Història de l'aerodinàmica

Pòster del Ministeri de Producció Aeronàutica anglés sobre aerodinàmica.

l'aerodinàmica és una branca de la dinàmica que s'ocupa de l'estudi del moviment del aire. És un subcampo de la dinàmica de decorreguts i la dinàmica de gasos, i el terme «aerodinàmica» s'utilisa a sovint per a referir-se a la dinàmica de decorreguts.

Els primers registres de conceptes aerodinàmics fonamentals es remonten als treballs d'Aristóteles i Arquímedes en els sigles II i III, pero els esforços per desenrollar una teoria quantitativa del fluix d'aire no varen començar fins a el XVIII. En 1726, Isaac Newton es va convertir en un dels primers aerodinàmics en el sentit modern quan va desenrollar una teoria de la resistència de l'aire que més vesprada es va verificar per a velocitats de fluix baixes. Els investigadors varen portar a terme experiments de resistència de l'aire a lo llarc dels sigles XVIII i XIX, en l'ajuda de la construcció del primer túnel de vent en 1871. En la seua publicació de 1738 Hydrodynamica, Daniel Bernoulli va descriure una relació fonamental entre la pressió, la velocitat i la densitat, ara denominada principi de Bernoulli, que proporciona un método per a explicar el sustentació.

Els treballs aerodinàmics a lo llarc de el XIX buscaven conseguir el vol més pesat que l'aire. George Cayley va desenrollar el concepte de l'aeronau moderna d'ala fixa en 1799 i, en fer-ho, va identificar les quatre forces fonamentals del vol: sustentació, espente, arrastre, i pes. El desenroll de prediccions raonables de l'espente necessari per a propulsar el vol, junt en el desenroll de perfils aerodinàmics d'alta sustentació i baixa resistència, va aplanar el camí per al primer vol propulsado. El 17 de decembre de 1903, els Wilbur i Orville Wright varen volar en la primera aeronau propulsada en èxit. El vol, i la publicitat que va rebre, va donar lloc a una colaboració més organisada entre aviadors i aerodinàmics, obrint el camí a l'aerodinàmica moderna.

Els alvanços teòrics en aerodinàmica es varen realisar en paralel als alvanços pràctics. Es va descobrir que la relació descrita per Bernoulli solament era vàlida per al fluix incompresible i inviscido. En 1757, Leonhard Euler va publicar les equacions de Euler, estenent el principi de Bernoulli al règim de fluix compresible. A principis de el XIX, el desenroll de les equacions de Navier-Stokes va ampliar les equacions de Euler per a tindre en conte els efectes de la viscosidad. Durant l'época dels primers vols, varis investigadors varen desenrollar teories independents que relacionaven la circulació en la sustentació. Ludwig Prandtl va ser un dels primers en investigar les capes llímit durant esta época.

De l'Antiguetat a el XIX

Un dibuix d'un disseny per a una màquina voladora de Leonardo dona Vinci (c. 1488). Esta màquina era un ornitóptero, en ales batientes similars a les d'un pardal, presentat per primera volta en el seu Còdex del vol de les aus en 1505.

Fonaments teòrics

Encara que la teoria moderna de la ciència aerodinàmica no va sorgir fins a el XVIII, els seus fonaments varen començar a sorgir en l'antiguetat. L'aerodinàmica fonamental supost de continuïtat té el seu orige en el Tractat sobre el cel d'Aristóteles, encara que Arquímedes, que va treballar en el III, va ser la primera persona en afirmar formalment que un decorregut podia tractar-se com un continu. Arquímedes també va introduir el concepte de que el fluix d'un decorregut estava impulsat per un gradient de pressió dins del decorregut. Esta idea resultaria més vesprada fonamental per a la comprensió del fluix de decorreguts.

En 1687, els Principia de Newton varen presentar les lleis del moviment de Newton, el primer enfocament teòric complet per a comprendre els fenomens mecànics. En particular, la segona llei de Newton, una afirmació de la conservació del moment, és un dels tres principis físics fonamentals utilisats per a obtindre les equacions de Euler i les equacions de Navier-Stokes.

En 1738, el matemàtic danés-suís Daniel Bernoulli va publicar Hydrodynamica, en el que descrivia la relació fonamental entre pressió i velocitat, coneguda hui en dia com principi de Bernoulli. Açò establix que la pressió d'un decorregut que fluïx disminuïx a mida que aumenta la seua velocitat i, com a tal, va anar un alvanç primerenc significatiu en la teoria de la dinàmica de decorreguts, i es va quantificar per primera volta en una equació derivada per Leonhard Euler Esta expressió, a sovint cridada equació de Bernoulli, relaciona la pressió, la densitat i la velocitat en dos punts a lo llarc d'una llínea de corrent dins d'un decorregut en moviment de la següent manera:

