L'aérodynamique est un domaine de connaissances qui étudie le mouvement des flux d'air et leurs effets sur les corps solides. C'est une sous-section de la dynamique hydro- et gazière. Les recherches dans ce domaine remontent à l'Antiquité, à l'époque de l'invention des flèches et des lances de planification, qui permettaient d'envoyer un projectile plus loin et plus précisément sur une cible. Cependant, le potentiel de l'aérodynamique a été pleinement révélé avec l'invention de véhicules plus lourds que l'air capables de voler ou de planer sur des distances considérables.
Depuis les temps anciens
La découverte des lois de l'aérodynamique au 20ème siècle a contribué à un bond fantastique dans de nombreux domaines de la science et de la technologie, en particulier dans le secteur des transports. Sur la base de ses réalisations, des avions modernes ont été créés, ce qui a permis de rendre pratiquement n'importe quel coin de la planète Terre accessible au public.
La première mention d'une tentative de conquête du ciel se trouve dans le mythe grec d'Icare et Dédale. Le père et le fils ont construit des ailes en forme d'oiseau. Cela indique qu'il y a des milliers d'années, les gens pensaient à la possibilité de décoller.
Une autre vaguel'intérêt pour la construction d'avions est né à la Renaissance. Le chercheur passionné Léonard de Vinci a consacré beaucoup de temps à ce problème. Ses notes sont connues, qui expliquent les principes de fonctionnement de l'hélicoptère le plus simple.
Nouvelle ère
La percée mondiale de la science (et de l'aéronautique en particulier) a été réalisée par Isaac Newton. Après tout, la base de l'aérodynamique est une science complète de la mécanique, dont le fondateur était un scientifique anglais. Newton a été le premier à considérer le milieu aérien comme un conglomérat de particules qui, heurtant un obstacle, s'y collent ou se réfléchissent élastiquement. En 1726, il présenta au public la théorie de la résistance de l'air.
Par la suite, il s'est avéré que l'environnement se compose vraiment des plus petites particules - les molécules. Ils ont appris à calculer la réflectivité de l'air avec assez de précision, et l'effet de "collage" a été considéré comme une hypothèse insoutenable.
Étonnamment, cette théorie a trouvé une application pratique des siècles plus tard. Dans les années 60, à l'aube de l'ère spatiale, les concepteurs soviétiques ont été confrontés au problème du calcul de la traînée aérodynamique des véhicules de descente de forme sphérique "émoussée", qui développent des vitesses hypersoniques à l'atterrissage. En raison du manque d'ordinateurs puissants, il était difficile de calculer cet indicateur. De manière inattendue, il s'est avéré qu'il est possible de calculer avec précision la valeur de traînée et même la répartition de la pression sur la partie frontale en utilisant la formule simple de Newton concernant l'effet de "coller" des particules à un objet volant.
Développement de l'aérodynamique
FondateurL'hydrodynamicien Daniel Bernoulli a décrit en 1738 la relation fondamentale entre pression, densité et vitesse pour un écoulement incompressible, connue aujourd'hui sous le nom de principe de Bernoulli, qui s'applique également aux calculs de portance aérodynamique. En 1799, Sir George Cayley est devenu la première personne à identifier les quatre forces aérodynamiques du vol (poids, portance, traînée et poussée) et les relations entre elles.
En 1871, Francis Herbert Wenham a créé la première soufflerie pour mesurer avec précision les forces aérodynamiques. De précieuses théories scientifiques développées par Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. En 1889, Charles Renard, ingénieur aéronautique français, est devenu le premier à calculer scientifiquement la puissance nécessaire pour un vol soutenu.
De la théorie à la pratique
Au 19ème siècle, les inventeurs ont considéré l'aile d'un point de vue scientifique. Et grâce à l'étude du mécanisme du vol des oiseaux, l'aérodynamique en action a été étudiée, qui a ensuite été appliquée aux avions artificiels.
Otto Lilienthal excellait surtout dans la recherche de la mécanique des ailes. Le concepteur d'avions allemand a créé et testé 11 types de planeurs, dont un biplan. Il a également effectué le premier vol sur un appareil plus lourd que l'air. Pendant une vie relativement courte (46 ans), il a effectué environ 2000 vols, améliorant constamment la conception, qui ressemblait plus à un deltaplane qu'à un avion. Il mourut lors du vol suivant le 10 août 1896, devenant un pionnierl'aéronautique, et la première victime d'un accident d'avion. Soit dit en passant, l'inventeur allemand a personnellement remis l'un des planeurs à Nikolai Yegorovich Zhukovsky, un pionnier dans l'étude de l'aérodynamique des avions.
Joukovski ne s'est pas contenté d'expérimenter la conception d'avions. Contrairement à de nombreux passionnés de l'époque, il considère avant tout le comportement des courants d'air d'un point de vue scientifique. En 1904, il fonde le premier institut aérodynamique au monde à Cachino près de Moscou. Depuis 1918, il dirigeait le TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Premiers avions
L'aérodynamique est la science qui a permis à l'homme de conquérir le ciel. Sans l'étudier, il serait impossible de construire des avions qui se déplacent de manière stable dans les courants d'air. Le premier avion au sens habituel a été fabriqué et lancé dans les airs le 7 décembre 1903 par les frères Wright. Cependant, cet événement a été précédé d'un travail théorique minutieux. Les Américains ont consacré beaucoup de temps à déboguer la conception de la cellule dans une soufflerie de leur propre conception.
