Аэродинамика (от — воздух и — сила) — раздел механики сплошных сред, в котором целью исследований является изучение закономерностей движения воздушных потоков и их взаимодействия с препятствиями и движущимися телами. Более общим разделом механики является газовая динамика, в которой изучаются потоки различных газов. Традиционно к газовой динамике относят по сути задачи аэродинамики при движении тел со скоростями, близкие или превышающие скорость звука в воздухе. При этом важно учитывать сжимаемость воздуха.
Общая характеристика Исследования в аэродинамике связанные с определением таких характеристик потоков как скорость частиц среды, плотности, давления, температуры как функции пространства и времени. После их определения в каждой конкретной ситуации становится возможным вычисление сил и моментов сил, действующих на тело в потоке. Как научная дисциплина аэродинамика пользуется базой для решения широкого круга прикладных задач. Перечень практических проблем, при решении которых возникают и решаются конкретные задачи аэродинамики, достаточно длинный и включает не только проблемы авиации, но и проблемы ракетостроения, наземного и морского транспорта, метеорологии, экологии, сельского хозяйства, градостроительства и другие. Для получения ответа на вопрос в аэродинамике используются экспериментальные и теоретические методы. Особое значение в современных условиях приобретают методы компьютерной аэродинамики. Среди многих вопросов, на которые современная аэродинамика даёт содержательные ответы, познавательные и наиболее интересные, по выражению выдающегося учёного Т. КарманаТеодор фон Карман, Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии. — Москва-Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — 208 с. ISBN 5-93972-094-3 это вопросы «Почему мы можем летать»? и «Как мы можем летать»? Существует много вопросов, на которые современная аэродинамика пытается ответить и при обсуждении этих вопросов формируется ряд важных проблем современного естествознания. Сейчас считается, что аэродинамика в своём развитии вступила в компьютерную эпоху. У исследователей появились достаточно мощные средства для получения количественных оценок характеристик течений в рамках выбранной математической модели. Однако огромный объём информации, который приобретается методами компьютерной динамики жидкостей и газов, для своего анализа и понимания требует от исследователя глубокого понимания физики процессов, глубинных причинно-следственных связей. Именно это обстоятельство сделало возможным появление достаточно детальных исследований содержания понятий, которые, казалось, является давно устоявшимся. Интересные новые результаты по анализу основ аэродинамики представлен вMcLean D. Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics. — Wiley,2012. — 576 p. ISBN 978-1-119-96751-4.
В обществе существует большой интерес, как к определённым фундаментальных проблем аэродинамики, так и широкому кругу примеров практического применения знаний в области аэродинамики. Большой набор предметных вопросов с ответами в стиле популяризации науки представлены на сайте Национального космического агентства СШАAerodynamics Index на сайте NASA..
Исторический очерк Размышления человека над аэродинамическими по сути проблемами, вероятно, имели место в далёкие доисторические времена. Всё начиналось с естественного желания древнего человека повторить полёт птицы в воздухе.
Некоторые представления о общих принципах аэродинамики были известны ещё в Древнем Египте - в 1898 году была обнаружена деревянная фигурка (изначально принятая за стилизованную статуэтку птицы, но после детального исследования каирский учёный Халил Мессих установил, что изделие представляет собой модель планера, вертикальная деталь в тыльной части корпуса которой выполняла функции руля - в ходе испытаний точная копия изделия обеспечивала возможность планирования)Загадки, проекты, открытия // журнал "Вокруг света", № 12, 1972. стр.51.
Об этом же свидетельствует и широко известный древнегреческий миф о Дедале и Икаре. Но первые шаги, которые начали движение к современной научной аэродинамике, были сделаны лишь в эллинистический период развития древнегреческой культуры. Аристотель первым понял, что воздух имеет вес. Вместе с достижениями Архимеда в понимании сущности плавания тел, это сформировало основы для постановки и решения проблемы полёта объектов тяжелее воздуха.
Значительные дальнейшие шаги в развитии аэродинамики связаны с деятельностью Леонардо да Винчи. Он понял, что именно движение крыла относительно воздуха является причиной возникновения подъёмной силы. Он предложил несколько проектов орнитоптеров, устройств, которые умели копировать поведение крыльев птиц под действием мускульной силы человека. Ни один из этих проектов не был реализован. Среди других его разработок были проекты парашюта и вертолёта. При анализе явления возникновения аэродинамического сопротивления им была введена концепция хорошо обтекаемого тела. Первый в истории полёт человека в воздухе был осуществлён в 1783 году Братьями Монгольфье на воздушном шаре, наполненном горячим воздухом. В это время уже было накоплено достаточно глубокие знания о закономерностях взаимодействия потока с твёрдыми телами, которые существенно продвигали человечество к созданию летательного аппарата, тяжелее воздуха. Среди достижений фундаментальной аэродинамики была установленная Галилеем пропорциональность между аэродинамическим сопротивлением и плотностью воздуха (1600 г.). Французский учёный Эдм Мариот установил пропорциональность аэродинамического сопротивления квадрату скорости движения тела (1673 г.).
