Συμπιεστότητα

Με τον όρο συμπιεστόν ή συμπιεστότητα στη φυσική χαρακτηρίζεται μία από τις ιδιότητες της ύλης. Πρόκειται για μια ιδιότητα των σωμάτων να μειώνουν τον όγκο τους όταν ασκούνται σ΄ αυτά πιέσεις.

 Διακρίνονται δύο συντελεστές συμπιεστότητας: ο ισοθερμοκρασιακός ή ισόθερμος συντελεστής και ο αδιαβατικός συντελεστής. Ανάλογα με τη φυσική κατάσταση των σωμάτων (ουσιών) η συμπιεστότητα αυτών διαφέρει σημαντικά. Τα στερεά όταν υποβληθούν σε συμπίεση υδροστατικού χαρακτήρα, δηλαδή με ομοιόμορφη κατανομή πίεσης σε όλη την επιφάνειά τους παρουσιάζουν ιδιαίτερη αντίσταση δηλαδή πολύ μικρή συμπιεστότητα. Τα υγρά είναι περισσότερο συμπιεστά από τα στερεά αλλά πολύ-πολύ λιγότερο από τ΄ αέρια. Η δε συμπιεστότητα των υγρών μεταβάλλεται με την ασκούμενη σ΄ αυτά πίεση. Τέλος τα αέρια παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη συμπιεστότητα. Αυτό έχει ως συνέπεια σε μια δεδομένη θερμοκρασία ο όγκος ενός αερίου που καταλαμβάνει κάποιο χώρο να είναι αντιστρόφως ανάλογος προς τη πίεσή του.Ιδιαίτερη μελέτη της ιδιότητας αυτής γίνεται από την Υδροδυναμική στη ροή των ρευστών και στη κατάταξη αυτών. Η συμπιεστότητα αποτελεί βασικό παράγοντα της αεροδυναμικής. Σε χαμηλές ταχύτητες, η συμπιεστότητα του αέρα δεν είναι σημαντική σε σχέση με τη σχεδίαση του αεροσκάφους, αλλά καθώς η ροή αέρα προσεγγίζει ή ξεπερνά την ταχύτητα του ήχου, παρουσιάζονται μια σειρά αεροδυναμικών φαινομένων που πλέον επηρεάζουν δραματικά το αεροσκάφος. Αυτά τα φαινόμενα κατέστησαν ιδιαίτερα δύσκολο για τα αεροσκάφη του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου να προσεγγίσουν ταχύτητες άνω των 800 km/h. Ένα από αυτά τα φαινόμενα είναι η αλλαγή στη ροή αέρα, που προκαλεί προβλήματα στον έλεγχο του αεροσκάφους. Π.χ. το P-38 Lightning με τα χοντρά, υψηλής άνωσης, φτερά του, αντιμετώπισε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα στις μεγάλες ταχύτητες βύθισης, που το ωθούσε προς τα κάτω. Οι πιλότοι έμπαιναν σε βύθιση και διαπίστωναν πως δεν μπορούσαν να ελέγξουν πλέον το αεροσκάφος τους, που συνέχιζε να βυθίζεται μέχρι που συντρίβονταν. Το πρόβλημα λύθηκε με την προσθήκη πτερυγίων βύθισης κάτω από τις ημιπτέρυγες, που άλλαζαν το κέντρο κατανομής της πίεσης, έστω τα φτερά να μην χάνουν την άνωσή τους. Παρόμοιο πρόβλημα επηρέασε ορισμένα υποδείγματα του Supermarine Spitfire. Σε μεγάλες ταχύτητες, τα πηδάλια κλίσης (ailerons) ασκούσαν μεγαλύτερη ροπή απ’ ό,τι τα λεπτά φτερά του Spitfire μπορούσαν να αντέξουν, με αποτέλεσμα, ολόκληρη η πτέρυγα να στρεβλώνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό ανάγκαζε το αεροσκάφος να στρέψει προς κατεύθυνση αντίθετη από εκείνη που ο πιλότος επιθυμούσε, κάτι που προκάλεσε αρκετά ατυχήματα. Τα πρώτα υποδείγματα δεν ήταν αρκετά γρήγορα για να παρατηρήσουν αυτό το φαινόμενο, που έτσι δεν εντοπίστηκε παρά μόνο όταν έκαναν την εμφάνισή τους τα Mk.IX. Η λύση ήταν η δραματική αύξηση της δομικής ακαμψίας των φτερών και ξεπεράστηκε μόνο με την εμφάνιση του μοντέλου Mk.XIV. Τα Messerschmitt Bf 109 και Mitsubishi Zero είχαν το ακριβώς αντίθετο πρόβλημα, όπου τα χειριστήριά τους αχρηστεύονταν. Σε υψηλές ταχύτητες, ο πιλότος απλά δε μπορούσε να κινήσει τα πηδάλια, λόγω της υπερβολικής ροής αέρα πάνω από τις επιφάνειες των πηδαλίων. Τα αεροσκάφη δεν μπορούσαν να ελιχθούν και σε υψηλές ταχύτητες, αντίπαλοι που δεν είχαν παρόμοιο πρόβλημα, τα ξεπερνούσαν στις αερομαχίες. Τέλος, άλλο συχνό πρόβλημα αυτού του είδους είναι ο κυματισμός. Σε