כאן על כדור הארץ אנו נוטים לקחת התנגדות אוויר (המכונה "גרור") כמובן מאליו. אנו רק מניחים שכאשר אנו זורקים כדור, משגרים כלי טיס, מדברים על חללית או יורים כדור מאקדח, שהמעשה בו הנוסע באטמוספירה שלנו יאט אותו באופן טבעי. אך מה הסיבה לכך? איך האוויר מסוגל להאט אובייקט למטה, אם הוא בנפילה חופשית או בטיסה?
בגלל ההסתמכות שלנו על נסיעות אוויריות, ההתלהבות שלנו מחקירת חלל, ואהבתנו לספורט והעברת הדברים למטוסים (כולל עצמנו), הבנת ההתנגדות האווירית היא המפתח להבנת הפיזיקה, וחלק בלתי נפרד מתחומים מדעיים רבים. כחלק מתת-תחום הידוע כדינמיקת נוזלים, הוא חל על תחומים של אווירודינמיקה, הידרודינמיקה, אסטרופיזיקה ופיזיקה גרעינית (אם נזכיר כמה).
הגדרה:
בהגדרה, התנגדות אוויר מתארת את הכוחות המתנגדים לתנועה היחסית של חפץ בזמן שהוא עובר באוויר. כוחות הגרירה האלה פועלים הפוך למהירות הזרימה המתקרבת, ובכך מאטים את האובייקט. שלא כמו כוחות התנגדות אחרים, הגרירה תלויה ישירות במהירות, מכיוון שהיא המרכיב של הכוח האווירודינמי נטו הפועל כנגד כיוון התנועה.
דרך נוספת לומר זאת שהתנגדות לאוויר היא תוצאה של התנגשויות במשטח המוביל של האובייקט עם מולקולות אוויר. לכן ניתן לומר ששני הגורמים הנפוצים ביותר שמשפיעים ישירות על כמות ההתנגדות האווירית הם מהירות האובייקט ואזור חתך הרוחב של העצם. ארגו, הן המהירות המוגברת והן האזורים בחתך יביא לכמות מוגברת של התנגדות אוויר.
מבחינת אווירודינמיקה ותעופה, גרור מתייחס לשני הכוחות הפועלים ממול הדחף, כמו גם לכוחות הפועלים בניצב אליו (כלומר הרמה). באסטרודינמיקה גרור אטמוספרי הוא כוח חיובי וגם שלילי תלוי במצב. זהו גם ניקוז דלק ויעילות בזמן ההרמה וחיסכון בדלק כאשר חללית חוזרת לכדור הארץ ממסלולו.
חישוב התנגדות אוויר:
התנגדות האוויר מחושבת בדרך כלל באמצעות "משוואת הגרירה", שקובעת את הכוח שחווה חפץ שנע דרך נוזל או גז במהירות גבוהה יחסית. ניתן לבטא זאת באופן מתמטי כ:
במשוואה זו, FD מייצג את כוח הגרר, ע הוא הצפיפות של הנוזל, v הוא המהירות של האובייקט ביחס לסאונד, א הוא אזור החתך, וCD הוא מקדם הגרירה. התוצאה היא מה שמכונה "גרור ריבועי". לאחר שנקבע זאת, חישוב כמות הכוח הדרושה כדי להתגבר על הגרירה כרוך בתהליך דומה, אשר ניתן לביטוי מתמטי כ:
כאן, Pdהוא הכוח הדרוש כדי להתגבר על כוח הדראג, פ.ד. הוא כוח הגרר, v הוא המהירות, ע הוא הצפיפות של הנוזל, v הוא המהירות של האובייקט ביחס לסאונד, א הוא אזור החתך, וCd הוא מקדם הגרירה. כפי שהוא מראה, צרכי הכוח הם הקוביה של המהירות, כך שאם לוקח 10 כוח סוס כדי ללכת 80 קמ"ש, יידרשו 80 כוחות סוס כדי להגיע ל 160 קמ"ש. בקיצור, הכפלת המהירות מחייבת יישום של פי שמונה מכמות ההספק.
