Aerodynamik - væskedynamik

Grundbeskrivelse

Aerodynamikken er den gren af fysikken, der omhandler luftarter (gasser) i bevægelse. Det er en underkategori af væskedynamikken, der omfatter alle former for gasser, flydende væsker, plasmaer og så videre.

Aerodynamik beskriver, hvordan luftarten bevæger sig og, hvordan den påvirker genstande, der bevæger sig i den. 

Når noget, for eksempel et fly eller køretøj, er designet således, at der er mindst mulig luftmodstand og turbulens, siges det, at det er aerodynamisk eller har aerodynamiske egenskaber.

Aerodynamik har haft stor indflydelse på mange ting i vores hverdag. Blandt andet danner det fundamentet for moderne fly, vindmøller og diverse boldes form i sportens verden. Rumfarten havde heller ikke været en mulighed uden kendskab aerodynamik. 

Uddybende beskrivelse

Før det 20. århundrede blev der ikke skelnet mellem hydro- og væskedynamik, hvilket kommer til udtryk i, at mange effekter, der hedder noget med hydrodynamik også gælder gasarter.

Aerodynamikken bygger ligesom væskedynamikken på den klassiske mekaniks basale bevarelseslove (massebevarelse, impulsbevarelse og energibevarelse) og behandler gasser, som om det er ét stort materiale i stedet for mange små enkelte molekyler, der støder sammen. Dermed kan man antage, at ændringer i massefylde, temperatur, tryk og hastighed sker gradvist (kontinuert) og så helt se bort fra de enkelte gasmolekylers tilstande. 

Det mest nærliggende eksempel på benyttet aerodynamik i hverdagen er naturligvis flyvning..

Aerodynamik og flyvning

Der er mange måder at forklare opdrift, når man taler om flyvning. Newtons indfaldsvinkel og trykforskel er 2 af dem. 

I Newtons version har vingen en vinkel i forhold til strømningsretningen, og luften tvinges derfor nedad, når den rammer vingens underside. Dermed skabes et tilsvarende løft opad i følge Newtons 3. lov.

Luftstrøm omkring en vinge. Det røde felt er højtrykket. Det orange felt er lavtrykket. Pilenes retning angiver løftretning. (Chano Birkelind)

Vælger man i stedet at se på trykforskellen, som følge af krumningen på de to sider af vingen, får man udtrykket

\[\frac{dp}{dR}=\rho\frac{v^{2}}{R}\]

Hvor p er trykket, R er radius af kurven, v hastigheden og \(\rho\) er luftens massefylde. \(\frac{dp}{dR}\) er ændringen i tryk, som kurven bliver mere og mere krum.

Det vil sige, at har man ingen krumning, vil R være uendelig stor, og der er ingen trykforskel, men er hastigheden høj, og har man en stor krumning, sådan at R er meget lille, stiger trykforskellen.

Logikken er, at ser man på en enkelt partikel, der følger en kurvet linie må noget gøre, at den skifter retning. Det eneste, der kan gøre det i dette tilfælde, er en centripetalkraft i form af trykforskelle. 

Bernoullis princip, som er baseret på energibevarelse og giver en simpel forklaring på trykforskellen, ved at tage enkelte strømningslinier og se bort fra friktion og ændringer i massefylde og temperatur.

Hvis den potentielle energi (beliggenhedsenergi) er konstant og den kinetiske energi (bevægelsesenergi) øges, må det være på bekostning af et tilsvarende fald i trykenergien, da den totale energi skal være uforandret

\[p_{1}+\frac{1}{2}\rho v_{1}^{2}+\rho g h=p_{2}+\frac{1}{2}\rho v_{2}^{2}+\rho g h\]

Hvor p er trykket, \(\rho\) er massefylden af luften, v er hastigheden, g tyngdeaccelerationen og h er højden. De tre led er hhv. trykenergi, kinetisk energi og potentiel energi på begge sider af lighedstegnet. 

For vingen betyder det, at der skabes et lavere tryk over den end under, og derfor får man en opdrift.

Magnus-effekten

Et andet interessant eksempel er Magnus-effekten, navngivet efter Gustav Magnus, der første gang undersøgte fænomenet. 

Kort sagt er Magnus-effekten grunden til, at man kan skrue en bold.

Ingen rotation. (Chano Birkelind)

Når en luftstrøm møder en bold (eller cylinder), vil strømmen først følge, og til sidst slippe overfladen og danne et undertryk i boldens kølvand.

Hvis bolden ikke roterer vil dette ske lige bag den i samme plan som bevægelsen, og bolden fortsætter ligeud.     

Med rotation. (Chano Birkelind)

Drejer bolden derimod, vil kølvandet følge med omdrejningsretningen. Det vil sige, at ser man nu på en bold, der roterer i urets retning, mens den bevæger sig fra højre mod venstre. 

Luften bliver "samlet op" under boldens ækvator og trukket over den øvre flade på grund af rotationsretningen, mens kølvandet bliver presset nedad bag bolden. Dermed opnås samme effekt, som med en vinge - Strømningslinien over bevæger sig hurtigere og har en mere krum kurve end under, og man får derfor skabt opdrift.

Fly konstrueret på basis af Magnus-effekten kaldes Flettner fly og har roterende cylindere i stedet for vinger. 

Chano Birkelind