Aerodinamika
, uit
Griekse
??ρ
aer
(lug) + δυναμικ? (dinamika), is 'n onderafdeling van
vloeidinamika
wat die beweging van
lug
, veral die interaksie met soliede voorwerpe soos 'n
vliegtuig
se
vlerk
, bestudeer. Die studie van gasse wat nie in beweging is nie word
aerostatika
genoem.
[1]
Aerodinamika is die ontwerp van vliegtuie, d.w.s. die ondersoek van lugstrome langs die romp van 'n vliegtuig en die invloed daarvan op sekere dele van die vliegtuig, soos byvoorbeeld die romp, vlerke en stert. Die beginsel waarop vliegtuie vlieg, kan aerodinamies verklaar word, en die werkverrigting van 'n vliegtuig kan bereken word uit sekere aerodinamiese groothede en die vermoe van die motore.
Die beginsels waarop vliegtuie vlieg
[
wysig
|
wysig bron
]
Wanneer 'n vliegtuig deur die lug beweeg, is daar 'n lug van voor af wat om die vlerk vloei. Aan die voorkant van die vlerk word hierdie lugstroom in twee dele verdeel. Een deel vloei oor die bokant en die ander deellangs die onderkant van die vlerk, en aan die agterkant van die vlerk kom hulle weer bymekaar. Die vlerk is so ontwerp dat die voorkant dik en rond is, terwyl dit geleidelik smaller na agter word.
Die bokant loop met 'n boog na agter, terwyl die onderkant reguit na agter loop. Die lugdeeltjies wat oor die bokant vloei, het weens die gekromde oppervlak 'n langer pad om te volg as die deeltjies wat langs die gelyke onderkant beweeg. Dit het tot gevolg dat die deeltjies bo-oor die vlerk vinniger as die deeltjies aan die onderkant beweeg. As dit nie gebeur nie, sal 'n lugleegte agter die vlerk ontstaan, omdat die natuur sulke ongelyke toestande nie duld nie.
Volgens die
wet van Bernoulli
word die druk van 'n gas kleiner namate dit vinniger beweeg. Dit beteken dat die druk aan die bokant van die vlerk kleiner is as die druk aan die onderkant daarvan. Die natuur probeer om hierdie ongelyke lugdrukke te herstel en 'n opwaartse lugstroom ontstaan. Hierdie
lugstroom
oefen 'n krag op die vliegtuig uit wat die
hefkrag
genoem word. Dis ook hierdie krag wat die vliegtuig "dra". As die hefkrag op albei vlerke presies dieselfde is, sal die
vliegtuig
se vlerke horisontaal bly, maar as dit verskil sal die vliegtuig kantel. Hoe vinniger die vliegtuig vlieg, hoe groter word die hefkrag.
Tydens landing en opstyging is die
snelheid
relatief klein en gevolglik is die hefkrag dan ook klein. Die hefkrag kan groter gemaak word deur die vlerkoppervlakte groter te maak of deur die ronding van die vlerk te vergroot. Om dit reg te kry, word
klappe
aan die agterkant van die vlerke gebruik. Deur hierdie klappe te verstel, word die ronding van die vlerk groter gemaak sodat die lug wat bo-oor die vlerk vloei se snelheid verhoog word.
Hierdie klappe word hoofsaaklik by landing en opstyging gebruik. Daar is egter moderne vliegtuie wat ook klappe aan die voorkant van die vlerke het. Aan die vlerke is daar ook nog die rolroer waarmee die vlerke gekantel kan word. Aan die stert is daar die hoogteroer en die rigtingroer. Die hoogteroer Iyk soos twee klein klappe en dit laat die vliegtuig styg of daal. Die rigtingroer staan
vertikaal
aan die agterkant van die stert en daarmee kan die rigting van die vliegtuig verander word. Die hefkrag ontstaan weens 'n drukverskil tussen die bo- en onderkant van die vliegtuig. Hierdie drukverskil is afhanklik van die hoek waarmee die vlerk deur die lugstroom beweeg.
Dit word die invalshoek genoem. As hierdie hoek groter gemaak word, kry ons die verskynsel dat die lugdeeltjies wat langs die vlerkoppervlak beweeg, neig om weg te breek van die vlerk en hulle eie pad te volg. Dan ontstaan werwelstrome rondom die vlerk wat die hefkrag verminder of selfs uitskakel. Dan het die vlerke 'n staakpunt bereik en kan hulle die vliegtuig nie meer dra nie. Die invloed van lugweerstand aan die voorkant van die vlerk en neus van 'n vliegtuig is daar 'n punt waar die lugstroom verdeel. Op daardie punt is die snelheid van die lugstroom ten opsigte van die vliegtuig nul.
Dit beteken eenvoudig dat die lug deur die vliegtuig aangestoot word voordat dit oor die vlerke begin beweeg. In hierdie punt vind 'n opbouing van druk plaas wat 'n weerstand teen die vliegtuig bied. Die totale weerstand word saamgestel deur die wrywingsweerstand, vormweerstand en die geinduseerde weerstand. Die dun luglagie wat teen die romp en vlerke verbystroom, word die grenslaag genoem.
