Burada yeryüzünde hava direncini (yani “sürükleme” olarak) kabul etme eğilimindeyiz. Sadece bir top attığımızda, bir uçak fırlattığımızda, bir uzay aracını havaya uçurduğumuzda veya bir silahtan bir mermi ateşlediğimizde, atmosferimizde dolaşan hareketinin doğal olarak yavaşlayacağını varsayıyoruz. Peki bunun nedeni nedir? Hava, serbest düşüşte veya uçuşta olsun, bir nesneyi nasıl yavaşlatabilir?
Hava yolculuğuna olan bağlılığımız, uzay araştırmalarına olan hevesimiz ve spor ve bizim gibi şeyleri havaya uçurma sevgimiz nedeniyle, hava direncini anlamak fiziği anlamak ve birçok bilimsel disiplinin ayrılmaz bir parçası. Akışkanlar dinamiği olarak bilinen alt disiplinin bir parçası olarak aerodinamik, hidrodinamik, astrofizik ve nükleer fizik (birkaç isim) alanlarına uygulanır.
Tanım:
Tanım olarak, hava direnci, bir nesnenin havadan geçerken göreli hareketine karşı olan kuvvetleri tanımlar. Bu sürükleme kuvvetleri yaklaşmakta olan akış hızının tersi yönde hareket eder, böylece nesneyi yavaşlatır. Diğer direnç kuvvetlerinin aksine, sürükleme doğrudan hıza bağlıdır, çünkü hareket yönünün tersine etki eden net aerodinamik kuvvetin bileşenidir.
Bunu söylemenin bir başka yolu, hava direncinin, nesnenin ön yüzeyinin hava molekülleri ile çarpışmasının bir sonucu olduğunu söylemek olacaktır. Bu nedenle, hava direnci miktarı üzerinde doğrudan etkisi olan en yaygın iki faktörün, nesnenin hızı ve nesnenin enine kesit alanı olduğu söylenebilir. Ergo, hem hızların hem de kesit alanlarının artması, hava direncinin artmasına neden olacaktır.
Aerodinamik ve uçuş açısından, sürükleme hem itme kuvvetinin karşısında hareket eden kuvvetleri hem de ona dik olarak çalışan kuvvetleri (yani kaldırma) ifade eder. Astrodinamikte, atmosferik sürükleme duruma bağlı olarak hem pozitif hem de negatif bir kuvvettir. Bu, hem kalkış sırasında yakıt hem de verimlilikte bir drenaj ve bir uzay aracı yörüngeden Dünya'ya geri döndüğünde yakıt tasarrufudur.
Hava Direnci Hesaplama:
Hava direnci genellikle, nispeten yüksek bir hızda bir sıvı veya gazdan geçen bir cismin yaşadığı kuvveti belirleyen “sürükleme denklemi” kullanılarak hesaplanır. Bu matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir:
Bu denklemde, FD sürükleme kuvvetini temsil eder, p sıvının yoğunluğu, v nesnenin sese göre hızıdır, bir kesit alanıdır veCD sürükleme katsayısıdır. Sonuç "karesel sürükleme" olarak adlandırılan şeydir. Bu belirlendikten sonra, sürüklemenin üstesinden gelmek için gereken güç miktarının hesaplanması, matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilen benzer bir süreci içerir:
Buraya, Pdsürükleme gücünün üstesinden gelmek için gereken güç, Fd sürükleme kuvveti, v hızdır, p sıvının yoğunluğu, v nesnenin sese göre hızıdır, bir kesit alanıdır veCD sürükleme katsayısıdır. Gösterdiği gibi, güç ihtiyaçları hızın küpüdür, bu nedenle 80 km / s'ye gitmek için 10 beygir gücü alırsa, 160 km / s'ye gitmek için 80 beygir gücü gerekir. Kısacası, hızın iki katına çıkarılması, gücün sekiz katının uygulanmasını gerektirir.