Значительное влияние на развитие аэродинамики имела работа И. Ньютона по определению силы, действующей на тела различной формы со стороны набегающего потока. Достаточно сложная, с точки зрения современных представлений о структуре обтекая потока, задача была легко решена Ньютоном на основе достаточно специфической гипотезы о взаимодействии частиц воздуха с обтекаемой поверхностью. Использование этой гипотезы для плоской пластинки даёт следующую формулу для величины силы: , где — плотность воздуха, — площадь пластинки, -скорость набегающего потока, — угол наклона пластинки к направлению потока. Сила направлена перпендикулярно к пластинке. Эта формула известна как закон квадрата синуса.
Пропорциональность квадрату синуса величины подъёмной силы (составляющая силы , перпендикулярная направлению потока) указывала на практическую невозможность создания самолёта. Из неё вытекала очень завышенная оценка площади крыла и, соответственно, веса летательного аппарата. Экспериментальные исследования не подтвердили формулу Ньютона, однако его авторитет был настолько высок, что на её критику мало кто решался. Как указано в, многие авторы считали, что ошибочность формулы Ньютона задержала развитие авиации на многие годы. Однако это не совсем так. Не менее важным сдерживающим фактором в развитии авиации было отсутствие эффективного двигателя. В конце концов в начале двадцатого века (1903 год) в воздух поднялся самолёт братьев Райт и развитие авиации пошло «семимильными шагами». Рассказ об истории создания самолёта братьями Райт представлен в фильме https://www.youtube.com/watch?v=uB-swWvAUZI. Созданию самолёта и осуществлению первого полёта предшествовал большой объём экспериментальных исследований. Существует многочисленная литература (скорее пропагандистского характера) в которой отстаивается приоритет первого полёта самолёта А. Ф. Можайского. Однако, серьёзные исследования, в том числе выполненные в ЦАГИ им. М. Е. Жуковского не дают оснований доверять показаниям подобранных журналистами свидетелейКривоносов Ю. И. Паортийное дело о портрете и приоритете: как власти придержащие заставляли «летать» самолёт А. Ф. Можайского. В кн. Легенды и мифы отечественной авиации. — Москва, Фонд содействия авиации «Русские витязи», 2009. — С.7-32.. История развития аэродинамики, как научной основы технических решений, и авиации богата большим количеством драматических событий, включая борьбу за приоритеты. Детальный анализ этой истории можно найти вAnderson J. D. A History of Aerodynamics, Cambridge University Press, 1997. — 479 p. ISBN 0-521-66955-3. Содержательный, но сокращённый исторический очерк о развитии исследований в области механики жидкости и газа представлен в популярном учебникеЛойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.-Л., Гостехиздат, 1950. — 676 с.. Содержательный, с большим количеством интересных фактов, очерк истории воздухоплавания представлен в книге известного украинского планериста Виктора ГончаренкоВ. В. Гончаренко Как люди научились летать.—Киев: Весёлка, 1986.—335 с..
Фундаментальные концепции аэродинамики Понимание закономерностей обтекания тела потоком формируется на установлении связей между силами и моментами, действующие на тело с формой самого тела, его ориентацией относительно набегающего потока и свойствами возмущённого потока (распределение в пространстве и изменения во времени скоростей, давления, плотности, температуры).
На рисунке приведены только главные векторы сил, действующих на тело в потоке. Здесь показаны четыре силы: сила тяги, генерируемой двигателем, сила сопротивления со стороны воздуха, подъёмная сила и сила тяжести. Следует иметь в виду, что для летательных аппаратов линии действия указанных четырёх сил не пересекаются в одной точке. Поэтому при анализе аэродинамики конкретных конструкций большое значение имеют величины моментов сил, которые исчисляются, например, относительно центра масс летательного аппарата. Для оценки свойств движения, а особенно для эффективного управления движением, следует принимать во внимание фактическое распределение давления по поверхности тела. При решении задачи по определению указанных характеристик физических полей гипотетически можно надеяться на использование экспериментальной техники. Именно такой путь использован братьями Райт при создании первого самолёта. Отсутствие глубокого понимания закономерностей аэродинамики они компенсировали большим объёмом выполненных экспериментов.
Однако, как показал исторический опыт, значительно быстрее и эффективнее необходимые знания формируются на основе результатов математического моделирования с использованием соответствующих моделей воздушной среды. Практически используются различные модели в зависимости от условий обтекания. В основе практически всех моделей лежит предположение о возможности замены реальной среды определённым континуумом, то есть сплошной средой. Такая замена с большим успехом используется во многих разделах физики. Оценка методической эффективности гипотезы сплошной среды данная Л. И. МандельштамомМандельштам Л. И. Лекции по теории колебаний. — М.: Наука, 1972. — 470 с.. Излагая результат Дебая по оценке теплоёмкости кристалла, полученный с использованием модели сплошной среды он заметил «Он (Дебай) сделал явно неверную, но гениальную вещь.» (Лекция 29).
Что касается объектов, обтекаемых потоком воздуха, то в подавляющем большинстве случаев они рассматриваются как абсолютно твёрдые тела, не деформируемые под действием аэродинамических сил. Однако случаи, когда следует учитывать деформации тел под воздействием аэродинамических сил достаточно важны. Здесь следует указать не только на очевидный факт колебания полотнища флага под действием ветра. Гораздо важнее явление флаттера, с которым связано возникновение очень опасных колебаний крыла самолёта при определённых скоростях полёта. Гипотеза о недеформируемости поверхности обтекаемого тела даёт возможность чётко записать условия на его поверхности при математическом моделировании в задачах аэродинамики.