Aerodinamika adalah bidang ilmu yang mempelajari pergerakan aliran udara dan pengaruhnya terhadap benda padat. Ini adalah bagian dari dinamika hidro dan gas. Penelitian di bidang ini dimulai pada zaman kuno, hingga saat penemuan panah dan tombak perencanaan, yang memungkinkan untuk mengirim proyektil lebih jauh dan lebih akurat ke sasaran. Namun, potensi aerodinamika terungkap sepenuhnya dengan penemuan kendaraan yang lebih berat dari udara yang mampu terbang atau meluncur dalam jarak yang cukup jauh.
Sejak zaman kuno
Penemuan hukum-hukum aerodinamika pada abad ke-20 memberikan kontribusi yang luar biasa dalam banyak bidang ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya di bidang transportasi. Berdasarkan pencapaiannya, pesawat modern telah diciptakan, yang memungkinkan hampir semua sudut planet Bumi dapat diakses oleh publik.
Penyebutan pertama tentang upaya menaklukkan langit ditemukan dalam mitos Yunani tentang Icarus dan Daedalus. Ayah dan anak membangun sayap seperti burung. Ini menunjukkan bahwa ribuan tahun yang lalu orang memikirkan kemungkinan untuk turun dari tanah.
gelombang lainminat dalam pembangunan pesawat muncul selama Renaissance. Peneliti yang bersemangat Leonardo da Vinci mencurahkan banyak waktu untuk masalah ini. Catatannya diketahui, yang menjelaskan prinsip pengoperasian helikopter paling sederhana.
Era baru
Terobosan global dalam sains (dan khususnya aeronautika) dibuat oleh Isaac Newton. Bagaimanapun, dasar aerodinamika adalah ilmu mekanika yang komprehensif, yang pendirinya adalah seorang ilmuwan Inggris. Newton adalah orang pertama yang menganggap media udara sebagai kumpulan partikel, yang, ketika menabrak rintangan, menempel padanya atau dipantulkan secara elastis. Pada tahun 1726, ia mempresentasikan teori hambatan udara kepada publik.
Selanjutnya, ternyata lingkungan benar-benar terdiri dari partikel terkecil - molekul. Mereka belajar bagaimana menghitung reflektifitas udara dengan cukup akurat, dan efek "lengket" dianggap sebagai asumsi yang tidak dapat dipertahankan.
Anehnya, teori ini menemukan aplikasi praktis berabad-abad kemudian. Pada tahun 60-an, pada awal zaman antariksa, para perancang Soviet menghadapi masalah dalam menghitung gaya hambat aerodinamis dari kendaraan-kendaraan turun yang berbentuk bola "tumpul", yang mengembangkan kecepatan hipersonik saat mendarat. Karena kurangnya komputer yang kuat, itu bermasalah untuk menghitung indikator ini. Di luar dugaan, ternyata nilai gaya hambat dan distribusi tekanan di bagian frontal dapat dihitung secara akurat dengan menggunakan rumus sederhana Newton mengenai efek "menempel" partikel pada benda terbang.
Pengembangan aerodinamika
PendiriAhli hidrodinamika Daniel Bernoulli pada tahun 1738 menjelaskan hubungan mendasar antara tekanan, kepadatan dan kecepatan untuk aliran yang tidak dapat dimampatkan, yang sekarang dikenal sebagai prinsip Bernoulli, yang juga berlaku untuk perhitungan gaya angkat aerodinamis. Pada tahun 1799 Sir George Cayley menjadi orang pertama yang mengidentifikasi empat gaya aerodinamis penerbangan (berat, angkat, tarik, dan dorong) dan hubungan di antara mereka.
Pada tahun 1871, Francis Herbert Wenham menciptakan terowongan angin pertama yang mengukur gaya aerodinamis secara akurat. Teori ilmiah yang tak ternilai dikembangkan oleh Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Pada tahun 1889, Charles Renard, seorang insinyur penerbangan Prancis, menjadi orang pertama yang secara ilmiah menghitung daya yang dibutuhkan untuk penerbangan berkelanjutan.
Dari teori ke praktek
Pada abad ke-19, para penemu melihat sayap dari sudut pandang ilmiah. Dan berkat studi mekanisme penerbangan burung, aksi aerodinamika dipelajari, yang kemudian diterapkan pada pesawat buatan.
Otto Lilienthal unggul terutama dalam penelitian mekanika sayap. Perancang pesawat Jerman menciptakan dan menguji 11 jenis glider, termasuk biplan. Dia juga melakukan penerbangan pertama dengan peralatan yang lebih berat daripada udara. Untuk hidup yang relatif singkat (46 tahun), ia membuat sekitar 2000 penerbangan, terus-menerus meningkatkan desain, yang lebih seperti pesawat layang gantung daripada pesawat terbang. Dia meninggal pada penerbangan berikutnya pada 10 Agustus 1896, menjadi perintisaeronautika, dan korban pertama kecelakaan pesawat. Omong-omong, penemu Jerman secara pribadi menyerahkan salah satu glider kepada Nikolai Yegorovich Zhukovsky, seorang pelopor dalam studi aerodinamika pesawat.