Die lug teen die wande se snelheid is nul, terwyl die lug in die grenslaag verskillende snelhede het. Buite die grenslaag is die snelheid van die lugdeeltjies dieselfde as die van die vliegtuig, maar in 'n teenoorgestelde rigting. Die feit dat die lugdeeltjies in die grenslaag teen verskillende snelhede beweeg, is die gevolg van onderlinge wrywing tussen die lugmolekules. Hierdie wrywing word die viskositeit van die lug genoem en die krag wat nodig is om hierdie wrywing te oorkom, is die wrywingsweerstand. Die wrywingsweerstand kan verminder word deur die vliegtuig 'n gladde afwerking te gee, en deur geskikte kontoere en profiele met die ontwerp van die vliegtuig te kies. Die vormweerstand ontstaan weens werwelstrome rondom die vlerke in 'n vlug.
Die geinduseerde weerstand word by die punte van die vlerke gevorm deurdat die lug van onder na bo stroom. Dit beinvloed die stromingsrigting van die lug wat weer werwelstrome aan die agterkant van die vliegtuig veroorsaak. Laasgenoemde veroorsaak 'n afwaartse krag op die stert wat ons die stert of as noem.
As die hefkrag gelyk is aan die gewig van die vliegtuig plus die stertlas, sal die vliegtuig horisontaal vlieg. As die hefkrag kleiner as hierdie twee kragte saam is, sal die vliegtuig daal, en omgekeerd. 'n Ander vorm van weerstand wat van belang is, is die sogenaamde nadelige weerstand. Dit is die lugweerstand wat deur alle dele van die vliegtuig (die vlerke uitgesonder), veroorsaak word.
Die invloed van lugweerstand
[
wysig
|
wysig bron
]
Aan die voorkant van die vlerk en neus van 'n vliegtuig is daar 'n punt waar die lugstroom verdeel. Op daardie punt is die snelheid van die
lugstroom
ten opsigte van die vliegtuig nul. Dit beteken eenvoudig dat die lug deur die vliegtuig aangestoot word voordat dit oor die vlerke begin beweeg. In hierdie punt vind 'n opbouing van druk plaas wat 'n weerstand teen die vliegtuig bied. Die totale weerstand word saamgestel deur die
wrywingsweerstand
, vormweerstand
en die
geinduseerde weerstand.
Die dun luglagie wat teen die romp en vlerke verbystroom, word die grenslaag genoem. Die lug teen die wande se snelheid is nul, terwyl die lug in die grenslaag verskillende snelhede het. Buite die grenslaag is die snelheid van die lugdeeltjies dieselfde as die van die vliegtuig, maar in 'n teenoorgestelde rigting. Die feit dat die lugdeeltjies in die grenslaag teen verskillende snelhede beweeg, kan aan die onderlinge wrywing tussen die lugmolekules toegeskryf word. Hier die wrywing word die
viskositeit
van die lug genoem en die krag wat nodig is om hierdie wrywing te oorkom, is die wrywingsweerstand. Die wrywingsweerstand kan verminder word deur die vliegtuig 'n gladde af werking te gee, en deur geskikte kontoere en profiele met die ontwerp van die vliegtuig te kies.
Die vormweerstand ontstaan weens werwelstrome rondom die vlerke tydens 'n vlug.
Die geinduseerde weerstand word by die punte van die vlerke gevorm deurdat die lug van onder na bo stroom. Dit beinvloed die stromingsrigting van die lug wat weer werwelstrome aan die agterkant van die vliegtuig veroorsaak. Laasgenoemde veroorsaak 'n afwaartse krag op die stert wat as die
stertlas
bekend staan. As die hefkrag gelyk is aan die gewig van die vliegtuig sowel as die stertlas, sal die vliegtuig horisontaal vlieg. As die hefkrag kleiner as hierdie twee kragte saam is, sal die vliegtuig daal, en omgekeerd.
'n Ander vorm van weerstand wat van belang is, is die sogenaamde nadelige weerstand. Dit is die lug weerstand wat deur alle dele van die vliegtuig (die vlerke uitgesonder). veroorsaak word.
'n Vliegtuigenjin se funksie is om lugdeeltjies met 'n groot snelheid na agter te blaas, hetsy deur 'n draaiende
skroef
of deur middel van die verbrandingsproses in 'n
straalmotor
. Indien daar 'n plat vlak, soos 'n muur, agter die motore is, sal hierdie bewegende lug 'n krag daarop uitoefen. Hierdie krag word die enjinstuwing of die stukrag genoem.
