Hier op aarde hebben we de neiging om luchtweerstand (ook bekend als "drag") als vanzelfsprekend te beschouwen. We gaan er gewoon van uit dat wanneer we een bal gooien, een vliegtuig lanceren, een ruimtevaartuig de-boren of een kogel afvuren met een geweer, dat de beweging ervan door onze atmosfeer het natuurlijk zal vertragen. Maar wat is hiervan de reden? Hoe kan lucht een object vertragen, of het nu in vrije val is of tijdens de vlucht?
Vanwege onze afhankelijkheid van vliegreizen, ons enthousiasme voor ruimteverkenning en onze liefde voor sport en dingen in de lucht (inclusief onszelf), is het begrijpen van luchtweerstand de sleutel tot het begrijpen van de natuurkunde en een integraal onderdeel van veel wetenschappelijke disciplines. Als onderdeel van de subdiscipline die bekend staat als vloeistofdynamica, is het van toepassing op gebieden van aerodynamica, hydrodynamica, astrofysica en kernfysica (om er maar een paar te noemen).
Definitie:
Luchtweerstand beschrijft per definitie de krachten die tegengesteld zijn aan de relatieve beweging van een object terwijl het door de lucht gaat. Deze weerstandskrachten werken tegengesteld aan de tegemoetkomende stroomsnelheid, waardoor het object wordt vertraagd. In tegenstelling tot andere weerstandskrachten, hangt de weerstand rechtstreeks af van de snelheid, omdat het de component is van de netto aerodynamische kracht die tegengesteld aan de bewegingsrichting werkt.
Een andere manier om het te zeggen is dat luchtweerstand het gevolg is van botsingen van het voorste oppervlak van het object met luchtmoleculen. Er kan daarom worden gezegd dat de twee meest voorkomende factoren die een directe invloed hebben op de hoeveelheid luchtweerstand de snelheid van het object en het doorsnedeoppervlak van het object zijn. Ergo, zowel hogere snelheden als doorsnedes zullen resulteren in een verhoogde hoeveelheid luchtweerstand.
In termen van aerodynamica en vlucht verwijst slepen naar zowel de krachten die tegengesteld aan de stuwkracht werken, als naar de krachten die er loodrecht op werken (d.w.z. lift). In de astrodynamica is atmosferische weerstand zowel een positieve als een negatieve kracht, afhankelijk van de situatie. Het is zowel een aanslag op brandstof en efficiëntie tijdens het opstijgen als een brandstofbesparing wanneer een ruimtevaartuig vanuit een baan om de aarde terugkeert.
Luchtweerstand berekenen:
Luchtweerstand wordt meestal berekend met behulp van de “sleepvergelijking”, die de kracht bepaalt die wordt ervaren door een object dat met een relatief hoge snelheid door een vloeistof of gas beweegt. Dit kan wiskundig worden uitgedrukt als:
In deze vergelijking, FD vertegenwoordigt de sleepkracht, p is de dichtheid van de vloeistof, v is de snelheid van het object ten opzichte van geluid, EEN is het doorsnedegebied, enCD is de luchtweerstandscoëfficiënt. Het resultaat is een zogenaamde "kwadratische weerstand". Zodra dit is vastgesteld, is voor het berekenen van de hoeveelheid vermogen die nodig is om de weerstand te overwinnen een soortgelijk proces nodig, dat wiskundig kan worden uitgedrukt als:
Hier, Pdis de kracht die nodig is om de weerstand te overwinnen, Fd is de sleepkracht, v is de snelheid, p is de dichtheid van de vloeistof, v is de snelheid van het object ten opzichte van geluid, EEN is het doorsnedegebied, enCD is de luchtweerstandscoëfficiënt. Zoals te zien is, is de vermogensbehoefte de kubus van de snelheid, dus als er 10 pk nodig is om 80 km / u te gaan, is er 80 pk nodig om 160 km / u te gaan. Kortom, een verdubbeling van de snelheid vereist een toepassing van acht keer de hoeveelheid vermogen.
