Hier op aarde zijn we geneigd luchtweerstand (ook wel “luchtweerstand” genoemd) voor lief te nemen. Als we een bal gooien, een vliegtuig lanceren, een ruimteschip in een baan om de aarde brengen of een kogel uit een geweer afvuren, gaan we er gewoon van uit dat de beweging door onze atmosfeer de bal op natuurlijke wijze afremt. Maar wat is de reden hiervoor? Hoe kan lucht een voorwerp afremmen, of het nu in vrije val is of tijdens de vlucht?

Omdat wij afhankelijk zijn van het luchtverkeer, ons enthousiasme voor ruimteverkenning en onze liefde voor sport en het in de lucht brengen van dingen (inclusief onszelf), is het begrijpen van de luchtweerstand essentieel voor het begrijpen van de natuurkunde en een integraal onderdeel van veel wetenschappelijke disciplines. Het maakt deel uit van de subdiscipline vloeistofdynamica en is van toepassing op aerodynamica, hydrodynamica, astrofysica en kernfysica (om er maar een paar te noemen).

Definitie:

De luchtweerstand beschrijft per definitie de krachten die tegengesteld zijn aan de relatieve beweging van een voorwerp als het door de lucht beweegt. Deze weerstandskrachten werken tegengesteld aan de snelheid van de aankomende stroming, waardoor het voorwerp wordt afgeremd. In tegenstelling tot andere weerstandskrachten is de luchtweerstand direct afhankelijk van de snelheid, omdat het de component is van de netto aërodynamische kracht die tegengesteld werkt aan de richting van de beweging.

Een andere manier om het te zeggen zou zijn dat luchtweerstand het resultaat is van botsingen van het voorste oppervlak van het voorwerp met luchtmoleculen. Men kan dus stellen dat de twee meest voorkomende factoren die een direct effect op de hoeveelheid luchtweerstand hebben, de snelheid van het voorwerp en de dwarsdoorsnede van het voorwerp zijn. Ergo, zowel een toename van de snelheid als van de doorsnede zal resulteren in een toename van de luchtweerstand.

In termen van aerodynamica en vlucht verwijst luchtweerstand zowel naar de krachten die tegengesteld werken aan de stuwkracht, als naar de krachten die er loodrecht op werken (d.w.z. lift). In de astrodynamica is luchtweerstand zowel een positieve als een negatieve kracht, afhankelijk van de situatie. Het is zowel een aanslag op de brandstof en de efficiëntie tijdens het opstijgen als een brandstofbesparing wanneer een ruimteschip vanuit een baan om de aarde terugkeert.

Berekening van de luchtweerstand:

De luchtweerstand wordt gewoonlijk berekend met behulp van de “weerstandsvergelijking”, die de kracht bepaalt die een voorwerp ondervindt wanneer het zich met een relatief grote snelheid door een vloeistof of gas beweegt. Deze kan wiskundig worden uitgedrukt als:

In deze vergelijking staat FD voor de luchtweerstandskracht, p voor de dichtheid van de vloeistof, v voor de snelheid van het voorwerp ten opzichte van het geluid, A voor de oppervlakte van de dwarsdoorsnede en CD voor de luchtweerstandscoëfficiënt. Het resultaat is de zogenaamde “kwadratische weerstand”. Als dit eenmaal is bepaald, kan op soortgelijke wijze het vermogen worden berekend dat nodig is om de luchtweerstand te overwinnen, en dit vermogen kan wiskundig als volgt worden uitgedrukt

Hier is Pd het vermogen dat nodig is om de luchtweerstandskracht te overwinnen, Fd is de weerstandskracht, v is de snelheid, p is de dichtheid van de vloeistof, v is de snelheid van het voorwerp ten opzichte van het geluid, A is het oppervlak van de dwarsdoorsnede, en Cd is de weerstandscoëfficiënt. Zoals blijkt, is het benodigde vermogen de kubus van de snelheid, dus als er 10 paardenkrachten nodig zijn om 80 km/u te gaan, is er 80 paardenkracht nodig om 160 km/u te gaan. Kortom, voor een verdubbeling van de snelheid is acht keer zoveel vermogen nodig.

