آئرودینامیک

آئرودینامیک بخشی از فیزیک است که به بررسی مکانیک اجسام متحرک در گازها اختصاص دارد. و در آن بویژه به نیروهای وارد بر اجسامی که در هوا در حرکتند توجه می‌شود. آزمایش نشان می‌دهد که نیروی وارد بر جسم متحرک در هوا بستگی به شکل جسم و سرعت آن دارد. یکی از این نیروها ، نیروی رو به بالایی است که آن را بالابر آئرودینامیکی می‌نامند. همچنین نیرویی هم از جهت مخالف حرکت بر جسم وارد می‌شود که آن را مقاومت یا پس کششی آئرودینامیکی می‌نامند.
● مهندسی آئرودینامیک
رشته مهندسی آئرودینامیک رشته‌ای است که در آن اجسام ، با استفاده از اصول شناخته شده آئرودینامیک ، به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شوند که به هنگام حرکت در هوا اثرات آئردینامیکی وارد بر آنها بهینه شود. برای مثال هواپیماها ، اتومبیلها و کامیونها و انواع پرتابه‌ها را بر اساس اصول آئرودینامیک طراحی می‌کنند. در هر یک از این موارد لازم است که مقاومت آئردینامیکی وارد بر جسم به هنگام حرکت در هوا به کمترین مقدار برسد. این نوع طراحی را مقاومت - کاهی می‌نامند. زیرا این طراحی عبور هوا را در اطراف جسم تسهیل می‌کند و نیروی مقاومت وارد بر جسم را به حداقل می‌رساند
● دو مثال عملی برای آئرودینامیک
آهنگ مصرف انرژی در اتومبیل استانداردی که با سرعت حدود ۶۵ km/h حرکت می‌کند، در حدود ۷۲w است. تقریبا ۴.۶w از این انرژی صرف غلبه بر مقاومت آئرودینامیکی یا مقاومت هوا می‌شود. مطالعات تجربی نشان می‌دهد که توان لازم برای اینکه اتومبیلی بتواند بر مقاومت هوا غلبه کند تقریبا به نسبت مکعب سرعت آن افزایش می‌یابد. بنابراین توان لازم برای غلبه بر مقاومت هوا برای اتومبیلی که با سرعت۱۳۰ km/h در حرکت است، هشت برابر توان لازم برای اتومبیلی است که با سرعت ۶۵ km/h حرکت می‌کند
در دوره بحران انرژی در دهه ۱۹۷۰ مقاومت - کاهی در کامیونهای باربری اثرات مقاومت هوا را بین ۱۰ تا ۲۰ درصد کاهش داد. و کاستن حداکثر سرعت مجاز از ۱۲۰ km/h به ۹۰ km/h این اثرات را تا حدود ۲۲۰ درصد کاهش داد. اینها دو نمونه عملی از تحلیل آئرودینامیکی هستند که در مسائل واقعی بکار رفته‌اند.
● اساس آئرودینامیک
یکی از مفیدترین تحلیلهای آئرودینامیکی ، بررسی حرکت گوی کروی در هواست. حرکت کره‌ای با سقوط آزاد در هوا را با استفاده از رابطه‌ای پس کششی (یا مقاومتی) که به قانون استوکس مشهور است، می‌توان بررسی کرد. این قانون به صورت۶&#۹۶۰;&#۹۵۱;rv = نیروی پس کششینوشته می‌شود که در آن &#۹۵۱; ضریب چسبندگی هوا ، r شعاع کره ، v سرعت کره است. این نیروی مقاومت در خلاف جهت نیروی ناشی از گرانی (یا وزن) بر جسم وارد می‌شود.
سرعت سقوط کره تا آنجا افزایش می‌یابد که بزرگی نیروی مقاومتی با وزن جسم برابر می‌شود mg = ۶&#۹۶۰;&#۹۵۱;rv. سرعتی که از معادله بدست می‌آید، v=mg/۶&#۹۶۰;&#۹۵۱;r ، چون تا پایان حرکت ثابت می‌ماند سرعت حد می‌گویند. همین نوع تحلیل را می‌توان برای شکلی از جسم که در هوا سقوط آزاد می‌کند بکار برد، اما ضریب شکل جسم و نحوه وابستگی به سرعت را باید از طریق آزمایش بدست آورد.
● بررسی حالات فیزیکی اجسام در آئرودینامیک (مسیر حرکت در حرکت جسم کروی در هوا )
در وضعیت حرکت توپهای بیسبال ، تنیس ، گلف ، بستکبال ، وزنه برداری پرتاب شده در پرتاب وزنه را می‌توان بر اساس سیر حرکت کره‌ای که در هوا پرتاب شده است بررسی کرد. در تمام این موارد نیروی مقاومت کند کننده وارد بر توپ متحرک با مربع سرعت کره در هوا متناسب است. به همین ترتیب نیروی مقاومت وارد بر دونده‌ای که با سرعت V در جهت مخالف با بادی که با سرعتV می‌وزد در حرکت است متناسب خواهد بود. با (V+v)۲پرش طول در پرش طول نیروی مقاومتی حرکت ورزشکار را پیش از جدا شدن از زمین کند می‌کند و همچنین سرعت پرش وی را در هوا کاهش می‌دهد. در این تحلیل ، چگالی هوا نیز نقش دارد. برای مثال در بازیهای المپیک شهر مکزیک ، برای پرش رکوردهایی کسب شد که می‌توان کاهش چگالی هوا را که ناشی از ارتفاع زیاد محل مسابقات بود در آنها موثر دانست.
● اثر حفاظتی
می‌توان نشان داد که اثر حفاظتی دویدن پشت سر دونده‌ای دیگر می‌تواند مقاومت وارد بر دونده پشت سری را به مقدار ۱/۲ تا ۱/۵ نیروی مقاومت وارد بر دونده جلویی کاهش بدهد. این مطلب ، مبنای فیزیکی روشهای دوندگان با تجزیه رمی است که "زیر سایه رقیب" حرکت می‌کنند. همین اصل را در مورد دوچرخه سواری نیز می‌توان بکار برد که نتیجه موثرتری دارد. زیرا سرعتهای دوچرخه سواری بیش از دو برابر سرعتهای دویدن هستند. اثر حفاظتی برای دوچرخه سواران نشان می‌دهد که نیروی مقاومت وارد بر دوچرخه سوار جلویی هشت برابر نیروی مقاومت وارد بر دونده عقبی است. به این ترتیب نیروی مقاومت وارد بر دوچرخه عقبی دست کم به ۱/۳ کاهش خواهد یافت.
منبع: ستارگان کویر یزد