บนโลกเรามีแนวโน้มที่จะรับแรงต้านของอากาศ (aka.“ drag”) เพื่อรับ เราแค่คิดว่าเมื่อเราโยนลูกบอลปล่อยเครื่องบินหักมุมยานอวกาศหรือยิงกระสุนปืนจากปืนการกระทำของมันที่เดินทางผ่านบรรยากาศของเราจะทำให้ช้าลง แต่เหตุผลสำหรับสิ่งนี้คืออะไร? อากาศสามารถทำให้วัตถุเคลื่อนที่ช้าลงได้อย่างไรไม่ว่าจะตกฟรีหรือกำลังบินอยู่?
เนื่องจากเราเชื่อมั่นในการเดินทางทางอากาศความกระตือรือร้นของเราในการสำรวจอวกาศและความรักในการเล่นกีฬาและการสร้างสิ่งต่าง ๆ ในอากาศ (รวมถึงตัวเราเอง) การเข้าใจความต้านทานอากาศเป็นกุญแจสำคัญในการเข้าใจฟิสิกส์และเป็นส่วนสำคัญของสาขาวิทยาศาสตร์ เป็นส่วนหนึ่งของการย่อยที่รู้จักกันในชื่อพลศาสตร์ของไหลมันใช้กับสาขาพลศาสตร์พลศาสตร์อุทกพลศาสตร์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์นิวเคลียร์ (เพื่อชื่อไม่กี่)
ความหมาย:
ตามคำนิยามความต้านทานอากาศอธิบายถึงแรงที่ขัดแย้งกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของวัตถุเมื่อมันผ่านอากาศ แรงลากเหล่านี้ทำหน้าที่ตรงข้ามกับความเร็วการไหลที่กำลังจะมาถึงทำให้วัตถุเคลื่อนที่ช้าลง ต่างจากแรงต้านอื่น ๆ การลากขึ้นกับความเร็วโดยตรงเนื่องจากเป็นส่วนประกอบของแรงแอโรไดนามิกสุทธิที่ทำหน้าที่ตรงข้ามกับทิศทางของการเคลื่อนไหว
อีกวิธีหนึ่งที่จะกล่าวได้ก็คือความต้านทานของอากาศเป็นผลมาจากการชนของพื้นผิวชั้นนำของวัตถุที่มีโมเลกุลของอากาศ ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่าสองปัจจัยที่พบบ่อยที่สุดที่มีผลกระทบโดยตรงกับปริมาณของความต้านทานอากาศคือความเร็วของวัตถุและพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ ดังนั้นทั้งความเร็วที่เพิ่มขึ้นและพื้นที่หน้าตัดจะส่งผลให้ความต้านทานอากาศเพิ่มขึ้น
ในแง่ของอากาศพลศาสตร์และการบินลากหมายถึงกองกำลังทั้งสองที่ทำหน้าที่ตรงข้ามกับแรงขับรวมทั้งกองกำลังที่ตั้งฉากกับมัน (เช่นยกขึ้น) ใน astrodynamics การลากบรรยากาศเป็นทั้งแรงบวกและแรงลบขึ้นอยู่กับสถานการณ์ มันเป็นทั้งการระบายน้ำมันเชื้อเพลิงและประสิทธิภาพในระหว่างการยกออกและการประหยัดเชื้อเพลิงเมื่อยานอวกาศกลับสู่โลกจากวงโคจร
การคำนวณความต้านทานอากาศ:
ความต้านทานอากาศมักคำนวณโดยใช้ "สมการลาก" ซึ่งกำหนดแรงที่วัตถุเคลื่อนที่ผ่านของเหลวหรือก๊าซด้วยความเร็วที่ค่อนข้างใหญ่ นี่สามารถแสดงทางคณิตศาสตร์เป็น:
ในสมการนี้ FD แสดงถึงแรงลาก พี คือความหนาแน่นของของไหล โวลต์ คือความเร็วของวัตถุที่สัมพันธ์กับเสียง เป็นพื้นที่หน้าตัดและซีดี คือสัมประสิทธิ์การลาก ผลลัพธ์คือสิ่งที่เรียกว่า "การลากกำลังสอง" การคำนวณปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะแรงลากเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่คล้ายกันซึ่งสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:
ที่นี่ Pdคือพลังที่จำเป็นในการเอาชนะแรงลาก fd คือแรงลาก v คือความเร็ว พี คือความหนาแน่นของของไหล โวลต์ คือความเร็วของวัตถุที่สัมพันธ์กับเสียง เป็นพื้นที่หน้าตัดและซีดี คือสัมประสิทธิ์การลาก ตามที่แสดงความต้องการพลังงานคือลูกบาศก์ของความเร็วดังนั้นหากใช้เวลา 10 แรงม้าที่จะไป 80 kph มันจะใช้ 80 แรงม้าที่จะไป 160 kph กล่าวโดยสรุปการเพิ่มความเร็วเป็นสองเท่าต้องการแอปพลิเคชันแปดเท่าของปริมาณพลังงาน
ประเภทของความต้านทานอากาศ:
