Tutaj na Ziemi, mamy tendencję do przyjmowania oporu powietrza (aka. „opór”) za rzecz oczywistą. Po prostu zakładamy, że kiedy rzucamy piłką, startujemy samolotem, deorbitujemy statek kosmiczny lub wystrzeliwujemy pocisk z pistoletu, to podróż przez naszą atmosferę w naturalny sposób go spowolni. Ale jaka jest tego przyczyna? W jaki sposób powietrze jest w stanie spowolnić obiekt, niezależnie od tego, czy jest on w swobodnym spadku, czy w locie?

Ponieważ jesteśmy zależni od podróży lotniczych, naszego entuzjazmu dla eksploracji kosmosu i naszego zamiłowania do sportu i robienia rzeczy w powietrzu (w tym nas samych), zrozumienie oporu powietrza jest kluczem do zrozumienia fizyki i integralną częścią wielu dyscyplin naukowych. Jako część subdyscypliny znanej jako dynamika płynów, ma zastosowanie w dziedzinach aerodynamiki, hydrodynamiki, astrofizyki i fizyki jądrowej (by wymienić tylko kilka).

Definicja:

Z definicji, opór powietrza opisuje siły, które są przeciwne do względnego ruchu obiektu, gdy przechodzi on przez powietrze. Siły te działają przeciwnie do prędkości nadlatującego strumienia, spowalniając w ten sposób obiekt. W przeciwieństwie do innych sił oporu, opór zależy bezpośrednio od prędkości, ponieważ jest to składowa siły aerodynamicznej netto działająca przeciwnie do kierunku ruchu.

Innym sposobem ujęcia tego byłoby stwierdzenie, że opór powietrza jest wynikiem zderzeń powierzchni czołowej obiektu z cząsteczkami powietrza. Można więc powiedzieć, że dwa najczęstsze czynniki, które mają bezpośredni wpływ na wielkość oporu powietrza to prędkość obiektu i pole przekroju poprzecznego obiektu. Ergo, zarówno wzrost prędkości jak i powierzchni przekroju poprzecznego spowoduje wzrost oporu powietrza.

W zakresie aerodynamiki i lotu, opór odnosi się zarówno do sił działających przeciwnie do siły ciągu, jak i sił działających prostopadle do niej (tj. siły nośnej). W astrodynamice, opór atmosferyczny jest zarówno pozytywną jak i negatywną siłą, w zależności od sytuacji. Jest to zarówno spadek zużycia paliwa i wydajności podczas startu, jak i oszczędność paliwa, gdy statek kosmiczny wraca na Ziemię z orbity.

Obliczanie oporu powietrza:

Opór powietrza jest zwykle obliczany przy użyciu „równania oporu”, które określa siłę doświadczaną przez obiekt poruszający się przez płyn lub gaz ze stosunkowo dużą prędkością. Równanie to można wyrazić matematycznie jako:

W tym równaniu, FD reprezentuje siłę oporu, p jest gęstością płynu, v jest prędkością obiektu względem dźwięku, A jest polem przekroju poprzecznego, a CD jest współczynnikiem oporu. Wynikiem jest to, co nazywa się „oporem kwadratowym”. Po określeniu tego współczynnika, obliczenie ilości mocy potrzebnej do pokonania oporu wiąże się z podobnym procesem, który można wyrazić matematycznie jako:

Tutaj Pd jest mocą potrzebną do pokonania siły oporu, Fd to siła oporu, v to prędkość, p to gęstość płynu, v to prędkość obiektu względem dźwięku, A to pole przekroju poprzecznego, a Cd to współczynnik oporu. Jak widać, zapotrzebowanie na moc jest równe sześcianowi prędkości, więc jeśli potrzeba 10 koni mechanicznych, by jechać 80 km/h, potrzeba 80 koni mechanicznych, by jechać 160 km/h. W skrócie, podwojenie prędkości wymaga zastosowania ośmiokrotnie większej ilości mocy.

