Aerodynamika (z gre?tiny ??ρ aer  ? vzduch + δυναμικ? ? dynamika) je odbor zaoberajuci sa ?tudiom pohybu plynov (obvykle vzduchu ) a ich interakcii s pevnymi objektami, ako je napriklad kridlo lietadla . Je ?as?ou aeromechaniky . ^[1] Fyzikalne principy su uplne identicke aj v opa?nom pripade a to pri pohybe pevnych telies v plynnom prostredi. Na principe relativneho pohybu sa nasledne vykonava analyza fyzikalnych javov, va??inou v pripade, kedy je objekt v pokoji a okolo neho prudi vzduch. Vymena referen?neho stavu je aplikovana v teoretickej aerodynamike, ktora je zakladom va??iny experimentalnych metod, najma aerodynamickeho tunela .

Aerodynamika je podoblas? dynamiky kvapalin a dynamiky plynov a mnoho aspektov teorie aerodynamiky maju tieto oblasti spolo?ne. Termin "aerodynamika" je ?asto pou?ivana ako synonymum pre dynamiku plynov s tym rozdielom, ?e "dynamika plynov" je aplikovana na ?tudium pohybu v?etkych plynov a nie je obmedzena iba na vzduch.

Formalne ?tudie aerodynamiky v modernom po?ati za?ali v 18. storo?i, hoci pozorovania zakladnych konceptov aerodynamiky ako napr. aerodynamickeho odporu boli zaznamenane ove?a skor. Mnoho z po?iato?neho usilia v aerodynamike sa zameriavalo na dosiahnutie letu lietadla ?a??ieho ako vzduch, ktory bol po prvykrat demon?trovany bratmi Wilburom a Orvillom Wrightovcami v roku 1903 . Odvtedy vyu?itie aerodynamiky prostrednictvom matematickej analyzy , empirickych aproximacii, experimentov v aerodynamickych tuneloch a po?ita?ovych simulacii vytvorilo vedecky zaklad pre ?al?i vyvoj lietadiel ?a??ich ako vzduch a mnoho ?al?ich technologii. Su?asne smerovanie aerodynamiky sa sustre?uje na otazky tykajuce sa vplyvu stla?ite?nosti vzduchu, turbulencie a medznej vrstvy.

Vyvoj aerodynamiky [ upravi? | upravi? zdroj ]

Aj napriek tomu, ?e za?iatky modernej aerodynamiky spadaju do 17. storo?ia, aerodynamicke sily boli vyu?ivane ?udstvom u? tisicky rokov dozadu pri plachetniciach a veternych mlynoch . Obrazy a pribehy o lete ?loveka sa objavili v zaznamenanych davnych dejinach ?udstva, ^[2] ako napriklad legenda o Ikarovi a Daidalovi zo Starovekeho Grecka . ^[3] Zakladne pojmy aerodynamiky ako kontinuum, aerodynamicky odpor a tlakovy gradient sa objavili u? v praci Aristotela a Archimeda . ^[4]

V roku 1726 sa stal sir Isaac Newton prvym ?lovekom, ktory vyvinul teoriu odporu vzduchu, ^[5] ?o z neho urobilo jedneho z prvych odbornikov na aerodynamiku. Po Isaacovi Newtonovi nastupil holandsko-?vaj?iarsky matematik Daniel Bernoulli , ktory v roku 1738 vo svojej praci Hydrodynamica opisal zakladny vz?ah medzi tlakom , hustotou a rychlos?ou pri nestla?ite?nom prudeni, ktory je v su?asnosti znamy ako Bernoulliho rovnica , a predstavuje jednu zo zakladnych metod pre vypo?et aerodynamickeho vztlaku . ^[6] Leonhard Euler v roku 1757 publikoval v?eobecnej?i model Eulerovych rovnic, ktore mohli by? aplikovane na nestla?ite?ne aj stla?ite?ne prudenie. Eulerove rovnice boli v prvej polovici 18. storo?ia roz?irene tak, ?e zahr?ovali vplyv viskozity , ?im bola odvodena Navier-Stokesova rovnica . ^{[7] [8]} Navier-Stokesova rovnica je najv?eobecnej?ia riadiaca rovnica prudenia kvapalin a jej rie?enie je ve?mi zlo?ite.