Daar is 'n populere wanopvatting dat dit hierdie krag is wat die vliegtuig aandryf. Sommige mense glo verkeerdelik dat die lug wat na agter geblaas word teen die atmosfeer vasskop en sodoende die vliegtuig aandryf. Die feit dat vuurpyle in die buitenste ruim, waar daar geen atmosfeer is nie, in 'n
vakuum
kan vlieg (en selfs versnel), weerle hierdie opvatting. Wat wel gebeur, is dat die momentum van die lugdeeltjies aan die vliegtuig oorgedra word. Die momentum van 'n liggaam of 'n deeltjie is die massa daarvan vermenigvuldig met die snelheid daarvan. Een lugmolekule het inderdaad nie baie momentum nie, al beweeg dit ook teen 'n baie hoe snelheid. Maar 'n vliegtuigenjin blaas duisende biljoene daarvan per sekonde na die agterkant van die vliegtuig en hulle gesamentlike momentum is aansienlik.
'n Gebrek aan stabiliteit tydens 'n vlug kan maak dat 'n vliegtuig onverwags kantel of selfs val. Deur berekeninge en ondersoeke in 'n windtonnel kan die stabiliteit bepaal word. Die nadelige weerstand en die totale weerstand word gestabiliseer deur die horisontale vlakke aan die stert, insluitende die hoogteroer.
Die vertikale deel van die stert (kiel) en die rigtingroer sorg dat die sydelingse kragte geneutraliseer word. Deur die vlerke spitsvormig te maak en hulle in 'n effense V-vorm te plaas, kan die stabiliteit verhoog word.
'n Belangrike faktor is die dun grenslaag op die vlerkoppervlak van die vliegtuig. As die lug in hierdie laag turbulent begin word, kan dit aanleiding gee tot vlerkonstabiliteit. Om te verhoed dat hierdie laag turbulent raak, word verskeie tegnieke gebruik. Een daarvan is om die motore so te ontwerp dat die luginlaat 'n reelmatige vloei van lug om die vliegtuig bevorder. Dit word motore met
grenslaaginlating
genoem
.
'n Ander metode is bekend as
grenslaagafsuiging.
Hier word 'n gedeelte van die vlerkoppervlak so ontwerp dat die turbulente lug in die grenslaag deur gleuwe in die vlerk afgesuig word. Om turbulente strome rondom die romp te verhinder, word lug soms deur 'n kompressor uit die vliegtuig deur klein gaatjies op die rompoppervlak gepomp. Die ideale toestand is om laminere vloei (ʼn gelyk matige vloei) in 'n grenslaag te he in teenstelling met turbulente vloei. In so 'n geval is die wrywing minimaal en gevolglik is die brandstofverbruik ook laer.
Die
spoed van klank
is afhanklik van die digtheid van die lug en gevolglik ook van die hoogte bo kant die grond. By die kus is dit naastenby 1 225 km/h op die grond; 1155 km/h op 'n hoogte van 5 km en 1 080 km/h op 'n hoogte van 10 km. In lugvaart word die term "mach" gebruik. Die
mach-getal
is die snelheid van die vliegtuig gedeel deur die snelheid van klank op daardie hoogte. As die vliegtuig se snelheid mach 0,5 is, dan is sy snelheid gelyk aan die helfte van klanksnelheid.
Subsoniese snelhede is snelhede van mach 0 tot 0,08; transsoniese snelhede is van mach 0,8 tot 1,4; supersoniese snelheid is van mach 1,4 tot 5 en bokant mach 5 word daar na hipersoniese snelheid verwys.
Wanneer 'n vliegtuig klanksnelheid bereik, vloei die lug nie meer op die normale wyse om die vliegtuig nie. Skokgolwe ontstaan rondom die vliegtuig en die lugweerstand neem skerp toe. As die vliegtuig se snelheid van mach 1 tot mach 2 verhoog word (dus verdubbel), sal die lugweerstand meer as vier maal verhoog. Die skokgolwe kan op die grond gehoor word as 'n soniese knal en by supersoniese vlugte ontstaan konstante skokgolwe wat ruite kan laat breek.
'n
Windtonnel
is 'n installasie waarin lug tot groot snelhede versnel kan word ten einde die aerodinamiese eienskappe van 'n voorwerp of model te bestudeer. Die toetsvoorwerp is toegerus met instrumentasie wat van geskikte sensors beskik om aerodinamiese kragte, drukverspreiding, en/of ander aerodinamiese-verwante eienskappe te meet
Deur 'n skaalmodel van 'n vliegtuig te bou, kan belangrike eienskappe daarvan in 'n windtonnel bestudeer word. 'n Ontwerper kan 'n nuwe model, of veranderings aan 'n bestaande model in 'n windtonnel uittoets. Dit is 'n ekonomiese metode waarmee ernstige, potensieel rampspoedige, ontwerpfoute vermy kan word.
- ↑
A Dictionary of Aviation, David W. Wragg. ISBN 10: 0850451639 / ISBN 13: 9780850451634, 1st Edition Published by Osprey, 1973 / Published by Frederick Fell, Inc., NY, 1974 (1st American Edition.)