αεροδυναμική

Κλάδος της μηχανικής που έχει ως αντικείμενο μελέτης την κίνηση αέριων μαζών και ιδιαίτερα τις μετατοπίσεις τους στο εσωτερικό ενός αγωγού (στρόβιλοι, αντλίες) ή πάνω στην επιφάνεια στερεών σωμάτων και στον άμεσα γειτονικό χώρο τους (αέρας γύρω από ένα βλήμα, ένα αυτοκίνητο, ένα αεροπλάνο). Τα προβλήματα που αναφέρονται στον δεύτερο αυτό τύπο μετατοπίσεων απαιτούν πολλές φορές πολυπλοκότατους υπολογισμούς. Μεγάλη όμως βοήθεια για τη λύση τους μπορεί να δώσει η πειραματική έρευνα με μικρών διαστάσεων πρότυπα των μηχανών που πρόκειται να κατασκευαστούν. Αυτό συμβαίνει γιατί η συμπεριφορά του αέρα που προσκρούει σε ένα στερεό σώμα δεν εξαρτάται από τις διαστάσεις του σώματος, αλλά μόνο από το σχήμα του (βλ. λ. αεροδυναμική σήραγγα). Γενικά, κάθε αντικείμενο που κινείται καταλαμβάνει, όσο προχωρεί, τη θέση που καταλάμβανε προηγουμένως ο αέρας και έτσι ωθεί συνεχώς νέες μάζες αέρα προς τα εμπρός και προς τα πλάγια. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του σώματος τόσο γρηγορότερα οι αέριες μάζες οι οποίες παρασύρονται μετατοπίζονται και προστίθενται η μια πάνω στην άλλη, έτσι που το κινητό στην προώθησή του συναντά συνεχώς μεγαλύτερη αντίσταση. Το πείραμα και o υπολογισμός αποδεικνύουν ότι η αύξηση αυτής της αντίστασης είναι ανάλογη προς το τετράγωνο της ταχύτητας. Δηλαδή, εάν η ταχύτητα διπλασιάζεται, η αντίσταση του αέρα τετραπλασιάζεται. O νόμος αυτός ισχύει όσο η ταχύτητα δεν υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου (περίπου 330 μ. ανά δευτ.). Για μεγαλύτερες ταχύτητες η αντίσταση αυξάνεται πιο γρήγορα. Η αντίσταση του αέρα μπορεί να μειωθεί σημαντικά, όταν στο σώμα που κινείται δοθούν κατάλληλα σχήματα. Ας υποθέσουμε π.χ. ότι προωθούμε μέσα στον αέρα έναν δίσκο (κατά μέτωπο) και έπειτα μια σφαίρα, έναν κώνο (με κορυφή προς τη διεύθυνση της κίνησης) και ένα ωοειδές στερεό, σχήματα που όλα έχουν την ίδια μέγιστη διάμετρο. Η αντίσταση που συναντά η σφαίρα είναι μικρότερη κατά το μισό εκείνης που συναντά ο δίσκος, εκείνη που συναντά o κώνος είναι τα δύο πέμπτα και το ωοειδές μόνο το ένα εικοστό πέμπτο. Αυτό συμβαίνει γιατί το ωοειδές σώμα (εφόσον η επιφάνειά του είναι πολύ λεία) διευκολύνει, ακριβώς εξαιτίας του σχήματός του, την επιστροφή μαζών του αέρα, οι οποίες μετατοπίζονται διαδοχικά στην αρχική τους θέση και γι’ αυτό δεν συναντά πια μπροστά του υπερβολική συμπύκνωση. Από την αρχή αυτή εμπνέονται τα σχήματα των αμαξωμάτων των σύγχρονων αυτοκινήτων, κυρίως εκείνων που σχεδιάζονται για μεγάλες ταχύτητες. Μερικά από τα αμαξώματα αυτά εκμεταλλεύονται επίσης την πίεση του αέρα, για να πετυχαίνουν μια ώθηση από πάνω προς τα κάτω και επομένως μια καλύτερη πρόσφυση στο όλο κατάστρωμα του δρόμου (θεωρία του Kamm). α. στην αεροπορία.