Her på Jorden har vi en tendens til at tage luftmodstand (alias ”træk”) for givet. Vi antager bare, at når vi kaster en bold, lancerer et fly, deorbiterer et rumfartøj eller fyrer en kugle fra en pistol, at handlingen ved at køre gennem vores atmosfære naturligt vil bremse den. Men hvad er grunden til dette? Hvordan er luft i stand til at bremse et objekt ned, hvad enten det er i frit fald eller under flyvning?
På grund af vores afhængighed af flyrejser, vores entusiasme for rumfart og vores kærlighed til sport og at gøre tingene luftbårne (inklusive os selv), er forståelse af luftmodstand nøglen til forståelse af fysik og en integreret del af mange videnskabelige discipliner. Som en del af underdisciplinen kendt som væskedynamik, gælder det områder inden for aerodynamik, hydrodynamik, astrofysik og nukleær fysik (for at nævne nogle få).
Definition:
Per definition beskriver luftmotstand de kræfter, der er i modstand til den relative bevægelse af et objekt, når det passerer gennem luften. Disse trækræfter virker modsat den fremadgående strømningshastighed og bremser således objektet ned. I modsætning til andre modstandskræfter afhænger træk direkte af hastigheden, da det er komponenten i den netto aerodynamiske kraft, der virker modsat bevægelsesretningen.
En anden måde at sige det ville være at sige, at luftmodstand er resultatet af sammenstød på objektets førende overflade med luftmolekyler. Det kan derfor siges, at de to mest almindelige faktorer, der har en direkte virkning på mængden af luftmodstand, er genstandens hastighed og objektets tværsnitsareal. Ergo, både øgede hastigheder og tværsnitsområder vil resultere i en øget mængde luftmodstand.
Med hensyn til aerodynamik og flyvning henviser træk både til de kræfter, der virker modsat trykket, såvel som de kræfter, der arbejder vinkelret på det (dvs. løft). I astrodynamik er atmosfærisk træk både en positiv og en negativ kraft afhængig af situationen. Det er både en dræning på brændstof og effektivitet under løftning og en brændstofbesparelse, når et rumfartøj vender tilbage til Jorden fra kredsløb.
Beregning af luftmodstand:
Luftmodstand beregnes normalt ved hjælp af "træklikningen", der bestemmer kraften, der opleves af en genstand, der bevæger sig gennem en væske eller gas med relativt stor hastighed. Dette kan udtrykkes matematisk som:
I denne ligning FD repræsenterer trækkraften, p er væskens densitet, v er objektets hastighed i forhold til lyd, EN er tværsnitsområdet, ogCD er trækkoefficienten. Resultatet er, hvad der kaldes ”kvadratisk træk”. Når dette er bestemt, beregner den mængde strøm, der er nødvendigt for at overvinde træk, en lignende proces, der kan udtrykkes matematisk som:
Her, Pder den krævede kraft til at overvinde trækkraft Fd er trækkraften, v er hastigheden, p er væskens densitet, v er objektets hastighed i forhold til lyd, EN er tværsnitsområdet, ogcd er trækkoefficienten. Som det viser, er strømbehov kuben for hastigheden, så hvis det tager 10 hestekræfter at gå 80 km / t, vil det tage 80 hestekræfter at gå 160 km / t. Kort sagt kræver en fordobling af hastigheden anvendelse af otte gange så meget strøm.
Typer af luftmodstand:
Der er tre hovedtyper af træk i aerodynamik - Lift induceret, parasitisk og bølge. Hver påvirker en genstands evne til at holde sig højt såvel som den magt og det brændstof, der er nødvendigt for at holde det der. Liftinduceret (eller bare induceret) træk opstår som et resultat af oprettelsen af en løft på et tredimensionelt løftelegeme (vinge eller flykroppen). Det har to primære komponenter: virveltræk og løftinduceret viskos træk.
Hvirvlerne stammer fra den turbulente blanding af luft med varierende tryk på kroppens øvre og nedre overflader. Disse er nødvendige for at skabe løft. Efterhånden som liften stiger, gør det også den liftinducerede træk. For et fly betyder det, at når angrebsvinklen og løftekoefficienten stiger til staldpunktet, gør det også den liftinducerede træk.
Derimod forårsages parasitisk træk ved at bevæge en fast genstand gennem en væske. Denne type træk består af flere komponenter, der inkluderer "form drag" og "skin friction drag". Ved luftfart har induceret træk en tendens til at være større ved lavere hastigheder, fordi en høj angrebsvinkel er påkrævet for at opretholde løft, så når hastigheden øges, bliver dette træk meget mindre, men parasitisk træk øges, fordi væsken strømmer hurtigere omkring fremspringende genstande, hvilket øger friktion. Den samlede samlede trækkurve er minimal ved nogle lufthastigheder og vil være på eller tæt på dens optimale effektivitet.
Bølgedrag (kompressibilitetstræk) oprettes ved tilstedeværelsen af et legeme, der bevæger sig i høj hastighed gennem en komprimerbar væske. Inden for aerodynamik består bølgedrag af flere komponenter afhængigt af hastighedsregimet for flyvningen. I transonisk flyvning - med hastigheder på Mach 0,5 eller højere, men stadig mindre end Mach 1.0 (aka. Lydhastighed) - er bølgedrag resultatet af lokal supersonisk strømning.
Supersonic flow forekommer på organer, der bevæger sig langt under lydhastigheden, da den lokale lufthastighed på en krop øges, når den accelererer over kroppen. Kort sagt, luftfartøjer, der flyver med transoniske hastigheder, har ofte bølgedrag som resultat. Dette øges, når flyets hastighed nærmer sig lydbarrieren på Mach 1.0, inden det bliver et supersonisk objekt.
Under supersonisk flyvning er bølgedrag resultatet af skrå stødbølger dannet ved kroppens for- og bageste kanter. I stærkt supersoniske strømme vil der i stedet dannes bølger. Ved supersoniske hastigheder er bølgedrag ofte opdelt i to komponenter, supersonisk liftafhængig bølgedrag og supersonisk volumenafhængig bølgedrag.
At forstå den rolle, luftfriktion spiller med flyvningen, at kende dens mekanik og kende den slags kræfter, der er nødvendig for at overvinde den, er alle afgørende, når det kommer til rumfarts- og rumfartsudforskning. At vide alt dette vil også være kritisk, når det er tid til at udforske andre planeter i vores solsystem og i andre stjernesystemer helt!
Vi har skrevet mange artikler om luftmodstand og flyvning her på Space Magazine. Her er en artikel om Hvad er terminalhastighed ?, Hvordan flyver fly?, Hvad er friktionskoefficienten? Og Hvad er tyngdekraften?
Hvis du gerne vil have flere oplysninger om NASAs flyprogrammer, kan du se Beginner's Guide to Aerodynamics og her er et link til Drag Equation.
Vi har også optaget mange relaterede episoder af Astronomy Cast. Lyt her, afsnit 102: Gravity.
