Aerodinâmica é uma área do conhecimento que estuda o movimento dos fluxos de ar e seus efeitos nos corpos sólidos. É uma subseção da hidrodinâmica e da dinâmica do gás. As pesquisas nesta área remontam à antiguidade, à época da invenção das flechas e das lanças de planejamento, que possibilitavam lançar um projétil mais longe e com mais precisão em um alvo. No entanto, o potencial da aerodinâmica foi totalmente revelado com a invenção de veículos mais pesados que o ar capazes de voar ou planar em distâncias consideráveis.
Desde os tempos antigos
A descoberta das leis da aerodinâmica no século 20 contribuiu para um s alto fantástico em muitas áreas da ciência e tecnologia, especialmente no setor de transportes. Com base em suas conquistas, aeronaves modernas foram criadas, o que tornou possível tornar praticamente qualquer canto do planeta Terra acessível ao público.
A primeira menção de uma tentativa de conquistar o céu é encontrada no mito grego de Ícaro e Dédalo. Pai e filho construíram asas parecidas com pássaros. Isso indica que há milhares de anos as pessoas pensavam na possibilidade de decolar.
Outra ondao interesse na construção de aeronaves surgiu durante o Renascimento. O apaixonado pesquisador Leonardo da Vinci dedicou muito tempo a esse problema. Suas notas são conhecidas, que explicam os princípios de operação do helicóptero mais simples.
Nova era
O avanço global na ciência (e na aeronáutica em particular) foi feito por Isaac Newton. Afinal, a base da aerodinâmica é uma ciência abrangente da mecânica, cujo fundador foi um cientista inglês. Newton foi o primeiro a considerar o meio aéreo como um conglomerado de partículas que, ao se chocarem com um obstáculo, ou aderem a ele ou são refletidas elasticamente. Em 1726, ele apresentou ao público a teoria da resistência do ar.
Subseqüentemente, descobriu-se que o ambiente realmente consiste nas menores partículas - moléculas. Eles aprenderam a calcular a refletividade do ar com bastante precisão, e o efeito de “aderência” foi considerado uma suposição insustentável.
Surpreendentemente, esta teoria encontrou aplicação prática séculos depois. Nos anos 60, no início da era espacial, os projetistas soviéticos enfrentaram o problema de calcular o arrasto aerodinâmico de veículos de descida de forma esférica "romba", que desenvolvem velocidades hipersônicas ao pousar. Devido à f alta de computadores potentes, era problemático calcular este indicador. Inesperadamente, descobriu-se que é possível calcular com precisão o valor de arrasto e até mesmo a distribuição de pressão sobre a parte frontal usando a fórmula simples de Newton sobre o efeito de "colar" de partículas em um objeto voador.
Desenvolvimento da aerodinâmica
FundadorO hidrodinamicista Daniel Bernoulli descreveu em 1738 a relação fundamental entre pressão, densidade e velocidade para escoamento incompressível, conhecido hoje como princípio de Bernoulli, que também é aplicável a cálculos de sustentação aerodinâmica. Em 1799, Sir George Cayley tornou-se a primeira pessoa a identificar as quatro forças aerodinâmicas do voo (peso, sustentação, arrasto e empuxo) e as relações entre elas.
Em 1871, Francis Herbert Wenham criou o primeiro túnel de vento para medir com precisão as forças aerodinâmicas. Teorias científicas inestimáveis desenvolvidas por Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Em 1889, Charles Renard, um engenheiro aeronáutico francês, tornou-se a primeira pessoa a calcular cientificamente a potência necessária para um voo sustentado.
Da teoria à prática
No século 19, os inventores olharam para a asa de um ponto de vista científico. E graças ao estudo do mecanismo de voo das aves, foi estudada a aerodinâmica em ação, que mais tarde foi aplicada a aeronaves artificiais.
Otto Lilienthal se destacou especialmente na pesquisa da mecânica das asas. O designer de aeronaves alemão criou e testou 11 tipos de planadores, incluindo um biplano. Ele também fez o primeiro vôo em um aparelho mais pesado que o ar. Por uma vida relativamente curta (46 anos), ele fez cerca de 2.000 voos, melhorando constantemente o design, que mais parecia uma asa-delta do que um avião. Ele morreu durante o vôo seguinte em 10 de agosto de 1896, tornando-se um pioneiroaeronáutica, e a primeira vítima de um acidente de avião. A propósito, o inventor alemão entregou pessoalmente um dos planadores a Nikolai Yegorovich Zhukovsky, pioneiro no estudo da aerodinâmica de aeronaves.
Zhukovsky não apenas experimentou projetos de aeronaves. Ao contrário de muitos entusiastas da época, ele considerava principalmente o comportamento das correntes de ar do ponto de vista científico. Em 1904 ele fundou o primeiro instituto aerodinâmico do mundo em Cachino, perto de Moscou. Desde 1918, chefiou o TsAGI (Instituto Central Aerohidrodinâmico).