Το πιο ενδιαφέρον κεφάλαιο της α. είναι αναμφισβήτητα εκείνο που αφορά τα εναέρια οχήματα με αεροδυναμική στήριξη, δηλαδή τα αεροσκάφη, στα οποία περιλαμβάνονται και τα αεροπλάνα. Αυτά είναι εφοδιασμένα με πτερύγια, δηλαδή με σώματα που έχουν τέτοιο σχήμα, ώστε να εκμεταλλεύονται την αντίσταση του αέρα για να επιτυγχάνεται μια ώθηση από κάτω προς τα πάνω, δηλαδή μια δύναμη στήριξης ή, όπως λέγεται, άντωση. Αυτό είναι δυνατόν γιατί οι διαφορές πίεσης που καθορίζονται από την πρόσκρουση του αέρα σε ένα στερεό σώμα διαδίδονται στην αέρια μάζα με σταθερή ταχύτητα, ίση με την ταχύτητα του ήχου. Κατά συνέπεια, αν θεωρήσουμε τη μάζα του αέρα που εξετάζουμε υποδιαιρεμένη σε διάφορα μέρη και υποθέσουμε ότι αυτά τα μέρη, για να συνενωθούν στα νώτα του κινούμενου σώματος, πρέπει να διανύσουν διαφορετικού μήκους διαδρομές, αντιλαμβανόμαστε ότι οι διαδρομές αυτές θα διανυθούν με διαφορετικές ταχύτητες: σε αντιστοιχία προς τη μεγαλύτερη διαδρομή, θα έχουμε μια αύξηση ταχύτητας, δηλαδή μια μικρότερη συμπύκνωση της αέριας μάζας. Τα πτερύγια των αεροπλάνων έχουν ασύμμετρη κάθετη διατομή, έτσι που να προκαλούν αυτή τη μικρότερη συμπύκνωση και για τον λόγο αυτό μικρότερη πίεση του αέρα στην άνω επιφάνειά τους –που αντιστοιχεί σε μια μεγαλύτερη διαδρομή των ρευστών νηματίων ή αεροδυναμικών γραμμών– ενώ στην κάτω επιφάνεια (που απαιτεί μικρότερη διαδρομή) ο αέρας συμπυκνώνεται και ασκεί μια πίεση περισσότερο ανυψωτική. Με τον τρόπο αυτό, από τη σύνθεση των δύο δράσεων επιτυγχάνεται η ώθηση προς τα πάνω. Διάφοροι άλλοι παράγοντες παρεμβαίνουν στον προσδιορισμό του σχήματος, της κατατομής, των διαστάσεων και της θέσης των πτερυγίων, πάντοτε σε συνάρτηση με το βάρος που πρέπει να υποβαστάξουν και με την ταχύτητα που επιδιώκεται να επιτευχθεί στους διάφορους τύπους αεροπλάνων. Το πρόβλημα αλλάζει ριζικά όψη στις περιπτώσεις που επιδιώκεται να φτάσουμε ή να υπερβούμε την ταχύτητα του ήχου, δηλαδή την ταχύτητα με την οποία διαδίδονται στην ατμόσφαιρα οι διαταραχές που προκαλεί η κίνηση του αεροπλάνου, το οποίο βρίσκεται έτσι να συμβαδίζει με τα αποτελέσματα της ίδιας της κίνησής του ή και να προηγείται από αυτά. Ακόμα και στις συνθήκες αυτές είναι δυνατόν να επιτευχθεί η άντωση, αν δοθούν κατάλληλα σχήματα στα πτερύγια και στις ατράκτους. Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα αποτελεί σε κάθε περίπτωση θεμελιώδες σημείο αναφοράς για την α., η οποία στους υπολογισμούς της παίρνει πάντα υπόψη τον λόγο μεταξύ της μελετώμενης ταχύτητας και της ταχύτητας του ήχου. Ο λόγος αυτός ονομάζεται αριθμός του Μαχ, από τον Αυστριακό φυσικό Ερνστ Μαχ, ο οποίος κατά το τέλος του 19ου και στις αρχές του 20ού αι. ασχολήθηκε με μεγαλοφυή τρόπο με αυτά τα προβλήματα. Είναι φανερό ότι o αριθμός του Μαχ ισούται με τη μονάδα, όταν η πραγματική ταχύτητα είναι ίση με την ταχύτητα του ήχου. Ο Λεονάρτο ντα Βίντσι, ο Γαλιλαίος και ο Χόιχενς υπήρξαν οι πρόδρομοι μιας συστηματικής μελέτης των αεροδυναμικών φαινομένων, των οποίων τις επιστημονικές βάσεις έθεσε ο Νεύτων. Επίσης, πριν από την εποχή της αεροναυτικής, ο Ντανιέλε Μπερνούλι και ο Ντ’ Αλαμπέρ ανέπτυξαν σημαντικό μέρος της θεωρίας, βασιζόμενοι στον νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Τη μεγαλύτερη όμως συμβολή στην α., από την άποψη της θεωρητικής της κατανόησης και των εφαρμογών της, προσέφερε o Λούντβιχ Πραντς, καθηγητής στο Γκέτιγκεν, που επονομάστηκε πατέρας της σύγχρονης α. για τα σημαντικά επιτεύγματά του. α. θέρμανση.Η θέρμανση που εμφανίζεται στις επιφάνειες των αεροπλάνων, των βλημάτων, των διαστημοπλοίων και γενικά σε όλα τα σώματα που κινούνται μέσα στον αέρα. Η θέρμανση αυτή οφείλεται στην τριβή των μορίων του αέρα πάνω στις επιφάνειες των σωμάτων αυτών. Η α.θ. δεν έχει ιδιαίτερη σημασία για τις μικρές ταχύτητες, αλλά στις υπερηχητικές λαμβάνεται σοβαρά υπόψη, γιατί o συντελεστής αύξησης της θερμοκρασίας που οφείλεται στην τριβή εξαρτάται από το τετράγωνο της ταχύτητας του κινητού. Ο προσδιορισμός της α.θ. είναι ιδιαίτερα δύσκολος, αλλά έχει πολύ μεγάλη σημασία για τη σύγχρονη αεροναυπηγική που ενδιαφέρεται να πετύχει όλο και μεγαλύτερες ταχύτητες. α. αραιών αερίων.Κλάδος της μηχανικής των αερίων στον οποίο, για την περιγραφή της κίνησης των αερίων, είναι απαραίτητο να λαμβάνεται υπόψη και η μοριακή τους δομή. Η α. αυτή εφαρμόζεται κυρίως για τον προσδιορισμό της α. θέρμανσης τροχιακών συσκευών που προσγειώνονται, των δορυφόρων της Γης που περιστρέφονται σε μικρό ύψος κλπ. Η μεγαλύτερη ταχύτητα του αέρα στο επάνω τμήμα της κατανομής της πτέρυγας καθορίζει την πίεση προς τα επάνω, που είναι αναγκαία για τη στήριξη του αεροσκάφους.

* * *

η

(Φυσ.) κλάδος τής επιστήμης τής Μηχανικής Ρευστών που μελετά τη ροή τού αέρα (ή άλλων αερίων) γύρω από σώματα αεροδυναμικής μορφής, δηλαδή γύρω από σώματα τών οποίων η επιφάνεια δεν παρουσιάζει ακμές και οι δύο διαστάσεις τους είναι μικρές, σχετικά με την τρίτη διάστασή τους κατά την κατεύθυνση τής κινήσεως τού αέρα.