การลากในอากาศพลศาสตร์มีสามประเภทหลักคือ - ลิฟท์เหนี่ยวนำ, กาฝากและคลื่น แต่ละคนมีผลต่อความสามารถของวัตถุในการอยู่สูงขึ้นเช่นเดียวกับพลังงานและเชื้อเพลิงที่จำเป็นในการเก็บมันไว้ที่นั่น แรงดึงเหนี่ยวนำยก (หรือเหนี่ยวนำเพียง) เกิดขึ้นเนื่องจากผลของการสร้างแรงยกบนตัวยกสามมิติ (ปีกหรือลำตัว) มันมีสององค์ประกอบหลัก: ลาก vortex และลากหนืดที่เกิดจากการยก
Vortices เกิดจากการผสมของอากาศปั่นป่วนที่ความดันต่าง ๆ บนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของร่างกาย สิ่งเหล่านี้จำเป็นต่อการสร้างลิฟท์ เมื่อแรงยกเพิ่มขึ้นการลากที่เกิดจากแรงยกก็เช่นกัน สำหรับเครื่องบินนั่นหมายความว่าเมื่อมุมของการโจมตีและสัมประสิทธิ์การยกเพิ่มขึ้นจนถึงจุดแผงลอยดังนั้นการลากที่เกิดจากแรงยก
ในทางตรงกันข้ามลากกาฝากเกิดจากการเคลื่อนย้ายวัตถุของแข็งผ่านของเหลว การลากประเภทนี้ประกอบด้วยหลายองค์ประกอบซึ่งรวมถึง "การลากแบบฟอร์ม" และ "การเสียดสีของผิวหนัง" ในการบินการชักนำให้เกิดมีแนวโน้มที่จะลดความเร็วสูงเพราะต้องทำการโจมตีในมุมสูงเพื่อยกความเร็วดังนั้นการเพิ่มความเร็วนี้จะกลายเป็นน้อยลากลาก แต่กาฝากเพิ่มขึ้นเพราะของเหลวไหลเร็วรอบวัตถุที่ยื่นออกมาเพิ่มแรงเสียดทาน เส้นโค้งการลากโดยรวมที่รวมกันนั้นมีน้อยที่สุดในบางเครื่องบินและจะอยู่ที่หรือใกล้เคียงกับประสิทธิภาพสูงสุด
การลากแบบคลื่น (การบีบอัดได้) ถูกสร้างขึ้นโดยการมีวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงผ่านของเหลวอัด ในอากาศพลศาสตร์การลากคลื่นประกอบด้วยองค์ประกอบหลายอย่างขึ้นอยู่กับความเร็วของการบิน ในการบินผ่าน Transonic - ที่ความเร็ว Mach 0.5 หรือสูงกว่า แต่ยังน้อยกว่า Mach 1.0 (ความเร็วเสียง aka) - การลากคลื่นเป็นผลมาจากการไหลของความเร็วเหนือเสียงในพื้นที่
การไหลของเสียงเหนือเสียงนั้นเกิดขึ้นกับร่างกายที่เดินทางต่ำกว่าความเร็วเสียงเนื่องจากความเร็วของอากาศในร่างกายจะเพิ่มขึ้นเมื่อมันเร่งความเร็วเหนือร่างกาย ในระยะสั้นเครื่องบินที่บินด้วยความเร็ว transonic มักจะเกิดการลากคลื่น สิ่งนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วของเครื่องบินใกล้กับกำแพงเสียงของ Mach 1.0 ก่อนที่จะกลายเป็นวัตถุที่มีความเร็วเหนือเสียง
ในการบินเหนือเสียงการลากคลื่นเป็นผลมาจากคลื่นกระแทกเฉียงที่เกิดขึ้นที่ขอบนำและตามรอยของร่างกาย ในคลื่นโค้งที่มีความเร็วเหนือเสียงสูงจะเกิดขึ้นแทน ที่ความเร็วเหนือเสียงคลื่นจะถูกแยกออกเป็นสองส่วนโดยทั่วไปการลากคลื่นขึ้นกับความเร็วเหนือเสียงและการลากคลื่นขึ้นอยู่กับความเร็วเหนือเสียง
การทำความเข้าใจกับบทบาทของแรงเสียดทานทางอากาศนั้นเกิดขึ้นได้จากการบินรู้กลไกและรู้ถึงพลังที่จำเป็นในการเอาชนะมันทั้งหมดนั้นสำคัญมากเมื่อต้องทำการสำรวจอวกาศและอวกาศ การรู้ทั้งหมดนี้ก็สำคัญเมื่อถึงเวลาต้องสำรวจดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะของเราและในระบบดาวอื่น ๆ โดยสิ้นเชิง!
เราได้เขียนบทความมากมายเกี่ยวกับความต้านทานอากาศและเที่ยวบินที่ Space Magazine นี่คือบทความเกี่ยวกับความเร็วของเทอร์มินัลคืออะไรเครื่องบินบินได้อย่างไรสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานคืออะไรและแรงโน้มถ่วงคืออะไร
หากคุณต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโปรแกรมเครื่องบินของนาซ่าลองดูคู่มือผู้เริ่มต้นสู่อากาศพลศาสตร์และนี่คือลิงค์ไปยัง Drag Equation
นอกจากนี้เรายังบันทึกตอนดาราศาสตร์ที่เกี่ยวข้องหลายตอน ฟังที่นี่ตอนที่ 102: แรงโน้มถ่วง