Sir George Cayley sa v roku 1799 stal prvym ?lovekom, ktory identifikoval 4 aerodynamicke sily posobiace za letu ( tia? , vztlak , aerodynamicky odpor a ?ah ) a rovnako aj vz?ah medzi nimi. ^[9] Na?rtol tak postup k dosiahnutiu letu lietadla ?a??ieho ako vzduch, ktory sa uskuto?nil v ?al?om storo?i. Francis Herbert Wenham v roku 1871 skon?truoval prvy aerodynamicky tunel , ktory umo?nil presne merania aerodynamickych sil. Teorie aerodynamickeho odporu boli rozvinute Jeanom le Rond d’Alembertom , ^[10] Gustavom Kirchhoffom , ^[11] a Johnom Williamom Struttom . ^[12] Francuzsky letecky in?inier Charles Renard sa v roku 1889 stal prvym ?lovekom, ktory racionalne odovodnil silu, ktora je potrebna pre nepreru?ovany let. ^[13] Otto Lilienthal bol prvym ?lovekom, ktory sa stal ve?mi uspe?nym s letmi na klzakoch a tie? prvy navrhol tenky, zakriveny profil kridla, ktory produkoval vysoky vztlak a maly aerodynamicky odpor. V nadvaznosti na tento vyvoj a vyskum vo vlastnom aerodynamickom tuneli, zhotovili bratia Wrightovci lietadlo ?a??ie ako vzduch s pohonnou jednotkou, ktore po prvykrat vzlietlo d?a 17. decembra 1903 .

V obdobi uskuto?nenych prvych letov, Frederick W. Lanchester , ^[14] Martin Wilhelm Kutta a Nikolaj Jegorovi? ?ukovskij vytvorili nezavisle teorie spojene s obehom prudiacej kvapaliny, ktora vytvara vztlak. Kutta a ?ukovskij pokra?ovali vo vypracovani teorie prudenia v okoli kridla v dvojrozmernom priestore. V nadvaznosti na pracu Fredericka Lanchestera bola zasluha pri rozvoji matematickych kalkulacii pre tenky profil kridla, teorie prudnic a taktie? pre vypracovanie ?tudie popisujucej medznu vrstvu pridelena Ludwigovi Prandtlovi . ^[15]

Ako narastala rychlos? lietadiel, ich kon?trukteri sa za?ali stretava? s problemom stla?ite?nosti vzduchu pri rychlostiach blizkych rychlosti zvuku , alebo nadzvukovych rychlostiach. Odli?nosti v prudeni vzduchu za tychto podmienok viedli k problemom riadite?nosti lietadla, zvy?enemu odporu kvoli vzniku razovych v?n a ?trukturalnemu po?kodeniu z dovodu aeroelastickeho chvenia. Pomer rychlosti prudenia k rychlosti zvuku bol pomenovany ako Machovo ?islo po Ernstovi Machovi , ktory ako jeden z prvych skumal vlastnosti nadzvukoveho prudenia. William John Macquorn Rankine a Pierre Henri Hugoniot nezavisle vyvinuli teoriu pre vlastnosti prudenia pred a za razovou vlnou, pri?om praca Jakoba Ackereta viedla k po?iato?nej ?tudii pre vypo?et vztlaku a odporu u supersonickych profilov kridel. ^[16] Theodore von Karman a Hugh Latimer Dryden predstavili termin transonicke prudenie k popisu prudenia pri rychlosti okolozvukovych, kde rapidne rastie aerodynamicky odpor. Tento rapidny narast odporu viedol mnohych odbornikov v aerodynamike a letectve k nezhodam o presved?eni, ?e by bolo mo?ne nadzvukovy let vobec dosiahnu?. Zvukova bariera bola prekonana po prvykrat v roku 1947 na lietadle Bell X-1 .

