Tukaj, na Zemlji, jemljemo zračni upor (aka. »vlečenje«) za samoumevno. Predvidevamo le, da ko vržemo žogo, izstrelimo letalo, deorbitiramo vesoljsko plovilo ali izstrelimo kroglo iz pištole, jo bo njeno potovanje skozi naše ozračje naravno upočasnilo. Toda kaj je razlog za to? Le kako lahko zrak upočasni predmet, ne glede na to, ali je v prostem padu ali v letu?
Zaradi našega zanašanja na zračno potovanje, našega navdušenja za raziskovanje vesolja in naše ljubezni do športa in ustvarjanja stvari v zraku (vključno z nami) je razumevanje zračnega upora ključno za razumevanje fizika in sestavni del številnih znanstvenih disciplin. Kot del poddiscipline, znane kot dinamika tekočin, se uporablja za področja aerodinamike, hidrodinamike, astrofizike in jedrske fizike (če naštejemo le nekaj).
Opredelitev:
Po definiciji zračni upor opisuje sile, ki so v nasprotju z relativnim gibanjem predmeta, ko ta prehaja skozi zrak. Te sile upora delujejo nasprotno nasprotni hitrosti toka in tako upočasnijo predmet. Za razliko od drugih upornih sil je upor neposredno odvisen od hitrosti, saj je komponenta neto aerodinamične sile, ki deluje nasprotno smeri gibanja.
Drugače bi bilo rečeno, da je zračni upor posledica trkov vodilne površine predmeta z molekulami zraka. Zato lahko rečemo, da sta dva najpogostejša dejavnika, ki neposredno vplivata na količino zračnega upora, hitrost predmeta in površina prečnega prereza predmeta. Zato bodo tako povečane hitrosti kot tudi površine preseka povzročile povečan zračni upor.
Slika, ki prikazuje kroglo in zrak, ki teče okoli nje, kar daje vizualni prikaz zračnega upora. Zasluge: Andrew Davidhazy/Rochester Institute of Technology
V smislu aerodinamike in leta se upor nanaša tako na sile, ki delujejo nasprotno od potiska, kot tudi na sile, ki delujejo pravokotno nanj (tj. dvig). V astrodinamiki je atmosferski upor tako pozitivna kot negativna sila, odvisno od situacije. To je hkrati poraba goriva in učinkovitost med vzletom ter prihranek goriva, ko se vesoljsko plovilo vrača na Zemljo iz orbite.
Izračun zračne upornosti:
Zračni upor se običajno izračuna z uporabo 'enačbe upora', ki določa silo, ki jo ima predmet, ki se premika skozi tekočino ali plin z relativno veliko hitrostjo. To se lahko matematično izrazi kot:
V tej enačbi,FDpredstavlja vlečno silo,strje gostota tekočine,vje hitrost predmeta glede na zvok,TOje površina preseka inCDje koeficient upora. Rezultat je tako imenovani 'kvadratični upor'. Ko je to določeno, izračun količine moči, potrebne za premagovanje upora, vključuje podoben postopek, ki ga je mogoče matematično izraziti kot:
tukaj,Pdje moč, potrebna za premagovanje sile upora,Fdje uporna sila, v je hitrost,strje gostota tekočine,vje hitrost predmeta glede na zvok,TOje površina preseka inCDje koeficient upora. Kot kaže, so potrebe po moči kocka hitrosti, tako da če potrebuje 10 konjskih moči za 80 km/h, bo za 160 km/h potrebnih 80 konjskih moči. Skratka, podvojitev hitrosti zahteva uporabo osemkratne količine moči.
