Opór aerodynamiczny i siła nośna, część 1

Dlaczego idąc z parasolem pod wiatr jest nam tak ciężko? Czemu samochód może się wywrócić jeżeli zostanie uderzony w bok podmuchem wiatru? Dlaczego skrzydła samolotu mają taki dziwny kształt? Jeżeli szukacie odpowiedzi na te pytania to niestety nie znajdziecie ich tutaj… No może znajdziecie ale tylko w bardzo okrojonej formie. Zapraszam na słowo wstępu o oporze aerodynamicznym i sile nośnej.

Opór aerodynamiczny i siła nośna, część 1

Kiedyś słyszałem, że istnieje hipoteza jakoby samoloty latały dzięki uderzeniom cząsteczek powietrza w skrzydła samolotu. Przekazują im swój pęd i w ten sposób samolot się unosi. Nie jest to jednak do końca prawda! Siła aerodynamiczna, odpowiedzialna za opór, oraz sił nośna powstają gdy dowolne ciało jest opływane przez strugę cieczy – niezależnie czy jest to spowodowane ruchem płynu np. wiatrem, czy też to ciało porusza się w nieruchomym płynie np. startujący samolot. Opływany przedmiot zaburza przepływ płynu i powoduje nie tylko tarcie cząsteczek o jego powierzchnie ale również zmienia rozkład ciśnienia wokół siebie. Te dwa zjawiska (tarcie cząsteczek o przedmiot, zmiana ciśnienia wokół przedmiotu) powodują właśnie obydwie siły: oporu i nośną. Skupmy się na razie na sile oporu.

Myśląc o oporze aerodynamicznym powinniśmy pomyśleć o trzech rodzajach ciał:

• ciałach opływowych – strumień nie odrywa się od powierzchni ciała , a ślad zaburzenia za ciałem jest niewielki np. skrzydło samolotu lub skrzydło ptaka;
• ciałach zaokrąglonych – strumień odrywa się od powierzchni ciała, ale ślad jest stosunkowo niewielki w porównaniu do ciała np. walec, kula, elipsa;
• ciało tępe lub urwiste – ciało z ostrymi krawędziami, ślad zaburzenia jest większy niż ciało np. prostokąt, dysk, budynek;

Rysunek 1. Wizualizacja przepływu wokół ciała opływowego, tępego i kulistego; płaska płyta w zależności od położenia ma inny charakter opływu

Każdy rodzaj ciała zostawia za sobą inny ślad w postaci zaburzeń i turbulencji i to właśnie w zależności od tego jak duże będą to zaburzenia ciała takie możemy klasyfikować. Powiem jednak, że nie spotkałem się z jakąś ścisłą klasyfikacją i ma ona raczej charakter orientacyjny.

Wyobraźmy sobie strumień jako idących w kolumnie ślepych ludzi, którzy chcą jedynie iść przed siebie. Jeżeli mogą oni swobodnie iść przed siebie będą szli bez przeszkód w większym lub mniejszym ładzie (przepływ laminarny lub turbulentny). Postawimy przed nimi przeszkodę w postaci okrągłego budynku. Ludzie idący środkiem będą uderzali o ścianę powodując zderzenia o stłuczki zanim uda im się uskoczyć na bok (spiętrzenie przepływu). Ci bardziej po bokach będą automatycznie szli wzdłuż zaokrąglonej ścian trzymając jej się ręką, żeby wiedzieć gdzie idą (tarcie), natomiast pozostali będą rozpychani przez pierwsze dwie grupy. Ponieważ jednak ludzie wiedzą, że muszą iść na wprost w pewnym monecie gdy ściana będzie zbyt bardzo zakręcać do środka puszczą się oni ściany i będą szli dale na wprost. Poniżej jest rysunek, spróbuj sobie to wyobrazić. Pamiętaj, że ślepcy wie widzą gdzie idą muszą kontaktować się przez dotyk.

Rysunek 2. Ślepcy opływający budynek

Wokół budynku powstały dwa ważne pola. Miejsce w którym ślepcy się zderzają – pole wysokiego ciśnienia, oraz miejsce za budynkiem w którym znajdują się jedynie zagubieni ludzie, którzy pomylili drogę – pole niskiego ciśnienia. Są jeszcze ludzie z dwóch stron budynku którzy dotykają jego ścian, żeby wiedzieć gdzie idą. Oni odpowiadają za tarcie.

To właśnie różnice ciśnień oraz tarcia odpowiadają za opór aerodynamiczny. Im mniej opływowe ciało tym pole niskiego ciśnienia za ciałem jest większe, a im większe jest to pole (i oczywiście wartość ciśnienia mniejsza) tym większy opór aerodynamiczny. Bardzo ważny jest również fakt, że siła oporu aerodynamicznego

Dobrym przykładem na to jest Renault Altica, który dzięki zainstalowaniu na końcu dachu generatorów strugi syntetyzowanej (ang. synthetic jet actuator) zmniejszył  opór aerodynamiczny o 15% przy prędkości 80 km/h. Moc generatorów wynosiła 10W a szczelina w dachu, przez którą wypływały strumienie 2mm. Dużo? Oceńcie sami.

O tym co z siłą oporu ma wspólnego siłą nośna opowiemy sobie w następnym wpisie.

PS Oczywiście w przypadku cieczy powinniśmy mówić o sile hydrodynamicznej, ja jednak użyłem pewnego uproszczenia. Anglicy obeszli problem z różnymi płynami i mówią po prosu drag.

Kontynuacje artykułu znajdziecie tu.

Rysunek 3. Renault Altica pokazane w 006 na Geneva Motor Show; zdjęcie pokazuje pole ciśnienia z wyłączonym i włączonym generatorem SJ
[Źródła: niestety strona, z której mam zdjęcie już nie istnieje, ale chyba można je znaleźć na oficjalnej stronie Renault, choć mi się nie udało]

 

 Źródła:

1.Yunus, A. C. (2010). Fluid Mechanics: Fundamentals And Applications (Si Units). Tata McGraw Hill Education Private Limited.