סוגים של התנגדות אוויר:
ישנם שלושה סוגים עיקריים של גרירה בתחום האווירודינמיקה - מעלית המושרה, טפילית וגל. כל אחת מהן משפיעה על יכולת האובייקטים להישאר בגובה, כמו גם על הכוח והדלק הדרושים בכדי להשאיר אותה שם. גרירת מעליות (או סתם המושרה) מעלית מתרחשת כתוצאה מיצירת מעלית על גוף הרמה תלת ממדי (כנף או גוף גוף). יש לו שני מרכיבים עיקריים: גרירת מערבולת וגרירה צמיגה הנגרמת על ידי מעלית.
המערבולות נובעות מהערבוב הסוער של אוויר בלחץ משתנה על משטחי הגוף העליונים והתחתונים. אלה נדרשים כדי ליצור מעלית. ככל שהמעלית מתגברת כך גם הגרירה הנגרמת על ידי המעלית. פירושו של מטוס זה שככל שזווית ההתקפה ומקדם ההרמה מתגברים עד לנקודת הדוכן, כך גם הגרירה הנגרמת על ידי המעלית.
לעומת זאת, גרירה טפילית נגרמת על ידי העברת אובייקט מוצק דרך נוזל. גרירה מסוג זה מורכבת ממספר רכיבים הכוללים "גרירת טופס" ו"גרירת חיכוך עור ". בתעופה, גרור המושרה נוטה להיות גדול יותר במהירויות נמוכות יותר מכיוון שנדרש זווית התקפה גבוהה בכדי לשמור על הרמה, כך שככל שהמהירות מגדילה הגרירה הזו הופכת להרבה פחות, אך הגרירה הטפילית גדלה מכיוון שהנוזל זורם מהר יותר סביב חפצים בולטים ומגדילים את החיכוך. עקומת הגרירה הכוללת המשולבת היא מינימלית בכמה מהירות האוויר ותהיה בקרבת יעילותה האופטימלית או קרובה לה.
גרירת גל (גרירת דחיסה) נוצרת על ידי נוכחות של גוף הנע במהירות גבוהה דרך נוזל דחוס. בתחום האווירודינמיקה, גרירת הגלים מורכבת ממספר רכיבים בהתאם למשטר המהירות של הטיסה. בטיסת טרנסוניק - במהירויות של מאך 0.5 ומעלה, אך עדיין פחות ממאץ 1.0 (המכונה גם מהירות הקול) - גרירת הגלים היא תוצאה של זרימה סופר-סאונית מקומית.
זרימה קולית מתרחשת על גופים הנמצאים הרבה מתחת למהירות הצליל, שכן המהירות המקומית של האוויר בגוף גדלה כשהוא מאיץ מעל הגוף. בקיצור, מטוסים שטסים במהירות טרנסונית עוברים לעתים קרובות גרירת גל כתוצאה מכך. זה עולה ככל שמהירות המטוס מתקרבת למחסום הקול של מאך 1.0, לפני שהוא הופך לאובייקט קולי קולי.
בטיסה העל-קולית, גרירת הגלים היא תוצאה של גלי הלם אלכסוניים שנוצרו בקצוות המובילים והנגררים של הגוף. בזרימות על-קוליות מאוד ייווצרו במקום גלי גלים. במהירויות העל-קוליות מופרדים בדרך כלל גרירת הגלים לשני מרכיבים, גרירת גל תלויה-מעלית-העל-קולית וגרירת-גל-תלויה-נפח-סופר-קולונית.
הבנת התפקיד שחיכוכים האוויר ממלאים בטיסה, הכרת המכניקה שלה, והכרת סוגי הכוח הדרושים בכדי להתגבר עליו, כל אלה הם מכריעים בכל מה שקשור לחקר החלל והחלל. הידיעה על כל זה תהיה קריטית גם כאשר הגיע הזמן לחקור כוכבי לכת אחרים במערכת השמש שלנו, ובמערכות כוכבים אחרות לחלוטין!
כתבנו מאמרים רבים על עמידות בפני אוויר וטיסה כאן במגזין החלל. להלן מאמר בנושא מהי מהירות מסוף ?, כיצד מטוסים עפים ?, מה מקדם החיכוך ?, ומה כוח כוח הכובד?
אם תרצה לקבל מידע נוסף על תוכניות המטוסים של נאס"א, עיין במדריך למתחילים לאווירודינמיקה, והנה קישור למשוואת הדראג.
הקלטנו גם פרקים רבים הקשורים לאסטרונומיה קאסט. האזינו כאן, פרק 102: כוח המשיכה.