Typy oporu powietrza:

W aerodynamice występują trzy główne rodzaje oporu – indukowany przez siłę nośną, pasożytniczy i falowy. Każdy z nich wpływa na zdolność obiektu do utrzymania się w powietrzu, jak również na moc i paliwo potrzebne do utrzymania go tam. Opór indukowany przez siłę nośną (lub po prostu indukowany) występuje jako rezultat wytworzenia siły nośnej na trójwymiarowym korpusie nośnym (skrzydle lub kadłubie). Ma on dwa podstawowe składniki: opór wirowy i opór lepki wywołany przez siłę nośną.

Wiry powstają w wyniku turbulentnego mieszania się powietrza o różnym ciśnieniu na górnej i dolnej powierzchni korpusu. Są one potrzebne do wytworzenia siły nośnej. Wraz ze wzrostem siły nośnej, wzrasta również opór wywołany siłą nośną. Dla samolotu oznacza to, że wraz ze wzrostem kąta natarcia i współczynnika siły nośnej do punktu przeciągnięcia, wzrasta również opór wywołany siłą nośną.

Przykładowo, opór pasożytniczy jest spowodowany przemieszczaniem się obiektu stałego przez płyn. Ten rodzaj oporu składa się z wielu komponentów, które obejmują „opór kształtowy” i „opór tarcia o skórę”. W lotnictwie, opór indukowany ma tendencję do bycia większym przy niższych prędkościach, ponieważ wysoki kąt natarcia jest wymagany do utrzymania siły nośnej, więc wraz ze wzrostem prędkości ten opór staje się znacznie mniejszy, ale opór pasożytniczy wzrasta, ponieważ płyn przepływa szybciej wokół wystających obiektów zwiększając tarcie. Łączna krzywa ogólnego oporu jest minimalna przy niektórych prędkościach powietrza i będzie na lub blisko swojej optymalnej wydajności.

Opór falowy (opór ściśliwości) powstaje w wyniku obecności ciała poruszającego się z dużą prędkością w ściśliwym płynie. W aerodynamice, opór falowy składa się z wielu komponentów w zależności od reżimu prędkości lotu. W locie transonicznym – przy prędkościach Mach 0,5 lub większych, ale wciąż mniejszych niż Mach 1,0 (aka. prędkość dźwięku) – opór falowy jest wynikiem lokalnego przepływu naddźwiękowego.

Przepływ naddźwiękowy występuje na ciałach poruszających się znacznie poniżej prędkości dźwięku, ponieważ lokalna prędkość powietrza na ciele wzrasta, gdy przyspiesza ono nad ciałem. Krótko mówiąc, samoloty lecące z prędkościami transonicznymi często doświadczają oporu falowego. Opór ten wzrasta, gdy prędkość samolotu zbliża się do bariery dźwięku Mach 1.0, zanim stanie się on obiektem naddźwiękowym.

W locie naddźwiękowym opór falowy jest wynikiem ukośnych fal uderzeniowych powstających na wiodących i wleczonych krawędziach ciała. W silnie naddźwiękowych przepływach zamiast nich powstają fale dziobowe. Przy prędkościach naddźwiękowych, opór falowy jest powszechnie rozdzielany na dwa składniki, naddźwiękowy opór falowy zależny od siły nośnej oraz naddźwiękowy opór falowy zależny od objętości.

Zrozumienie roli tarcia powietrza w locie, znajomość jego mechaniki oraz wiedza o rodzajach mocy potrzebnej do jego pokonania, są kluczowe, jeśli chodzi o aeronautykę i eksplorację przestrzeni kosmicznej. Wiedza o tym wszystkim będzie również kluczowa, gdy przyjdzie czas na badanie innych planet w naszym Układzie Słonecznym, a także w innych układach gwiezdnych!

Napisaliśmy wiele artykułów o oporze powietrza i locie na Universe Today. Oto artykuł What Is Terminal Velocity?, How Do Planes Fly?, What is the Coefficient of Friction?, and What is the Force of Gravity?

Jeśli chciałbyś uzyskać więcej informacji na temat programów lotniczych NASA, sprawdź Przewodnik dla początkujących po aerodynamice, a tutaj link do Drag Equation.

Nagraliśmy również wiele powiązanych odcinków Astronomy Cast. Posłuchaj tutaj, Odcinek 102: Grawitacja.