κάποιες ταχύτητες, η ροή αέρα πάνω από τις επιφάνειες ελέγχου (πηδάλια) θα παρουσιάσει περιδινήσεις και τα χειριστήρια θα αρχίσουν να εκδηλώνουν κυματισμό. Αν η ταχύτητα του κυματισμού προσεγγίσει κάποια αρμονική της κίνησης των χειριστηρίων, η αντήχηση μπορεί να σπάσει και να αποκολλήσει τα πηδάλια. Αυτό ήταν ένα σοβαρό πρόβλημα για τα Mitsubishi Zero. Σε απάντηση του προβλήματος, σχεδίασαν κατ’ αρχάς ένα νέο είδος ανθεκτικότερων πηδαλίων, αλλά αυτό προκαλούσε άλλη μορφή αντήχησης και κάποια αεροσκάφη χάθηκαν μέχρι να εντοπιστεί η πηγή του προβλήματος. Όλα αυτά τα φαινόμενα, συχνά περιγράφονται με τον όρο «συμπιεστότητα», αν και από αεροδυναμικής πλευράς, η συμπιεστότητα ουσιαστικά σχετίζεται μόνο με τα φαινόμενα που προκαλούν οι αλλαγές στη ροή αέρα που επιφέρει η μετατροπή της ροής από ασυμπίεστη (όπως στα υγρά) σε συμπιεστή (όπως στα αέρια), κάτι που εμφανίζεται καθώς προσεγγίζεται η ταχύτητα του ήχου. Συγκεκριμένα υπάρχουν δύο σχετικά φαινόμενα, η κυματική οπισθέλκουσα και το κρίσιμο μαχ. Η κυματική οπισθέλκουσα είναι μια απότομη αύξηση της οπισθέλκουσας του αεροσκάφους που παρουσιάζεται από τη συγκέντρωση μαζών αέρα μπροστά από το ρύγχος του. Σε χαμηλές ταχύτητες, αυτός ο αέρας έχει χρόνο να «κάνει στην άκρη», οδηγούμενος από τον αέρα που βρίσκεται σε επαφή με τις επιφάνειες του αεροσκάφους. Αλλά στην ταχύτητα του ήχου, αυτό δεν μπορεί πλέον να συμβεί και ο αέρας, που πριν διέφευγε ακολουθώντας τις αεροδυναμικές γραμμές γύρω από το αεροσκάφος, τώρα προσκρούει πάνω του. Το μέγεθος της ισχύος που απαιτείται για να ξεπεραστεί αυτό το φαινόμενο είναι σημαντικό. Το «κρίσιμο μαχ» είναι η ταχύτητα κατά την οποία μέρος του αέρα που περνά πάνω από τα φτερά του αεροσκάφους ξεπερνά την ταχύτητα του ήχου. Στην ταχύτητα του ήχου, η άνωση του αεροσκάφους, που πριν ελέγχονταν από την αρχή του Μπερνούλι, μεταβιβάζεται τώρα στις δυνάμεις που προκαλούν τα κύματα κρούσης. Καθώς ο αέρας στην άνω επιφάνεια του φτερού έχει μεγαλύτερη ταχύτητα απ’ ότι στην κάτω, λόγω του φαινόμενου Μπερνούλι, κοντά στην ταχύτητα του ήχου, ο αέρας πάνω από το φτερό θα γίνει υπερηχητικός. Όταν συμβαίνει αυτό, η κατανομή της άνωσης αλλάζει δραματικά, προκαλώντας χαρακτηριστικά μια πανίσχυρη ώθηση του αεροσκάφους προς τα κάτω. Καθώς τα παλαιά αεροσκάφη έφταναν σε αυτές τις ταχύτητες μόνο κατά τη διάρκεια κάποιας βύθισης, οι πιλότοι ανέφεραν ότι το σκάφος τους προσπάθησε να καταπέσει. Στην υπερηχητική αεροδυναμική, το φαινόμενο του διαχωρισμού προκαλεί μια αύξηση στο σημειωτικό μοριακό όγκο (ένα μόριο οξυγόνου, το Ο2, μετατρέπεται σε δύο μόρια μονοατομικού οξυγόνου και του Ν2 χωρίζει ομοίως σε δύο αζώτου). Αυτή η, εξαρτώμενη από την πίεση, μετάβαση, εμφανίζεται για το ατμοσφαιρικό οξυγόνο σε θερμοκρασίες από 2.500K ως 4.000K, και στους 5.000K με 10.000K για το άζωτο. Ο διαχωρισμός απορροφά πολλή ενέργεια σε μια αντιστρέψιμη διαδικασία. Αυτό μειώνει πολύ τη θερμοδυναμική θερμοκρασία του υπερηχητικού αερίου που επιβραδύνεται κοντά σε ένα αεροδιαστημικό όχημα. Στις περιοχές μετάβασης, όπου αυτός ο, εξαρτώμενος από την πίεση, διαχωρισμός είναι ελλιπής, τόσο η διαφορική, σταθερή χωρητικότητα θερμότητας πίεσης όσο και το Βήτα (η διαφορική αναλογία όγκου/πίεσης: : β = − 1 V ∂ V ∂ p {\displaystyle \beta =-{\frac {1}{V}}{\frac {\partial V}{\partial p}}} όπου V είναι ο όγκος και p η πίεση) θα αυξηθεί πολύ. Η τελευταία, έχει μια έντονη επίδραση στην αεροδυναμική των οχημάτων, συμπεριλαμβανομένης και της σταθερότητας.