Zhukovsky tidak hanya bereksperimen dengan desain pesawat. Tidak seperti banyak penggemar saat itu, ia terutama mempertimbangkan perilaku arus udara dari sudut pandang ilmiah. Pada tahun 1904 ia mendirikan institut aerodinamis pertama di dunia di Cachino dekat Moskow. Sejak 1918 mengepalai TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Pesawat pertama
Aerodinamika adalah ilmu yang memungkinkan manusia menaklukkan langit. Tanpa mempelajarinya, tidak mungkin membangun pesawat yang bergerak stabil di arus udara. Pesawat pertama dalam pengertian kita yang biasa dibuat dan diangkat ke udara pada 7 Desember 1903 oleh Wright bersaudara. Namun, peristiwa ini didahului oleh kerja teoretis yang cermat. Orang Amerika mencurahkan banyak waktu untuk men-debug desain badan pesawat di terowongan angin desain mereka sendiri.
Selama penerbangan pertama, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta dan Nikolai Zhukovsky mengemukakan teori yang menjelaskan sirkulasi arus udara yang menciptakan gaya angkat. Kutta dan Zhukovsky terus mengembangkan teori sayap dua dimensi. Ludwig Prandtl dikreditkan dengan mengembangkan teori matematika aerodinamis halus dan gaya angkat, serta bekerja dengan lapisan batas.
Masalah dan Solusi
Pentingnya aerodinamika pesawat meningkat seiring dengan peningkatan kecepatannya. Desainer mulai mengalami masalah dengan mengompresi udara pada atau mendekati kecepatan suara. Perbedaan aliran di bawah kondisi ini telah menyebabkan masalah penanganan pesawat, peningkatan hambatan karena gelombang kejut, dan ancaman kegagalan struktural karena flutter aeroelastik. Rasio kecepatan aliran dengan kecepatan suara disebut bilangan Mach setelah Ernst Mach, yang merupakan salah satu orang pertama yang menyelidiki sifat-sifat aliran supersonik.
William John McQuorn Rankine dan Pierre Henri Gougoniot secara independen mengembangkan teori sifat aliran udara sebelum dan sesudah gelombang kejut, sementara Jacob Akeret melakukan pekerjaan awal dalam menghitung gaya angkat dan tarikan airfoil supersonik. Theodor von Karman dan Hugh Latimer Dryden menciptakan istilah "transonic" untuk menggambarkan kecepatan di perbatasan Mach 1 (965-1236 km/jam), ketika resistensi meningkat dengan cepat. Penghalang suara pertama dipatahkan pada tahun 1947 di pesawat Bell X-1.
Fitur Utama
Menurut hukum aerodinamika, untuk memastikan penerbangan di atmosfer bumi dari perangkat apa pun, penting untuk diketahui:
- Seret aerodinamis (sumbu X) yang dilakukan oleh arus udara pada suatu objek. Berdasarkan parameter ini, daya pembangkit listrik dipilih.
- Angkat angkat (sumbu Y), yang menyediakan pendakian dan memungkinkan perangkat terbang horizontal ke permukaan bumi.
- Momen gaya aerodinamis di sepanjang tiga sumbu koordinat yang bekerja pada benda terbang. yang terpentingadalah momen gaya lateral sepanjang sumbu Z (Mz) yang diarahkan melintasi pesawat (bersyarat sepanjang garis sayap). Ini menentukan tingkat stabilitas longitudinal (apakah perangkat akan "menyelam" atau mengangkat hidungnya ke atas saat terbang).
Klasifikasi
Kinerja aerodinamis diklasifikasikan berdasarkan kondisi dan sifat aliran udara, termasuk kecepatan, kompresibilitas, dan viskositas. Aerodinamika eksternal adalah studi tentang aliran di sekitar benda padat dari berbagai bentuk. Contohnya adalah menilai gaya angkat dan getaran pesawat, serta gelombang kejut yang terbentuk di depan hidung rudal.
Aerodinamika internal adalah studi tentang aliran udara yang bergerak melalui bukaan (saluran) pada benda padat. Misalnya, ini mencakup studi tentang aliran melalui mesin jet.
Kinerja aerodinamis juga dapat diklasifikasikan menurut kecepatan aliran:
- Subsonic disebut kecepatan yang lebih kecil dari kecepatan suara.
- Transonic (transonic) - jika ada kecepatan di bawah dan di atas kecepatan suara.
- Supersonic - ketika kecepatan aliran lebih besar dari kecepatan suara.
- Hipersonik - kecepatan aliran jauh lebih besar daripada kecepatan suara. Biasanya definisi ini berarti kecepatan dengan angka Mach di atas 5.
Aerodinamika helikopter
Jika prinsip penerbangan pesawat didasarkan pada gaya angkat selama gerakan translasi yang dilakukan pada sayap, maka helikopter, seolah-olah, menciptakan gaya angkat dengan sendirinya karena rotasi bilah dalam mode hembusan aksial (yaitu, tanpa kecepatan translasi). Terimakasih untukDengan fitur ini, helikopter dapat melayang di udara di tempat dan melakukan manuver energik di sekitar poros.
Aplikasi lain
Secara alami, aerodinamika tidak hanya berlaku untuk pesawat. Hambatan udara dialami oleh semua benda yang bergerak di ruang angkasa dalam medium gas dan cair. Diketahui bahwa penghuni air - ikan dan mamalia - memiliki bentuk yang ramping. Pada contoh mereka, Anda dapat melacak aksi aerodinamis. Berfokus pada dunia hewan, orang juga membuat transportasi air runcing atau berbentuk titik air mata. Ini berlaku untuk kapal, perahu, kapal selam.
Kendaraan mengalami hambatan udara yang signifikan: meningkat seiring dengan peningkatan kecepatan. Untuk mencapai aerodinamis yang lebih baik, mobil diberi bentuk yang ramping. Hal ini terutama berlaku untuk mobil sport.