$\frac{v_1^2}{2}+\frac{p_1}{\rho }=\frac{v_2^2}{2}+\frac{p_2}{\rho }$

L'equació de Bernoulli ignora la compresibilidad del decorregut, aixina com els efectes de la gravetat i les forces viscoses sobre el fluix. Leonhard Euler publicaria les equacions de Euler en 1757, que són vàlides tant per a fluix compresibles com incompresibles. Les equacions de Euler es varen ampliar per a incorporar els efectes de la viscosidad en la primera mitat de el XIX, lo que va donar lloc a les Equacions de Navier-Stokes

Estudis de la resistència de l'aire

Un dibuix d'un planejador de Sir George Cayley, un dels primers intents de crear una forma aerodinàmica

L'efecte retardador de l'aire sobre un objecte en moviment va ser un dels primers fenomens aerodinàmics que es varen explorar. Aristóteles va escriure sobre la resistència de l'aire en el IV, pero caria dels coneiximents necessaris per a quantificar la resistència que va observar. De fet, Aristóteles va sugerir paradòxicament que el moviment de l'aire al voltant d'una llança llançada resistia el seu moviment i ho impulsava cap a avant. En el XV, Leonardo dona Vinci va publicar el Codex Leicester, en el que rebujava la teoria d'Aristóteles i intentava demostrar que l'únic efecte de l'aire sobre un objecte llançat era resistir el seu moviment, i que la resistència de l'aire era proporcional a la velocitat de fluix, una conclusió falsa que va ser recolzada per les observacions de Galileo en el XVII sobre la disminució del moviment pendular. Ademés del seu treball sobre la resistència, dona Vinci va ser la primera persona en registrar una série d'idees aerodinàmiques, entre les que s'inclouen la descripció correcta de la circulació de vórtices i el principi de continuïtat aplicat al fluix en canals.

La verdadera dependència quadràtica de la resistència a la velocitat va ser demostrada experimentalment de forma independent per Edme Mariotte i Christiaan Huygens, abdós membres de l'Acadèmia de Ciències de París, a finals de el XVII. Sir Isaac Newton es va convertir més vesprada en la primera persona en derivar teòricament esta dependència quadràtica de la resistència de l'aire a principis de el XVIII, lo que ho va convertir en un dels primers aerodinàmics teòrics. Newton va afirmar que la resistència era proporcional a les dimensions d'un cos, la densitat del decorregut i el quadrat de la velocitat de l'aire, una relació que es va demostrar correcta per a velocitats de fluix baixes, pero que entrava en conflicte directe en les troballes anteriors de Galileo. La discrepància entre el treball de Newton, Mariotte i Huygens, i el treball anterior de Galileo no es va resoldre fins als alvanços en la teoria del fluix viscós en el XX.

Newton també va desenrollar una llei per a la força d'arrastre en una placa plana inclinada cap a la direcció del fluix de decorregut. Usant «F» per a la força d'arrastre, «ρ» per a la densitat, «S» per a l'àrea de la placa plana, «V» per a la velocitat de fluix i «θ» per a l'àngul d'atac, la seua llei es va expressar com:

$F=\rho S{V}^2{\sin }^2(\theta )$

Esta equació sobrestima la resistència en la majoria dels casos i es va utilisar a sovint en el XIX per a argumentar l'impossibilitat del vol humà. A ànguls d'inclinament baixos, la resistència depén linealment del sen de l'àngul, no cuadráticament. No obstant, la llei de resistència de la placa plana de Newton oferix prediccions raonables de la resistència per a fluix supersònics o plaques molt primes en ànguls d'inclinament grans que conduïxen a la separació del fluix. ref>von Karman, Theodore (2004). Dover Publications (ed.). Aerodynamics: Temes seleccionats a la llum del seu desenroll històric. OCLC 53900531. ISBN 0-486-43485-0.</ref>

Els investigadors varen portar a terme experiments de resistència de l'aire a lo llarc dels sigles XVIII i XIX. Les teories de resistència varen ser desenrollades per Jean li Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, i Lord Rayleigh. Les equacions per al fluix de decorreguts en fricció varen ser desenrollades per Claude-Louis Navier i George Gabriel Stokes. Per a simular el fluix de decorreguts, molts experiments consistien en sumergir objectes en corrents d'aigua o simplement deixar-los caure des de lo alt d'un edifici alt. Cap al final d'este periodo, Gustave Eiffel va utilisar el seu Torre Eiffel per a ajudar en les proves de caiguda de plaques planes.

Una forma més precisa de medir la resistència és colocar un objecte dins d'una corrent d'aire artificial i uniforme la velocitat del qual es conega. La primera persona en experimentar d'esta manera va ser Francis Herbert Wenham, qui en fer-ho va construir el primer túnel de vent en 1871. Wenham també va ser membre de la primera organisació professional dedicada a l'aeronàutica, la Royal Aeronautical Society del Regne Unit. Els objectes colocats en els models de túnels de vent són casi sempre més menuts que en la pràctica, per lo que es necessitava un método per a relacionar els models a chicoteta escala en els seus homòlecs en la vida real. Açò es va conseguir en l'invenció del número de Reynolds adimensional per part d'Osborne Reynolds. Reynolds també va experimentar en la transició de fluix laminar a fluix turbulento en 1883.

