Qui sulla Terra, tendiamo a dare per scontata la resistenza dell'aria (alias "trascinamento"). Supponiamo solo che quando lanciamo una palla, lanciamo un aereo, deorbitiamo un veicolo spaziale o spariamo un proiettile da una pistola, che l'atto di esso che viaggia attraverso la nostra atmosfera lo rallenterà naturalmente. Ma qual è la ragione di ciò? In che modo l'aria è in grado di rallentare un oggetto, sia in caduta libera che in volo?
A causa della nostra dipendenza dai viaggi aerei, del nostro entusiasmo per l'esplorazione dello spazio e del nostro amore per lo sport e per rendere le cose sospese nell'aria (incluso noi stessi), comprendere la resistenza aerea è la chiave per comprendere la fisica e parte integrante di molte discipline scientifiche. Come parte della sottodisciplina nota come fluidodinamica, si applica ai campi di aerodinamica, idrodinamica, astrofisica e fisica nucleare (solo per citarne alcuni).
Definizione:
Per definizione, la resistenza dell'aria descrive le forze che si oppongono al moto relativo di un oggetto mentre passa attraverso l'aria. Queste forze di resistenza agiscono in modo opposto alla velocità del flusso in arrivo, rallentando così l'oggetto. A differenza di altre forze di resistenza, la resistenza dipende direttamente dalla velocità, poiché è il componente della forza aerodinamica netta che agisce in senso opposto alla direzione del movimento.
Un altro modo per dirlo sarebbe dire che la resistenza dell'aria è il risultato di collisioni della superficie principale dell'oggetto con molecole d'aria. Si può quindi affermare che i due fattori più comuni che hanno un effetto diretto sulla quantità di resistenza dell'aria sono la velocità dell'oggetto e l'area della sezione trasversale dell'oggetto. Ergo, sia le velocità aumentate che le aree trasversali comporteranno un aumento della resistenza dell'aria.
In termini di aerodinamica e volo, la resistenza si riferisce sia alle forze che agiscono in senso opposto alla spinta, sia alle forze che lavorano perpendicolarmente ad essa (cioè al sollevamento). Nell'astrodinamica, la resistenza atmosferica è una forza sia positiva che negativa a seconda della situazione. È sia un consumo di carburante che efficienza durante il decollo e un risparmio di carburante quando un veicolo spaziale sta tornando sulla Terra dall'orbita.
Calcolo della resistenza dell'aria:
La resistenza dell'aria è di solito calcolata usando l '"equazione di resistenza", che determina la forza sperimentata da un oggetto che si muove attraverso un fluido o un gas a velocità relativamente elevata. Questo può essere espresso matematicamente come:
In questa equazione, FD rappresenta la forza di resistenza, p è la densità del fluido, v è la velocità dell'oggetto rispetto al suono, UN è l'area della sezione trasversale eCD è il coefficiente di resistenza. Il risultato è quello che viene chiamato "trascinamento quadratico". Una volta determinato questo, il calcolo della quantità di energia necessaria per superare la resistenza comporta un processo simile, che può essere espresso matematicamente come:
Qui, Pdè il potere necessario per superare la forza di resistenza, Fd è la forza di resistenza, v è la velocità, p è la densità del fluido, v è la velocità dell'oggetto rispetto al suono, UN è l'area della sezione trasversale eCD è il coefficiente di resistenza. Come mostra, i fabbisogni energetici sono il cubo della velocità, quindi se ci vogliono 10 cavalli per andare a 80 km / h, ci vorranno 80 cavalli per andare a 160 km / h. In breve, un raddoppio della velocità richiede un'applicazione di otto volte la quantità di potenza.
Tipi di resistenza dell'aria:
Esistono tre tipi principali di resistenza aerodinamica: Lift Induced, Parasitic e Wave. Ognuno influenza la capacità degli oggetti di rimanere in alto, nonché la potenza e il combustibile necessari per tenerlo lì. La resistenza indotta da sollevamento (o semplicemente indotta) si verifica come risultato della creazione di sollevamento su un corpo di sollevamento tridimensionale (ala o fusoliera). Ha due componenti principali: resistenza a vortice e resistenza viscosa indotta da sollevamento.
I vortici derivano dalla miscelazione turbolenta dell'aria di pressione variabile sulla superficie superiore e inferiore del corpo. Questi sono necessari per creare ascensore. All'aumentare dell'ascensore, aumenta anche la resistenza indotta dall'ascensore. Per un aereo ciò significa che quando l'angolo di attacco e il coefficiente di portanza aumentano fino al punto di stallo, aumenta anche la resistenza indotta dalla portanza.
Al contrario, la resistenza parassita è causata dallo spostamento di un oggetto solido attraverso un fluido. Questo tipo di trascinamento è costituito da più componenti, che comprende "trascinamento della forma" e "trascinamento della frizione della pelle". In aviazione, la resistenza indotta tende ad essere maggiore alle velocità più basse perché per mantenere il sollevamento è necessario un angolo di attacco elevato, quindi all'aumentare della velocità questa resistenza diventa molto meno, ma la resistenza parassita aumenta perché il fluido scorre più velocemente intorno agli oggetti sporgenti aumentando l'attrito. La curva di resistenza complessiva combinata è minima ad alcune velocità e sarà pari o vicina alla sua efficienza ottimale.
Il trascinamento dell'onda (trascinamento della compressibilità) è creato dalla presenza di un corpo che si muove ad alta velocità attraverso un fluido comprimibile. In aerodinamica, la resistenza d'onda è composta da più componenti a seconda del regime di velocità del volo. Nel volo transonico - a velocità di Mach 0,5 o superiore, ma comunque inferiore a Mach 1.0 (ovvero velocità del suono) - il trascinamento dell'onda è il risultato del flusso supersonico locale.
Il flusso supersonico si verifica su corpi che viaggiano molto al di sotto della velocità del suono, poiché la velocità locale dell'aria su un corpo aumenta quando accelera sul corpo. In breve, gli aeromobili che volano a velocità transonica spesso subiscono una resistenza all'onda. Ciò aumenta quando la velocità del velivolo si avvicina alla barriera del suono di Mach 1.0, prima di diventare un oggetto supersonico.
Nel volo supersonico, il trascinamento delle onde è il risultato di onde d'urto oblique formate sui bordi anteriore e posteriore del corpo. In flussi altamente supersonici si formeranno invece onde d'arco. A velocità supersoniche, la resistenza d'onda è comunemente separata in due componenti, la resistenza d'onda supersonica dipendente dall'ascensore e la resistenza d'onda supersonica dipendente dal volume.
Comprendere il ruolo degli attriti aerei nel volo, conoscerne la meccanica e conoscere i tipi di potere necessari per superarlo, sono tutti cruciali quando si tratta di esplorazione aerospaziale e spaziale. Conoscere tutto questo sarà fondamentale anche quando arriva il momento di esplorare altri pianeti nel nostro Sistema Solare e in tutti gli altri sistemi stellari!
Abbiamo scritto molti articoli sulla resistenza all'aria e sul volo qui su Space Magazine. Ecco un articolo su What is Terminal Velocity ?, How Do Planes Fly ?, Qual è il coefficiente di attrito ?, e cos'è la forza di gravità?
Se desideri maggiori informazioni sui programmi aeronautici della NASA, consulta la Guida per l'aerodinamica per principianti, ed ecco un link all'equazione di resistenza.
Abbiamo anche registrato molti episodi correlati di Astronomy Cast. Ascolta qui, Episodio 102: Gravity.