V ?ase, ke? sa prelomila bariera rychlosti zvuku bolo dorie?enych mnoho otazok a ziskanych znalosti o podzvukovej a nizkej supersonickej aerodynamike. Studena vojna tie? priniesla evoluciu vysoko vykonnych lietadiel. Prostrednictvom vypo?tovej dynamiky kvapalin sa za?ala snaha o rie?enie vlastnosti prudenia okolo komplexnych objektov a rychlo sa rozrastla do tej miery, ?e lietadlo mohlo by? ako celok navrhnute po?ita?om s testami v aerodynamickom tuneli, nasledovane letovymi experimentami k potvrdeniu po?ita?ovych predikcii. Znalosti supersonickej a hypersonickej aerodynamiky sa od 60. rokov 20. storo?ia tie? rozvinuli a ciele odbornikov v aerodynamike sa zmenili z pochopenia spravania prudu vzduchu na pochopenie problemu pri navrhu letunu , tak aby ?o najlep?ie vzajomne spoluposobil s danym prudom vzduchu. Navrh lietadiel pre supersonicke a hypersonicke podmienky, rovnako ako snaha o zlep?enie aerodynamickej efektivnosti pre su?asne lietadla a pohonne jednotky pokra?uje v snahe o novy vyskum v oblasti aerodynamiky. Je potrebne dokon?i? ?tudie vyznamnych otazok v zakladnej aerodynamickej teorii suvisiacich s turbulenciou v prude vzduchu a taktie? existenciou a jedine?nos? analytickych rie?eni Navier-Stokesovych rovnic.

Zakladne pojmy [ upravi? | upravi? zdroj ]

Pochopenie pohybu vzduchu okolo objektu umo??uje vypo?et sil a momentov posobiacich na objekt. V mnohych aerodynamickych problemoch su skumane sily prave zakladnymi silami letu:

• Vztlak
• Aerodynamicky odpor
• ?ah
• Tia?

Z nich su vztlak a odpor aerodynamicke sily , t. j. sily vyvolane prudenim vzduchu okolo pevneho telesa. Vypo?et tychto veli?in je ?asto zalo?eny na predpoklade, ?e pole prudenia sa chova ako kontinuum. Pole prudenia kontinua je charakterizovane vlastnos?ami ako rychlos? , tlak , hustota a teplota , ktore mo?u by? funkciou priestorovej polohy a ?asu. Tieto vlastnosti mo?u by? priamo, alebo nepriamo merane v aerodynamickych experimentoch, alebo po?itane z rovnic pre zachovanie hmoty, hybnosti a energie prudu vzduchu. Hustota, rychlos?, viskozita a ?al?ie vlastnosti su pou?ite ku klasifikacii prudoveho pola.

Klasifikacia prudenia [ upravi? | upravi? zdroj ]

Rychlos? prudu vzduchu je pou?ita ku klasifikacii prudenia pod?a re?imu rychlosti.

• Podzvukove , alebo subsonicke prudenie je pole prudu vzduchu v ktorom ma vzduch pozd?? celej skumanej d??ky prudu miestnu rychlos? men?iu ako je rychlos? zvuku . Miestna rychlos? je rychlos? prudu tekutiny, ktora je merana v ur?itom mieste na obtekanom objekte.
• Transonicke , alebo okolozvukove prudenie obsahuje polia s podzvukovym aj nadzvukovym prudenim.
• Nadzvukove , alebo suprasonicke prudenie je definovane ako prudenie, v ktorych rychlos? je va??ia ako rychlos? zvuku pozd?? celeho toku.
• Hypersonicke prudenie je tok, v ktorom su rychlosti prudenia ove?a vy??ie ako je rychlos? zvuku. Odbornici v aerodynamike sa nezhodli na presnej definicii hypersonickeho prudenia.

