Här på jorden tenderar vi att ta luftmotstånd (alias "drag") för givet. Vi antar bara att när vi kastar en boll, startar ett flygplan, deorbit ett rymdskepp eller avfyrar en kula från en pistol, att handlingen av den som reser genom vår atmosfär naturligtvis kommer att bromsa den. Men vad är orsaken till detta? Hur kan luften sakta ner ett föremål, oavsett om det är i fritt fall eller under flykt?
På grund av vårt förtroende för flygresor, vår entusiasm för utforskning av rymden och vår kärlek till sport och att göra saker luftburna (inklusive oss själva) är förståelse av luftmotstånd nyckeln till att förstå fysik och en integrerad del av många vetenskapliga discipliner. Som en del av underdisciplinen känd som fluiddynamik gäller den för aerodynamik, hydrodynamik, astrofysik och kärnfysik (för att nämna några).
Definition:
Per definition beskriver luftmotstånd krafter som står i motsats till den relativa rörelsen hos ett objekt när det passerar genom luften. Dessa dragkrafter verkar motsatt den kommande flödeshastigheten och bromsar sålunda objektet ner. Till skillnad från andra motståndskrafter beror drag direkt på hastigheten, eftersom det är komponenten i den netta aerodynamiska kraften som verkar motsatt rörelseriktningen.
Ett annat sätt att säga det skulle vara att säga att luftmotståndet är resultatet av kollisioner av objektets ledande yta med luftmolekyler. Det kan därför sägas att de två vanligaste faktorerna som har en direkt effekt på mängden luftmotstånd är objektets hastighet och objektets tvärsnittsarea. Ergo, både ökade hastigheter och tvärsnittsområden kommer att resultera i en ökad mängd luftmotstånd.
När det gäller aerodynamik och flygning avser drag både krafterna som verkar motsatt av drivkraften, såväl som krafterna som arbetar vinkelrätt mot det (dvs lyft). I astrodynamik är atmosfäriskt drag både en positiv och en negativ kraft beroende på situationen. Det är både en dränering på bränsle och effektivitet under lyftning och en bränslebesparing när ett rymdskepp återvänder till jorden från bana.
Beräkning av luftmotstånd:
Luftmotstånd beräknas vanligtvis med hjälp av "dragekvationen", som bestämmer kraften som upplevs av ett föremål som rör sig genom en vätska eller gas med relativt stor hastighet. Detta kan uttryckas matematiskt som:
I denna ekvation FD representerar dragkraften, p är vätskans densitet, v är objektets hastighet relativt ljudet, EN är tvärsnittsområdet, ochCD är dragkoefficienten. Resultatet är vad som kallas "kvadratisk drag". När detta har fastställts innebär en beräkning av mängden effekt som krävs för att övervinna dragningen en liknande process som kan uttryckas matematiskt som:
Här, pdär kraften som behövs för att övervinna dragkraften, Fd är dragkraften, v är hastigheten, p är vätskans densitet, v är objektets hastighet relativt ljudet, EN är tvärsnittsområdet, ochCD är dragkoefficienten. Som det visar är kraven behov kuben för hastigheten, så om det tar 10 hästkrafter att gå 80 km / h, kommer det att ta 80 hästkrafter att gå 160 km / h. Kort sagt, en fördubbling av hastigheten kräver en applicering av åtta gånger så mycket effekt.
Typer av luftmotstånd:
Det finns tre huvudtyper av drag i aerodynamik - Lift inducerad, parasit och våg. Var och en påverkar objektets förmåga att hålla sig högt såväl som kraften och bränslet som behövs för att hålla det där. Lyftinducerad (eller bara inducerad) dragning sker som resultat av skapandet av lyft på en tredimensionell lyftkropp (vinge eller flygkropp). Den har två primära komponenter: virveldragning och lyftinducerad viskös drag.
Virvlarna härrör från den turbulenta blandningen av luft med varierande tryck på kroppens övre och nedre ytor. Dessa behövs för att skapa lyft. När lyften ökar, gör även den lyftinducerade dra. För ett flygplan innebär detta att när attackvinkeln och lyftkoefficienten ökar till bågens punkt, så kommer det lyftinducerade draget att göra.
Däremot orsakas parasitiska drag genom att förflytta ett fast föremål genom en vätska. Denna typ av drag består av flera komponenter, som inkluderar "form drag" och "skin friction drag". I luftfarten tenderar inducerad dragkraft att vara större vid lägre hastigheter eftersom en hög attackvinkel krävs för att upprätthålla lyft, så när hastigheten ökar blir detta drag mycket mindre, men parasitiska drag drar eftersom fluiden flyter snabbare runt utskjutande föremål som ökar friktionen. Den kombinerade totala dragkurvan är minimal vid vissa lufthastigheter och kommer att vara på eller nära dess optimala effektivitet.
Vågdragning (kompressibilitetsdragning) skapas av närvaron av en kropp som rör sig i hög hastighet genom en komprimerbar vätska. Inom aerodynamik består vågdragning av flera komponenter beroende på hastighetsregimet för flygningen. Vid transonisk flygning - med hastigheter på Mach 0,5 eller högre, men ändå mindre än Mach 1.0 (alias ljudhastighet) - är vågdragning resultatet av lokalt supersoniskt flöde.
Supersonic flöde uppstår på kroppar som reser långt under ljudets hastighet, eftersom den lokala lufthastigheten på en kropp ökar när den accelererar över kroppen. Kort sagt, flygplan som flyger med transoniska hastigheter får ofta vågdragning som resultat. Detta ökar när flygplanets hastighet närmar sig ljudbarriären i Mach 1.0, innan den blir ett supersoniskt objekt.
Under supersonisk flygning är vågdragning resultatet av sneda chockvågor bildade vid kroppens främre och bakre kanter. I starkt supersoniska flöden bildas istället bågen. Vid supersoniska hastigheter är vågdragning vanligtvis uppdelad i två komponenter, supersoniska lyftberoende vågdragning och supersoniska volymberoende vågdragning.
Att förstå den roll som luftfriktioner spelar med flygning, att känna till dess mekanik och att veta vilka slag av kraft som behövs för att övervinna den, är alla avgörande när det gäller flyg- och rymdutforskning. Att veta allt detta kommer också att vara avgörande när det är dags att utforska andra planeter i vårt solsystem och i andra stjärnsystem helt och hållet!
Vi har skrivit många artiklar om luftmotstånd och flygning här på Space Magazine. Här är en artikel om Vad är terminalhastighet ?, Hur flyger flyg ?, Vad är friktionskoefficienten ?, Och vad är tyngdkraften?
Om du vill ha mer information om NASA: s flygplansprogram, kolla in nybörjarguiden för aerodynamik och här är en länk till Drag Equation.
Vi har också spelat in många relaterade avsnitt av Astronomy Cast. Lyssna här, avsnitt 102: Gravity.