Primeiros aviões
Aerodinâmica é a ciência que permitiu ao homem conquistar o céu. Sem estudá-lo, seria impossível construir aeronaves que se movessem de forma estável nas correntes de ar. A primeira aeronave em nosso sentido usual foi feita e levantada no ar em 7 de dezembro de 1903 pelos irmãos Wright. No entanto, este evento foi precedido por um cuidadoso trabalho teórico. Os americanos dedicaram muito tempo para depurar o design da fuselagem em um túnel de vento de seu próprio projeto.
Durante os primeiros voos, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta e Nikolai Zhukovsky apresentaram teorias que explicavam a circulação de correntes de ar que criam sustentação. Kutta e Zhukovsky continuaram a desenvolver uma teoria bidimensional da asa. Ludwig Prandtl é creditado com o desenvolvimento da teoria matemática das forças sutis aerodinâmicas e de sustentação, além de trabalhar com camadas limite.
Problemas e Soluções
A importância da aerodinâmica das aeronaves aumentou à medida que suas velocidades aumentaram. Os designers começaram a ter problemas com a compressão do ar na velocidade do som ou próximo dela. Diferenças no fluxo sob essas condições levaram a problemas de manuseio da aeronave, aumento do arrasto devido a ondas de choque e ameaça de falha estrutural devido à vibração aeroelástica. A razão entre a velocidade do fluxo e a velocidade do som foi chamada de número de Mach em homenagem a Ernst Mach, que foi um dos primeiros a investigar as propriedades do fluxo supersônico.
William John McQuorn Rankine e Pierre Henri Gougoniot desenvolveram independentemente a teoria das propriedades do fluxo de ar antes e depois de uma onda de choque, enquanto Jacob Akeret fez o trabalho inicial no cálculo da sustentação e arrasto de aerofólios supersônicos. Theodor von Karman e Hugh Latimer Dryden cunharam o termo "transônico" para descrever velocidades na fronteira de Mach 1 (965-1236 km/h), quando a resistência está aumentando rapidamente. A primeira barreira do som foi quebrada em 1947 em uma aeronave Bell X-1.
Principais recursos
De acordo com as leis da aerodinâmica, para garantir o voo na atmosfera terrestre de qualquer dispositivo, é importante saber:
- Arrasto aerodinâmico (eixo X) exercido por correntes de ar sobre um objeto. Com base neste parâmetro, a potência da usina é selecionada.
- Força de elevação (eixo Y), que fornece subida e permite que o dispositivo voe horizontalmente até a superfície da terra.
- Momentos de forças aerodinâmicas ao longo de três eixos coordenados atuando sobre um objeto voador. mais importanteé o momento da força lateral ao longo do eixo Z (Mz) direcionado através da aeronave (condicionalmente ao longo da linha da asa). Determina o grau de estabilidade longitudinal (se o dispositivo irá "mergulhar" ou levantar o nariz ao voar).
Classificação
O desempenho aerodinâmico é classificado pelas condições e propriedades do fluxo de ar, incluindo velocidade, compressibilidade e viscosidade. A aerodinâmica externa é o estudo do fluxo em torno de objetos sólidos de várias formas. Exemplos são avaliar a sustentação e as vibrações de uma aeronave, bem como as ondas de choque que se formam na frente do nariz de um míssil.
Aerodinâmica interna é o estudo do fluxo de ar que se move através de aberturas (passagens) em objetos sólidos. Por exemplo, abrange o estudo de fluxos através de um motor a jato.
O desempenho aerodinâmico também pode ser classificado de acordo com a velocidade do fluxo:
- Subsônico é chamado de velocidade menor que a velocidade do som.
- Transonic (transonic) - se houver velocidades abaixo e acima da velocidade do som.
- Supersonic - quando a velocidade do fluxo é maior que a velocidade do som.
- Hypersonic - a velocidade do fluxo é muito maior que a velocidade do som. Normalmente esta definição significa velocidades com números Mach acima de 5.
Aerodinâmica de helicóptero
Se o princípio do vôo da aeronave é baseado na força de sustentação durante o movimento de translação exercido na asa, então o helicóptero, por assim dizer, cria sustentação por si mesmo devido à rotação das pás no modo de sopro axial (isto é, sem velocidade translacional). Graças aCom esse recurso, o helicóptero é capaz de pairar no ar no lugar e realizar manobras energéticas em torno do eixo.
Outras aplicações
Naturalmente, a aerodinâmica não se aplica apenas às aeronaves. A resistência do ar é experimentada por todos os objetos que se movem no espaço em um meio gasoso e líquido. Sabe-se que os habitantes aquáticos - peixes e mamíferos - possuem formas aerodinâmicas. No exemplo deles, você pode rastrear a aerodinâmica em ação. Com foco no mundo animal, as pessoas também fazem o transporte de água pontiagudo ou em forma de lágrima. Isso se aplica a navios, barcos, submarinos.
Os veículos experimentam uma resistência do ar significativa: aumenta à medida que a velocidade aumenta. Para obter uma melhor aerodinâmica, os carros recebem uma forma aerodinâmica. Isso é especialmente verdadeiro para carros esportivos.