Stla?ite?nos? [ upravi? | upravi? zdroj ]

Od stla?ite?nosti prudenia zavisi meniaca sa hustota vzduchu, preto?e nastava zmen?enie objemu vzduchu pri kompresii (zvy?eni tlaku vzduchu). V aerodynamike plati, ?e podzvukove prudenie je ?asto pova?ovane za nestla?ite?ne a v tomto pripade zostava hustota vzduchu kon?tantna. ?astice vzduchu sa pohybuju v drahe rovnakych prudnic . Okolozvukove a nadzvukove prudenie sa pova?uje za stla?ite?ne a zanedbanie stla?ite?nosti prostredia so zmenou hustoty prudu vzduchu pri vykonavani vypo?tov vedie k nepresnym vysledkom. Vplyv stla?ite?nosti sa berie do uvahy od rychlosti vy??ich ako 500 ? 600 km/h.

Viskozita [ upravi? | upravi? zdroj ]

Viskozita suvisi s vnutornym trenim v prudiacom vzduchu, ?o predstavuje silu, ktora posobi proti smeru prudenia ?astic vzduchu. V niektorym prudovych poliach su vplyvy viskozity ve?mi male a rie?enia vypo?tov ich mo?u zanedbava?. Tieto aproximacie sa nazyvaju neviskozne prudy. Prudy vzduchu u ktorych nie je zanedbany vplyv viskozity sa nazyvaju viskozne prudy.

Prostredie prudenia [ upravi? | upravi? zdroj ]

Nakoniec mo?u by? aerodynamicke problemy klasifikovane prostredim prudenia: ^[1]

• vonkaj?ia aerodynamika je ?tudiom prudenia okolo pevnych objektov roznych tvarov (napr.okolo kridla lietadla)
• vnutorna aerodynamik a sa zaobera ?tudiom prudu vzduchu cez priechody v pevnych objektoch (napr. cez prudovy motor lietadla).

Predpoklad kontinua [ upravi? | upravi? zdroj ]

Na rozdiel od kvapalin a pevnych latok su plyny tvorene jednotlivymi molekulami , ktore zaberaju iba malu ?as? objemu tvorenu plynom. Na molekularnej urovni sa prudiace pole sklada z mnohych individualnych kolizii medzi molekulami plynu a pevnych povrchov. Vo va??ine aerodynamickych aplikacii je ale tato diskretna molekularna podstata plynov zanedbana a prudiace pole je pova?ovane za kontinuum .

Platnos? predpokladu kontinua zavisi na hustote plynu a konkretnej aplikacii. Aby bol predpoklad kontinua platny, musi by? stredna vo?na draha o dos? men?ia, ako d??ka rozsahu konkretnej aplikacie. Napriklad, mnoho aerodynamickych aplikacii sa zaobera letom lietadla v atmosferickych podmienkach, kde stredna vo?na d??ka je v radoch mikrometrov. V tychto pripadoch sa d??kova miera lietadla pohybuje od nieko?kych metrov a? do nieko?ko desiatok metrov, ?o predstavuje o dos? va??iu d??ku ako stredna vo?na d??ka. Pre tieto aplikacie plati predpoklad kontinua. Predpoklad kontinua je menej opodstatneny pre prudenia s extremne nizkou hustotou, s akou sa lietadla stretavaju vo vysokych hladinach (napr. 300 000 ft alebo 91,4 km), ^[4] alebo satelity na nizkej obe?nej drahe Zeme. V tychto pripadoch je ?tatisticka mechanika k rie?eniu problemov vhodnej?ia ako kontinualna aerodynamika. K vyberu medzi ?tatistickou mechanikou a kontinualnou formulaciou aerodynamiky mo?e by? pou?ite tzv. Knudsenovo ?islo .