Soorten luchtweerstand:
Er zijn drie soorten luchtweerstand in de aerodynamica: Lift Induced, Parasitic en Wave. Elk beïnvloedt het vermogen van een object om in de lucht te blijven, evenals de kracht en brandstof die nodig zijn om het daar te houden. Liftgeïnduceerde (of juist geïnduceerde) weerstand treedt op als gevolg van het creëren van lift op een driedimensionaal liftlichaam (vleugel of romp). Het heeft twee hoofdcomponenten: vortex drag en lift-geïnduceerde viskeuze drag.
De wervelingen komen voort uit het turbulente mengen van lucht met variërende druk op de bovenste en onderste oppervlakken van het lichaam. Deze zijn nodig om lift te creëren. Naarmate de lift toeneemt, neemt ook de lift-geïnduceerde weerstand toe. Voor een vliegtuig betekent dit dat naarmate de aanvalshoek en de liftcoëfficiënt toenemen tot het punt van afslaan, ook de door de lift veroorzaakte weerstand toeneemt.
Parasitaire weerstand wordt daarentegen veroorzaakt door het verplaatsen van een vast voorwerp door een vloeistof. Dit type sleep bestaat uit meerdere componenten, waaronder "vormweerstand" en "huidwrijvingsweerstand". In de luchtvaart is de geïnduceerde weerstand meestal groter bij lagere snelheden omdat een hoge invalshoek nodig is om de lift te behouden, dus naarmate de snelheid toeneemt, wordt deze weerstand veel minder, maar de parasitaire weerstand neemt toe omdat de vloeistof sneller rond uitstekende objecten stroomt, waardoor de wrijving toeneemt. De gecombineerde algehele weerstandscurve is bij sommige luchtsnelheden minimaal en zal op of dichtbij zijn optimale efficiëntie liggen.
Wave drag (compressibility drag) wordt gecreëerd door de aanwezigheid van een lichaam dat met hoge snelheid door een samendrukbare vloeistof beweegt. In aerodynamica bestaat de golfweerstand uit meerdere componenten, afhankelijk van het snelheidsregime van de vlucht. In transonische vlucht - met snelheden van Mach 0,5 of hoger, maar nog steeds minder dan Mach 1,0 (ook bekend als geluidssnelheid) - is golfweerstand het resultaat van lokale supersonische stroming.
Supersonische stroming vindt plaats op lichamen die ver onder de geluidssnelheid reizen, omdat de lokale luchtsnelheid op een lichaam toeneemt wanneer het over het lichaam versnelt. Kortom, vliegtuigen die met transonische snelheden vliegen, hebben daardoor vaak een golfweerstand. Dit neemt toe naarmate de snelheid van het vliegtuig de geluidsbarrière van Mach 1.0 nadert, voordat het een supersonisch object wordt.
In supersonische vlucht is golfweerstand het resultaat van schuine schokgolven die worden gevormd aan de voorste en achterste randen van het lichaam. In zeer supersonische stromingen zullen in plaats daarvan boeggolven ontstaan. Bij supersonische snelheden wordt golfweerstand gewoonlijk verdeeld in twee componenten, supersonische liftafhankelijke golfweerstand en supersonische volume-afhankelijke golfweerstand.
Het begrijpen van de rol die luchtfricties spelen bij het vliegen, de mechanica ervan kennen en de soorten kracht kennen die nodig zijn om het te overwinnen, zijn allemaal cruciaal als het gaat om ruimtevaart en ruimteverkenning. Dit alles te weten zal ook van cruciaal belang zijn als het tijd is om andere planeten in ons zonnestelsel en in andere sterrenstelsels helemaal te verkennen!
We hebben veel artikelen geschreven over luchtweerstand en vlucht hier bij Space Magazine. Hier is een artikel over Wat is eindsnelheid ?, Hoe vliegen vliegtuigen ?, Wat is de wrijvingscoëfficiënt? En wat is de zwaartekracht?
Als je meer informatie wilt over de vliegtuigprogramma's van NASA, bekijk dan de beginnershandleiding voor aerodynamica en hier is een link naar de Drag Equation.
We hebben ook veel gerelateerde afleveringen van Astronomy Cast opgenomen. Luister hier, aflevering 102: zwaartekracht.