Typen luchtweerstand:

Er zijn drie hoofdtypen luchtweerstand in de aërodynamica – Lift Induced, Parasitic, en Wave. Elk beïnvloedt het vermogen van een object om in de lucht te blijven en het vermogen en de brandstof die nodig zijn om het daar te houden. Lift geïnduceerde (of gewoon geïnduceerde) weerstand ontstaat als gevolg van het creëren van lift op een driedimensionaal liftend lichaam (vleugel of romp).

De wervelingen ontstaan door turbulente menging van lucht met wisselende druk op het boven- en onderoppervlak van het lichaam. Deze zijn nodig om lift te creëren. Naarmate de lift toeneemt, neemt ook de door de lift veroorzaakte luchtweerstand toe. Voor een vliegtuig betekent dit dat naarmate de invalshoek en de liftcoëfficiënt toenemen tot het punt van overtrekken, ook de liftweerstand toeneemt.

Parasitaire weerstand daarentegen wordt veroorzaakt door de beweging van een vast voorwerp door een vloeistof. Dit type weerstand bestaat uit meerdere componenten, waaronder “vormweerstand” en “huidwrijvingsweerstand”. In de luchtvaart is de geïnduceerde weerstand meestal groter bij lagere snelheden omdat een grote invalshoek nodig is om lift te behouden. Naarmate de snelheid toeneemt, wordt deze weerstand veel minder, maar de parasitaire weerstand neemt toe omdat de vloeistof sneller rond uitstekende voorwerpen stroomt, waardoor de wrijving toeneemt. De gecombineerde totale weerstandscurve is minimaal bij sommige luchtsnelheden en zal op of dicht bij zijn optimale efficiëntie zijn.

Golfweerstand (compressibiliteitsweerstand) ontstaat door de aanwezigheid van een lichaam dat met hoge snelheid door een samendrukbare vloeistof beweegt. In de aërodynamica bestaat de golfweerstand uit meerdere componenten, afhankelijk van het snelheidsregime van de vlucht. In transonische vlucht – bij snelheden van Mach 0,5 of hoger, maar nog steeds minder dan Mach 1,0 (aka. geluidssnelheid) – is golfweerstand het resultaat van lokale supersonische stroming.

Supersonische stroming treedt op bij lichamen die ver onder de geluidssnelheid reizen, omdat de lokale snelheid van de lucht op een lichaam toeneemt wanneer het over het lichaam accelereert. Kortom, vliegtuigen die met transsone snelheden vliegen, ondervinden vaak golfweerstand als gevolg daarvan. Deze neemt toe naarmate de snelheid van het vliegtuig de geluidsbarrière van Mach 1.0 nadert, voordat het een supersonisch object wordt.

Bij supersonische vlucht is de golfweerstand het gevolg van schuine schokgolven die aan de voor- en achterkant van het lichaam worden gevormd. In sterk supersonische stromingen worden in plaats daarvan boeggolven gevormd. Bij supersonische snelheden wordt de golfweerstand gewoonlijk gescheiden in twee componenten: supersonische liftafhankelijke golfweerstand en supersonische volume-afhankelijke golfweerstand.

Inzicht in de rol die luchtwrijving speelt bij het vliegen, kennis van de mechanica ervan en van het soort vermogen dat nodig is om het te overwinnen, zijn allemaal van cruciaal belang als het gaat om ruimtevaart en ruimteverkenning. Deze kennis zal ook van cruciaal belang zijn bij het verkennen van andere planeten in ons zonnestelsel, en in andere sterrenstelsels!

We hebben veel artikelen over luchtweerstand en vliegen geschreven hier bij Universe Today. Hier is een artikel over Wat is de eindsnelheid, Hoe vliegen vliegtuigen, Wat is de wrijvingscoëfficiënt en Wat is de zwaartekracht

Als je meer informatie wilt over NASA’s vliegtuigprogramma’s, kijk dan eens naar de Beginnersgids Aerodynamica, en hier is een link naar de weerstandsvergelijking

We hebben ook veel afleveringen van Astronomy Cast opgenomen die hiermee te maken hebben. Luister hier naar Aflevering 102: Zwaartekracht.