Vypo?tove metody [ upravi? | upravi? zdroj ]

Uvod [ upravi? | upravi? zdroj ]

Problemy pri vypo?toch aerodynamiky sposobuje to, ?e prudenie tekutiny zavisi nielen od makroskopickeho tvaru ale aj od mikroskopickej kvality povrchu telesa (lietadla), preto potrebuje aerodynamika podporu od inych vednych odborov (napr. chemia pre ?pecialne povrchove natery). Existuju dos? presne vzorce pre vypo?et tychto hodnot, ale pre idealnu presnos? su potrebne sku?ky v aerodynamickom tuneli . ^{[ chyba zdroj ]}

Vlastnosti sustavy plyn/teleso sa menia pod?a rychlosti prudenia. Pre ka?du z tychto oblasti sa pou?ivaju ine aproxima?ne vzorce.

Najlep?ie vzorce sa ale daju odvodi? pomocou Maxwell-Boltzmannovej ?tatistiky , preto?e doka?u popisa? aj vznik turbulencii a vz?ah ku kvalite povrchu pevneho telesa. Daju sa ale pou?i? len pre po?ita?ove simulacie .

Pri po?ita?och sa okolie telesa rozdeli na sie? bodov, kde ka?dy bod je pri 3-rozmernom modele matematicky prepojeny na 6, pri dvojrozmernom len na 4 susedne body. Tato sie? mo?e by? teoreticky ?tvorcova, ale prakticky kopiruje zhruba radialne povrch telesa. Hustota siete mo?e by? rovnomerna, ale tam, kde sa o?akavaju hustej?ie prudnice alebo komplikovanej?ie priebehy prudenia, sa robi hustej?ia.

Podzvukova aerodynamika [ upravi? | upravi? zdroj ]

Podzvukova (subsonicka) aerodynamika je oblas? aerodynamiky, ktora sa zaobera prudenim plynov do rychlosti 0 ? 0,7 M ?  Machovo ?islo . V rozsahu tychto rychlosti sa vyrazne neprejavuje stla?ite?nos? plynov a preto je mo?ne pri merani, vypo?toch a experimentovani pova?ova? plynne medium za idealny plyn. ^[1]

Pre podzvukove rychlosti a pre laminarne prudenie sa pre vypo?et vztlaku da v jednoduchych pripadoch pou?i? napr. Bernoulliho rovnica :

${\displaystyle {\frac {\rho }{2}}c^{2}+p_{0}=p_{celk}}$

${\displaystyle \rho }$ je hustota plynu v ${\displaystyle \left[{\frac {kg}{m^{3}}}\right]}$.

Mo?nos? vzniku turbulencii sa ur?uje pod?a Reynoldsovho ?isla .

Najaerodynamickej?i tvar pre podzvukove rychlosti je kvapka, kvapkovity profil sa na lietadlach vyskytuje na cca 90 % prierezov.

Tato oblas? aerodynamiky je najlep?ie preskumana a presnos? simulacii je v su?asnosti vy?e 99 %. ^[17]

Supersonicka aerodynamika [ upravi? | upravi? zdroj ]

Zaobera sa skumanim prudenia plynu pri nadzvukovych rychlostiach v rozsahu (1 mach a? 4 machov). Nadzvukove telesa sa daju spozna? pod?a za?picateleho predku profilu.

Hypersonicka aerodynamika [ upravi? | upravi? zdroj ]

Pre extremne vysoke rychlosti (4 mach a viac), kde sa u? plyn ionizuje alebo dokonca mo?e zmeni? na plazmu . Pre vysoke teploty sa do uvahy berie aj termodynamika a je dole?ita spolupraca s materialovou vedou. Be?ne materialy ako dural sa toti? pri takychto rychlostiach roztavia. Najznamej?im prikladom hypersonickej rychlosti su raketoplany pri vlete do atmosfery.

Referencie [ upravi? | upravi? zdroj ]

Letecky portal Fyzikalny portal