Archiu:A-174Wind Tunnel.jpg

Una rèplica del túnel de vent dels germans Wright s'exhibix en el Centre Espacial i Aéreu de Virginia. Els túnels de vent varen ser clau en el desenroll i validació de les lleis de l'aerodinàmica.

Alvanços en l'aviació

Es considera que Sir George Cayley va ser la primera persona en identificar les quatre forces aerodinàmiques del vol —pes, sustentació, resistència de l'aire i Espente— des d'a lo manco 1796, quan va construir un model d'helicòpter, fins a la seua mort en 1857, a Sir George Cayley se li atribuïx el mèrit de ser la primera persona en identificar les quatre forces aerodinàmiques del vol (pes, sustentació, resistència i espente) i les relacions entre elles. A Leonardo dona Vinci també se li atribuïx el mèrit de ser la primera persona en desenrollar el concepte modern d'avió d'ala fixa; encara que les notes de dona Vinci contenen dibuixos i descripcions d'una màquina de vol més pesada que l'aire d'ala fixa, les notes de dona Vinci varen quedar desorganisades i disperses despuix de la seua mort, i els seus guanys en aerodinàmica no es redescubrieron fins al cap de que la tecnologia haguera progressat molt més allà dels alvanços de dona Vinci.

A finals de el XIX, es varen identificar dos problemes ans que es poguera realisar el vol més pesat que l'aire. El primer va ser la creació d'ales aerodinàmiques d'alta sustentació i baixa resistència. El segon problema va ser cóm determinar la potència necessària per a un vol sostingut. Durant este temps, es varen assentar les bases de la dinàmica de decorreguts i l'aerodinàmica modernes, i atres entusiasta menys inclinats a la ciència varen provar vàries màquines voladoras en poc èxit.

En 1884, John J. Montgomery, un nortamericà format en física, va començar a experimentar en dissenys de planejadors. Utilisant una taula d'aigua en aigua circulant i una cambra de fum, va començar a aplicar la física de la dinàmica de decorreguts per a descriure els moviments del fluix sobre superfícies curves com els perfils aerodinàmics. En 1889, Charles Renard, un ingenier aeronàutic francés, es va convertir en la primera persona en predir raonablement la potència necessària per a un vol sostingut. Renard i el físic alemà Hermann von Helmholtz varen explorar la càrrega alar (relació pese-àrea alar) de les aus, aplegant a la conclusió de que els humans no podien volar pels seus propis mijos colocant-se ales en els braços. Otto Lilienthal, seguint el treball de Sir George Cayley, va ser la primera persona en tindre molt èxit en els vols en planejador. Lilienthal creïa que els perfils aerodinàmics prims i curvos produirien una gran sustentació i una baixa resistència.

El llibre d'Octave Chanute de 1893, Progress in Flying Machines, descrivia totes les investigacions conegudes realisades en tot lo món fins a eixe moment. El llibre de Chanute va ser de gran utilitat per als interessats en l'aerodinàmica i les màquines voladoras.

En l'informació continguda en el llibre de Chanute, l'assistència personal del propi Chanute i l'investigació portada a terme en el seu propi túnel de vent, els germans Wright varen adquirir suficients coneiximents d'aerodinàmica per a fer volar la primera aeronau propulsada el 17 de decembre de 1903. El vol dels germans Wright va confirmar o refutó vàries teories aerodinàmiques. La teoria de la força de resistència de Newton finalment es va demostrar incorrecta. Este primer vol àmpliament publicitado va conduir a un esforç més organisat entre aviadors i científics, obrint el camí a l'aerodinàmica moderna.

Durant l'época dels primers vols, John J. Montgomery, Frederick W. Lanchester, Martin Kutta i Nikolái Zhukovski varen crear de forma independent teories que relacionaven la circulació d'un fluix de decorregut en la sustentació. Kutta i Zhukovsky varen desenrollar una teoria de les ales bidimensionales. Ampliant el treball de Lanchester, a Ludwig Prandtl se li atribuïx el desenroll de les matemàtiques darrere de les teories dels perfils aerodinàmics prims i les llínees de sustentació, aixina com del treball en les capes llímit. Prandtl, professor de l'Universitat de Gotinga, va instruir a molts estudiants que eixercitarien papers importants en el desenroll de l'aerodinàmica, com Theodore von Kármán i Max Munk.

Vore també

• Història de l'aviació

Bibliografia

• Anderson, John David (1997). A History of Aerodynamics and its Impact on Flying machines, New York, NY: Cambridge University Press. ISBN 0-521-45435-2.