F-22 Raptor, ki doseže dovolj visoko hitrost, da doseže zvočni udarec. Zasluge: strangesounds.org
Vrste zračne odpornosti:
V aerodinamiki obstajajo tri glavne vrste upora – z dvigom, parazitski in valovni. Vsak vpliva na sposobnost predmeta, da ostane v zraku, pa tudi na moč in gorivo, ki sta potrebna, da ostane tam. Upor, povzročen z dvigom (ali samo inducirani) nastane kot posledica ustvarjanja dviga na tridimenzionalnem dvižnem telesu (krilo ali trup). Ima dve glavni komponenti: vrtinčni upor in viskozni upor, ki ga povzroča dvig.
Vrtinci nastanejo zaradi turbulentnega mešanja zraka z različnimi tlaki na zgornji in spodnji površini telesa. Ti so potrebni za ustvarjanje dviga. Ko se dviganje poveča, se poveča tudi upor, ki ga povzroča dvig. Za letalo to pomeni, da se s povečanjem vpadnega kota in koeficienta dviga do točke zastoja poveča tudi upor, ki ga povzroča dvig.
Nasprotno pa je parazitski upor posledica premikanja trdnega predmeta skozi tekočino. Ta vrsta upora je sestavljena iz več komponent, ki vključujejo 'upor oblike' in 'upor trenja kože'. V letalstvu je inducirani upor ponavadi večji pri nižjih hitrostih, ker je za vzdrževanje dviga potreben visok vpadni kot, zato s povečanjem hitrosti ta upor postane veliko manjši, vendar se parazitski upor poveča, ker tekočina hitreje teče okoli štrlečih predmetov, kar povečuje trenje. Skupna krivulja skupnega upora je pri nekaterih hitrostih minimalna in bo na optimalni učinkovitosti ali blizu nje.
Space Shuttle Columbia je izstrelil na svoje prvo potovanje 12. aprila 1981. Zasluge: NASA
Valovni upor (upor stisljivosti) nastane zaradi prisotnosti telesa, ki se giblje z veliko hitrostjo skozi stisljivo tekočino. V aerodinamiki je upor valovanja sestavljen iz več komponent, odvisno od hitrostnega režima leta. Pri transsoničnem letu – pri hitrostih 0,5 Macha ali več, a še vedno manj kot 1,0 Macha (aka. hitrost zvoka) – je upor valovanja posledica lokalnega nadzvočnega toka.
Nadzvočni tok se pojavi na telesih, ki potujejo precej pod hitrostjo zvoka, saj se lokalna hitrost zraka na telesu poveča, ko se pospešuje nad telesom. Skratka, letala, ki letijo s transsonično hitrostjo, imajo zaradi tega pogosto upor valov. To se poveča, ko se hitrost letala približa zvočni pregradi Mach 1,0, preden postane nadzvočni objekt.
Pri nadzvočnem letu je upor valov posledica poševnih udarnih valov, ki nastanejo na sprednjem in zadnjem robu telesa. Pri zelo nadzvočnih tokovih se bodo namesto tega oblikovali premčni valovi. Pri nadzvočnih hitrostih je valovni upor običajno razdeljen na dve komponenti, nadzvočni upor vala, ki je odvisen od dviga, in nadzvočni upor valov, ki je odvisen od prostornine.
Razumevanje vloge zračnega trenja pri letu, poznavanje njegove mehanike in poznavanje vrste moči, ki je potrebna za njegovo premagovanje, so ključnega pomena, ko gre za raziskovanje vesolja in vesolja. Poznavanje vsega tega bo ključnega pomena tudi, ko bo prišel čas za raziskovanje drugih planetov v našem Osončju in v drugih zvezdnih sistemih v celoti!
Na Universe Today smo napisali veliko člankov o zračnem uporu in letu. Tukaj je članek o Kaj je terminalna hitrost? , Kako letijo letala? , Kaj je koeficient trenja? , in Kaj je sila gravitacije?
Če želite več informacij o NASA-inih programih letal, si oglejte Začetni vodnik po aerodinamiki , in tukaj je povezava do Povlecite enačbo .
Posneli smo tudi številne sorodne epizode Astronomy Cast. Poslušaj tukaj, Epizoda 102: Gravitacija .
