אווירודינמיקה

אווירודינמיקה היא ענף פיזיקלי העוסק בתנועה של גוף בזרם, בעיקר באינטראקציה בין גוף מסוים (לרוב מוצק) לגז והכוחות הפועלים על גופים העוברים דרכו. לאווירודינמיקה יישומים רבים בתחומי ההנדסה, בדגש על הנדסת הרכב והתעשיות הצבאיות. רישומים מוקדמים של מושגים אווירודינמיים יסודיים תואמים את עבודתם של אריסטו וארכימדס במאה השנייה והשלישית לפני הספירה, אך המאמצים לפתח תאוריה כמותית של זרימת אוויר לא החלו עד המאה ה-18. בשנת 1726, אייזק ניוטון הפך לאחד האווירודינמיסטים הראשונים במובן המודרני כאשר הוא פיתח תאוריה של התנגדות אוויר, אשר אומתה מאוחר יותר עבור מהירויות זרימה נמוכה. ניסויי ההתנגדות האווירית בוצעו על ידי חוקרים במאה ה-18 והמאה ה-19, בסיוע בניית מנהרת הרוח הראשונה ב-1877. בספרו "הידרודינמיקה", תיאר דניאל ברנולי קשר בסיסי בין לחץ, מהירות וצפיפות, הנקראים כיום העיקרון של ברנולי. בשנת 1799, ג'ורג' קיילי זיהה את ארבעת הכוחות הבסיסיים של אווירודינמיקה – עילוי, דחף, גרירה, ומשקל ואת הקשר ביניהם. ב-17 בדצמבר 1903 הטיסו וילבור ואורוויל רייט את המטוס הראשון המוצלח. הטיסה והפרסום שקיבלו הובילו לשיתוף פעולה מאורגן יותר בין טייסים ואווירודינמיסטים, שהובילו את הדרך לאווירודינמיקה המודרנית. ההתפתחויות התאורטיות באווירודינמיקה נעשו מקבילות לתהליכים מעשיים. בשנת 1757 פרסם לאונרד אוילר את משוואות אוילר, והרחיב את עקרונו של ברנולי למשטר הזרימה הדחיסה. בתחילת המאה ה-19, הפיתוח של משוואות סטוקס הרחיב את משוואות אוילר כדי להסביר את השפעת הצמיגות. במהלך הטיסה הראשונה, כמה חוקרים פיתחו תאוריות עצמאיות לחיבור זרימת להרים. לודוויג פראנדל הפך לאחד האנשים הראשונים שחקרו שכבות גבול בתקופה זו. ארבעה כוחות יסוד באווירודינמיקה: משקל – כוח הכבידה שעובד על כל גוף. כוח זה מושך גוף למטה. עילוי – כוח הניצב לכיוון ההתקדמות. על מנת שכלי יתרומם כוח העילוי עליו חייב להיות גבוה יותר ממשקלו. גרר – התנגדות האוויר לתנועת הגוף. כוח זה מקביל והפוך לכוח הדחף. דחף – כוח הדוחף גוף בכיוון ההתקדמות. על מנת שגוף יוכל להתקדם, כוח הדחף שלו חייב להיות גדול מכוח הגרר שלו. האווירודינמיקה של כלי טיס, בין שהוא בעל כנף קבועה – מטוסים או בעל כנף-סובבת – מסוקים, עוסקת בהגדרה וחיזוי הכוחות האווירודינמיים הפועלים על כלי הטיס. המשקל הוא הכח הנוצר כתוצאה מכח המשיכה והדחף הוא הכוח שנוצר על ידי המנוע. עילוי וגרר הם כוחות הנוצרים כתוצאה מהתנועה היחסית של הגוף באוויר. עילוי מוגדר ככח אווירודינמי הפועל בניצב לזרימה היחסית של האוויר ואילו הגרר מוגדר ככח האווירודינמי הפועל במקביל לזרימה היחסית. העילוי מוגדר כחיובי כאשר הוא פונה בניצב למהירות כלפי מעלה ואילו הגרר מוגדר כחיובי כאשר הוא מופעל נגד כיוון המהירות. בענף הרכב מבחינה אווירודינמית מתמקדים ביצירת כוח עילוי שלילי בשביל שלמכונית תהיה יותר אחיזה בקרקע. תכונה זו קריטית עבור מכוניות מרוץ – זאת מאפשרת להן לבצע סיבובים חדים ולא להתהפך על אף התאוצות גבוהות. תחום נוסף שבו מתמקד הענף הוא הקטנת הגרר שיוצרת המכונית. בכך היא מגדילה את היעילות האנרגטית וחוסכת בדלק. עיצוב הנדסי – אווירודינמיקה היא חלק חשוב בעיצוב רכבים, בנוסף כחלק בצפיית תנועות של כלי שיט. אווירודינמיקה משמשת גם בעיצוב דיסקים קשיחים, בניינים, גשרים וטורבינות רוח. עיצוב סביבתי – אדריכלים משתמשים באווירודינמיקה על מנת להגביר נוחות במרחבים שבחוץ. שימוש נוסף באווירודינמיקה הוא בשביל ליצור אקלימים אורבניים אשר מורידים את זיהום האוויר בקרב מבנים. תחום האווירודינמיקה הסביבתית מתאר דרכים בהן גזי חממה באטמוספירה (שפולטים אנרגיית חום לאוקיינוס ולמשטח כדור הארץ) ומכניקת טיסה משפיעים על המערכת האקולוגית. משחקי כדור – אווירודינמיקה היא חלק חשוב בענפי ספורט כמו כדורגל, קריקט וגולף, בהם שליטה על הכדור היא חלק חשוב במשחק. משוואות אווירודינמיות משמשות לחישוב תחזית מזג האוויר. מערכות כלליות מאופיינות באמצעות: נפח בקרה (Control Volume) – חלל בעל גבולות שרירותיים שמיקומו וצורתו יכולים להשתנות בזמן. משטח בקרה (Control Surface) – שטח הפנים של נפח הבקרה. לפתרון בעיות אווירודינמיות נגדיר תנאי גבול ותנאי התחלה על נפח הבקרה ומשטח הבקרה. מכניקת הזורמים הידרודינמיקה אווירונאוטיקה תרמודינמיקה הזדקרות (אובדן עילוי) תורת הכנף הדקה יציבות כלי טיס דוד אביר, אווירודינמיקה, הוצאת משרד הביטחון, 1986. אווירודינמיקה, באתר Thermopedia. אווירודינמיקה, דף שער בספרייה הלאומית האתר How Thing Fly, מבית הסמית'סוניאן. מהי אווירודינמיקה, באתר Live Science. מדריך אווירודינמיקה למתחילים, באתר נאס"א. Aerodynamics, Britannica (באנגלית) Wright Brothers - 1903 - The First Flight, National Park Service (באנגלית) NASA STEM Team, What Is Aerodynamics? (Grades K-4), NASA, ‏2011-06-04 (באנגלית אמריקאית)