела обозвать воздушную массу киселём. Ведь воздух правда всеми силами сопротивляется передвижению в нём. Работает это примерно так: сила сопротивления воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости, а это значит, что, при прочих равных, если вы ускоритесь с 60 до 70 км/ч, сила сопротивления вырастет примерно на 35%, а если разогнаться до 100 км/ч — на 180%. Получается, что чем быстрее вы едете, тем больше машине требуется мощности на преодоление воздушной преграды. Соответственно, на высоких скоростях может значительно вырасти потребление горючего, а разгон при этом серьёзно «просядет», даже если номинальный запас мощности мотора не исчерпан.

Управляемость

На управляемость сильно влияет подъёмная сила, которая возникает под днищем вашей машины. На маленьких скоростях вес автомобиля больше, чем воздействие воздуха снизу, но на скоростях выше городских вы можете почувствовать, что машина начала по-другому управляться и очень уж нервно реагировать, например, на боковые порывы ветра. Это происходит потому, что кузов чуть приподнялся над дорогой, и часть веса машины приняла на себя своеобразную воздушную подушку. Поэтому пятно контакта колёс с дорогой стало чуть меньше, от этого и неприятная нестабильность в управлении. У всех автомобилей эта «критическая» скорость разная. Кто-то «взлетает» на 100 км/ч, а кому-то и скорость 210 не страшна. Это зависит и от геометрии кузова, веса самой машины и от того, что автомобиль может противопоставить подъёмной силе.

Зачем нужны спойлеры

Если уж мы никуда не можем деться от воздуха и его капризов, то стоит попробовать обратить его способности во благо. Так думали автомобилестроители раньше и продолжают думать сейчас. Главными новаторами и идейными вдохновителями как всегда являются спортивные подразделения автомобильных концернов. Там и с формой днища изощряются, и специальные обвесы изготавливают, и выхлопную системы в технике кружев Ришелье изобретают. Но все эти эффективные инновации вместить в одну серийную гражданскую машину не получится — больно уж дорого и сложно. Приходится выбирать самый простой, надёжный и действенный способ скорректировать поведение машины в воздушном потоке. И если лобовое сопротивление и повышенные шумы можно побороть только полной перестройкой кузова, то со «взлётами» бороться можно иначе. Для этого подойдут передние сплиттеры и задние антикрылья (спойлеры). Сплиттер помогает уменьшить дорожный просвет и буквально отсечь часть воздуха, попадающего под машину на скорости. Это помогает снизить подъёмную силу.

Спойлер же сглаживает поток воздуха, срывающийся с крыши и заднего стекла автомобиля. Но помимо «спрямления» потока, правильно подобранное антикрыло преобразует сопротивление воздуха в прижимную силу. Получается, что воздух встречается с поверхностью антикрыла под таким углом, что часть силы сопротивления направлена в сторону дорожного полотна. Благодаря жёсткому креплению спойлера к кузову, задней части автомобиля не остаётся ничего, кроме как прижаться к земле под воздействием потока воздуха. Это помогает сохранить управляемость, а на заднем приводе ещё и помогает реализовать мощность на ведущих колёсах. Кстати, передние антикрылья тоже есть, но только в мире профессионального автоспорта.

Как видите, аэродинамика — вещь сложная. И подружиться с ней бывает непросто, даже имея почти безграничные ресурсы. Ведь даже крошечная ошибка в расчётах может привести к эффекту, который будет строго противоположен ожидаемому. Да, есть талантливые механики, которые могут преобразить автомобиль, приладив буквально пару планочек, но, по большей части, все незаводские навесные элементы скорее облагораживают внешность машины, а не её повадки. Давайте будем честными: все же мы любим глазами, а все атрибуты настоящего спорткара уж точно заставят проводить их обладателя взглядом.

Источник