Lors des premiers vols, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta et Nikolai Zhukovsky ont avancé des théories expliquant la circulation des courants d'air qui créent la portance. Kutta et Zhukovsky ont continué à développer une théorie bidimensionnelle de l'aile. On attribue à Ludwig Prandtl le développement de la théorie mathématique des forces aérodynamiques et de portance subtiles, ainsi que le travail avec les couches limites.
Problèmes et solutions
L'importance de l'aérodynamique des avions augmentait à mesure que leur vitesse augmentait. Les concepteurs ont commencé à rencontrer des problèmes avec la compression de l'air à ou près de la vitesse du son. Les différences de débit dans ces conditions ont entraîné des problèmes de maniement des aéronefs, une traînée accrue due aux ondes de choc et la menace d'une défaillance structurelle due au flottement aéroélastique. Le rapport de la vitesse d'écoulement à la vitesse du son a été appelé le nombre de Mach d'après Ernst Mach, qui fut l'un des premiers à étudier les propriétés de l'écoulement supersonique.
William John McQuorn Rankine et Pierre Henri Gougoniot ont développé indépendamment la théorie des propriétés de l'écoulement de l'air avant et après une onde de choc, tandis que Jacob Akeret a effectué les premiers travaux sur le calcul de la portance et de la traînée des profils aérodynamiques supersoniques. Theodor von Karman et Hugh Latimer Dryden ont inventé le terme "transsonique" pour décrire les vitesses à la frontière de Mach 1 (965-1236 km/h), lorsque la résistance augmente rapidement. Le premier mur du son a été franchi en 1947 sur un avion Bell X-1.
Caractéristiques principales
Selon les lois de l'aérodynamique, pour assurer le vol dans l'atmosphère terrestre de tout appareil, il est important de savoir:
- Traînée aérodynamique (axe X) exercée par les courants d'air sur un objet. Sur la base de ce paramètre, la puissance de la centrale électrique est sélectionnée.
- Force de levage (axe Y), qui fournit une montée et permet à l'appareil de voler horizontalement jusqu'à la surface de la terre.
- Moments de forces aérodynamiques le long de trois axes de coordonnées agissant sur un objet volant. le plus importantest le moment de la force latérale le long de l'axe Z (Mz) dirigé à travers l'avion (conditionnellement le long de la ligne d'aile). Il détermine le degré de stabilité longitudinale (si l'appareil va "plonger" ou lever le nez en vol).
Classification
Les performances aérodynamiques sont classées en fonction des conditions et des propriétés du débit d'air, notamment la vitesse, la compressibilité et la viscosité. L'aérodynamique externe est l'étude de l'écoulement autour d'objets solides de formes variées. Les exemples évaluent la portance et les vibrations d'un avion, ainsi que les ondes de choc qui se forment devant le nez d'un missile.
L'aérodynamique interne est l'étude du flux d'air se déplaçant à travers des ouvertures (passages) dans des objets solides. Par exemple, il couvre l'étude des écoulements à travers un moteur à réaction.
Les performances aérodynamiques peuvent également être classées en fonction de la vitesse d'écoulement:
- Subsonic est appelé une vitesse inférieure à la vitesse du son.
- Transonic (transonic) - s'il y a des vitesses inférieures et supérieures à la vitesse du son.
- Supersonique - lorsque la vitesse d'écoulement est supérieure à la vitesse du son.
- Hypersonic - la vitesse d'écoulement est bien supérieure à la vitesse du son. Habituellement, cette définition signifie des vitesses avec des nombres de Mach supérieurs à 5.
Aérodynamique des hélicoptères
Si le principe du vol d'un avion est basé sur la force de portance lors d'un mouvement de translation exercé sur l'aile, alors l'hélicoptère, pour ainsi dire, crée de lui-même une portance due à la rotation des pales en mode de soufflage axial (c'est-à-dire sans vitesse de translation). Grâce àGrâce à cette fonctionnalité, l'hélicoptère est capable de planer dans les airs sur place et d'effectuer des manœuvres énergiques autour de l'axe.
Autres applications
Naturellement, l'aérodynamique ne s'applique pas qu'aux avions. La résistance de l'air est ressentie par tous les objets se déplaçant dans l'espace dans un milieu gazeux et liquide. On sait que les habitants aquatiques - poissons et mammifères - ont des formes profilées. Sur leur exemple, vous pouvez retracer l'aérodynamique en action. En se concentrant sur le monde animal, les gens font aussi du transport par eau pointu ou en forme de larme. Ceci s'applique aux navires, bateaux, sous-marins.
Les véhicules subissent une résistance à l'air importante: elle augmente à mesure que la vitesse augmente. Pour obtenir une meilleure aérodynamique, les voitures reçoivent une forme profilée. Cela est particulièrement vrai pour les voitures de sport.
