지구상에서는 공기 저항 (일명“끌기”)을 당연한 것으로 여기는 경향이 있습니다. 우리는 공을 던지거나 항공기를 발사하거나 우주선을 탈선 시키거나 총에서 총알을 발사 할 때 대기를 통과하는 공의 행동이 자연스럽게 속도를 늦출 것이라고 가정합니다. 그러나 그 이유는 무엇입니까? 자유 낙하 또는 비행 중에 공기가 물체의 속도를 어떻게 느리게 할 수 있습니까?
항공 여행에 대한 의존, 우주 탐사에 대한 열정, 스포츠에 대한 사랑과 공중을 사로 잡는 것들 (자체 포함)로 인해, 공기 저항을 이해하는 것은 물리학을 이해하고 많은 과학 분야의 필수 요소입니다. 유체 역학으로 알려진 하위 분야의 일부로서 공기 역학, 유체 역학, 천체 물리학 및 핵 물리학 분야에 적용됩니다 (몇 가지 예를 들면).
정의:
공기 저항은 공기를 통과 할 때 물체의 상대 운동에 반대되는 힘을 정의합니다. 이 항력은 다가오는 유속과 반대로 작용하여 물체를 느리게합니다. 다른 저항력과 달리 항력은 운동 방향과 반대로 작용하는 순 공기 역학적 힘의 성분이기 때문에 속도에 직접적으로 의존합니다.
또 다른 방법은 공기 저항이 물체의 앞 표면과 공기 분자의 충돌의 결과라고 말하는 것입니다. 따라서 공기 저항의 양에 직접적인 영향을 미치는 가장 일반적인 두 가지 요인은 물체의 속도와 물체의 단면적이라고 말할 수 있습니다. Ergo는 속도와 단면적이 증가하여 공기 저항이 증가합니다.
공기 역학 및 비행 측면에서 드래그는 추력의 반대 방향으로 작용하는 힘뿐만 아니라 수직으로 작용하는 힘 (즉, 리프트)을 나타냅니다. 천체 역학에서 대기 드래그는 상황에 따라 양의 힘과 음의 힘 둘 다입니다. 우주선이 궤도에서 지구로 돌아올 때 연료를 배출하고 이륙하는 동안 효율을 높이고 연료를 절약합니다.
공기 저항 계산 :
공기 저항은 일반적으로“드래그 방정식”을 사용하여 계산되는데, 이는 비교적 큰 속도로 유체 나 가스를 통해 움직이는 물체가 경험하는 힘을 결정합니다. 이것은 수학적으로 다음과 같이 표현 될 수 있습니다.
이 방정식에서 FD 항력을 나타내고 피 유체의 밀도 V 소리에 대한 물체의 속도입니다. ㅏ 단면적이며CD 항력 계수입니다. 결과는 "2 차 드래그"입니다. 이것이 결정되면, 항력을 극복하는 데 필요한 전력량을 계산하는 데 비슷한 과정이 포함되며 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
여기, Pd항력을 극복하는 데 필요한 힘은 Fd 항력, v는 속도, 피 유체의 밀도 V 소리에 대한 물체의 속도입니다. ㅏ 단면적이며CD 항력 계수입니다. 그림에서 알 수 있듯이 전력 요구는 속도의 큐브이므로 80 kph로 가려면 10 마력이 필요하고 160 kph로 가려면 80 마력이 필요합니다. 요컨대, 속도가 배가되면 8 배의 전력이 필요합니다.
공기 저항의 종류 :
공기 역학에는 3 가지 주요 항력 유형이 있습니다 : 리프트 유도, 기생, 파동. 각각은 물체를 높이 유지하는 능력뿐만 아니라 그것을 유지하는 데 필요한 힘과 연료에 영향을 미칩니다. 3 차원 리프팅 바디 (날개 또는 동체)에 리프트가 생성되면 리프트 유도 (또는 그냥 유도) 항력이 발생합니다. 볼텍스 드래그와 리프트 유도 점성 드래그라는 두 가지 주요 구성 요소가 있습니다.
와류는 신체의 상부 및 하부 표면에서 다양한 압력의 공기의 난류 혼합으로부터 유도된다. 이들은 리프트를 생성하는 데 필요합니다. 리프트가 증가하면 리프트로 인한 드래그도 증가합니다. 항공기의 경우 이는 공격 각도와 리프트 계수가 스톨 지점까지 증가함에 따라 리프트 유도 항력도 증가 함을 의미합니다.
대조적으로, 기생 항력은 유체를 통해 고체 물체를 움직여 발생합니다. 이 유형의 드래그는 "폼 드래그"및 "스킨 마찰 드래그"를 포함하는 여러 구성 요소로 구성됩니다. 항공에서, 상승을 유지하기 위해서는 높은 각도의 공격이 필요하기 때문에, 유도 된 항력은 저속에서 더 큰 경향이 있습니다. 따라서 속도가 증가하면 항력이 훨씬 작아 지지만 유체가 돌출 된 물체 주위로 빠르게 흐르기 때문에 기생 항력은 증가합니다. 결합 된 전체 항력 곡선은 일부 대기 속도에서 최소이며 최적의 효율에 가깝거나 그에 가깝습니다.
웨이브 드래그 (압축 드래그)는 압축성 유체를 통해 고속으로 움직이는 몸체가 존재함으로써 생성됩니다. 공기 역학에서 웨이브 드래그는 비행 속도 체계에 따라 여러 구성 요소로 구성됩니다. 마하 0.5 이상의 속도이지만 여전히 마하 1.0 (일명 음속) 미만의 초음속 비행에서 파력은 국소 초음속 흐름의 결과입니다.
초음속 흐름은 몸에서 가속 할 때 신체의 공기 속도가 증가하기 때문에 소리 속도보다 훨씬 낮은 속도로 이동하는 몸에서 발생합니다. 간단히 말해서, 초음속으로 비행하는 항공기는 종종 결과적으로 파도 끌기를 유발합니다. 이것은 초음속 물체가되기 전에 항공기 속도가 Mach 1.0의 방음벽에 가까워 질수록 증가합니다.
초음속 비행에서 파동은 신체의 앞뒤 가장자리에 형성된 충격파의 결과입니다. 초음속 흐름에서는 활파가 대신 형성됩니다. 초음속 속도에서, 파도 끌기는 일반적으로 초음속 리프트 의존적 파도 끌기와 초음속 볼륨 의존적 파도 끌기의 두 구성 요소로 분리됩니다.
항공 우주와 우주 탐험에있어서 공기 마찰이 비행에 미치는 역할을 이해하고, 역학을 알고, 그것을 극복하는 데 필요한 힘의 종류를 아는 것이 모두 중요합니다. 이 모든 것을 아는 것도 태양계와 다른 별계에서 다른 행성을 탐험 할 때 중요합니다!
우리는 우주 잡지에서 공기 저항과 비행에 관한 많은 기사를 여기에 썼습니다. 다음은 터미널 속도 란 무엇입니까?, 비행기는 어떻게 비행합니까?, 마찰 계수는 무엇입니까? 및 중력의 힘은 무엇입니까?
NASA의 항공기 프로그램에 대한 자세한 내용을 보려면 공기 역학 초보자 안내서를 확인하십시오. 여기 드래그 방정식에 대한 링크가 있습니다.
우리는 또한 천문학 캐스트의 많은 관련 에피소드를 기록했습니다. 102 회 : Gravity를 들으십시오.