Hava Direnci Çeşitleri:
Aerodinamikte üç ana sürükleme türü vardır: Asansöre Bağlı, Parazit ve Dalga. Her biri bir nesnenin havada kalma yeteneğini ve onu orada tutmak için gereken gücü ve yakıtı etkiler. Kaldırmaya bağlı (veya sadece indüklenmiş) sürükleme, üç boyutlu bir kaldırma gövdesi (kanat veya gövde) üzerinde kaldırma işleminin bir sonucu olarak ortaya çıkar. İki ana bileşeni vardır: girdap sürüklemesi ve kaldırmaya bağlı viskoz sürükleme.
Girdaplar, vücudun üst ve alt yüzeylerinde değişen basınçtaki havanın türbülanslı karışımından kaynaklanır. Bunlar asansör oluşturmak için gereklidir. Asansör arttıkça, asansör kaynaklı sürükleme de artar. Bir uçak için bu, saldırı açısı ve kaldırma katsayısı durak noktasına yükseldikçe, kaldırmaya bağlı sürükleme de artar.
Aksine, parazitik sürtünme, katı bir nesnenin bir sıvı içinden hareket ettirilmesinden kaynaklanır. Bu sürükleme türü, “form sürükleme” ve “cilt sürtünme sürüklemesi” içeren birden çok bileşenden oluşur. Havacılıkta, indüklenen sürtünme düşük hızlarda daha büyük olma eğilimindedir, çünkü asansörü korumak için yüksek bir saldırı açısı gereklidir, bu nedenle hız arttıkça bu sürtünme çok daha az olur, ancak sıvı sürtünmeyi artıran nesnelerin etrafında daha hızlı aktığı için parazitik sürtünme artar. Kombine toplam sürükleme eğrisi bazı hava hızlarında minimumdur ve optimum verimliliğinde veya ona yakın olacaktır.
Dalga sürüklemesi (sıkıştırılabilirlik sürüklemesi), sıkıştırılabilir bir akışkan boyunca yüksek hızda hareket eden bir gövdenin varlığıyla oluşturulur. Aerodinamikte, dalga sürüklemesi uçuşun hız rejimine bağlı olarak birden fazla bileşenden oluşur. Transonik uçuşta - Mach 0.5 veya daha yüksek hızlarda, ancak yine de Mach 1.0'dan (ses hızı olarak da az) - dalga sürüklemesi yerel süpersonik akışın sonucudur.
Süpersonik akış, vücut üzerindeki hız arttığında, vücuttaki yerel hava hızı arttığından ses hızının çok altında seyahat eden cisimler üzerinde meydana gelir. Kısacası, transonik hızlarda uçan uçaklar genellikle sonuç olarak dalga sürüklenmesine neden olur. Süpersonik bir nesne haline gelmeden önce, uçağın hızı Mach 1.0'ın ses bariyerine yaklaştıkça bu artar.
Süpersonik uçuşta dalga sürüklemesi, vücudun ön ve arka kenarlarında oluşan eğik şok dalgalarının sonucudur. Yüksek süpersonik akışlarda bunun yerine yay dalgaları oluşacaktır. Süpersonik hızlarda, dalga sürüklemesi yaygın olarak iki bileşene ayrılır: süpersonik asansöre bağımlı dalga sürüklemesi ve süpersonik hacim bağımlı dalga sürüklemesi.
Hava sürtünmelerinin uçuşla oynadığı rolü anlamak, mekaniğini bilmek ve üstesinden gelmek için gereken güç türlerini bilmek, uzay ve uzay araştırmaları söz konusu olduğunda çok önemlidir. Tüm bunları bilmek, Güneş Sistemimizdeki ve diğer yıldız sistemlerindeki diğer gezegenleri keşfetme zamanı geldiğinde de kritik olacaktır!
Space Magazine'de hava direnci ve uçuş hakkında birçok makale yazdık. Terminal Hızı Nedir ?, Uçaklar Nasıl Uçar ?, Sürtünme Katsayısı Nedir ve Yerçekimi Gücü Nedir?
NASA’nın uçak programları hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, Acemi Aerodinamik Kılavuzu’na göz atın. İşte Sürükle Denklemine bir bağlantı.
Astronomy Cast ile ilgili birçok bölüm de kaydettik. Burada dinle, Bölüm 102: Yerçekimi.
