อากาศพลศาสตร์

อากาศพลศาสตร์  มาจากภาษากรีก ἀήρ "Aer" (อากาศ) + δυναμική (itself from-ตัวของมันเองมาจาก) δύναμις "dynamis" (force ; specially, miraculous power), (แรง ; เป็นพิเศษ, มีอำนาจน่าอัศจรรย์), เป็นสาขาของวิชาพลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาการเคลื่อนที่ของอากาศ, โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมันมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุที่เป็นของแข็ง อากาศพลศาสตร์เป็นหน่วยย่อยของพลศาสตร์ของไหลและพลศาสตร์ก๊าซ, ด้วยทฤษฎีที่ใช้ร่วมกันอย่างมากมายระหว่างกัน อากาศพลศาสตร์มักจะใช้คำที่มีความหมายเหมือนกันกับพลศาสตร์ก๊าซด้วยความแตกต่างที่ว่าพลศาสตร์ก๊าซสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับก๊าซทั้งหมด, ไม่จำกัดเฉพาะกับอากาศ
การศึกษาอากาศพลศาสตร์อย่างเป็นทางการในแนวทางแห่งยุคสมัยใหม่เริ่มต้นขึ้นในศตวรรษที่สิบแปด แม้ว่าการสังเกตแนวคิดพื้นฐานเช่นการฉุดลากทางอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic drag) จะได้รับการจดบันทึกกันมากมาก่อนหน้านี้ ในที่สุดของความพยายามในช่วงยุคต้น ๆ ของงานที่เกี่ยวข้องกับทางด้านอากาศพลศาสตร์ทำให้สามารถบรรลุผลของการบินของอากาศยานที่หนักกว่าอากาศซึ่งได้รับการแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกโดยวิลเบอร์และออร์วิลไรท์ (Wilbur and Orville Wright) ในปี 1903 ตั้งแต่นั้นมาการใช้อากาศพลศาสตร์ผ่านการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์, การประมาณค่าจากการสังเกตทางการทดลอง, การทดลองในอุโมงค์ลม, และการจำลองสถานการณ์ด้วยคอมพิวเตอร์ได้กลายมาเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในการศึกษาทางด้านการบินของอากาศยานที่หนักกว่าอากาศและจำนวนของเทคโนโลยีอื่น ๆ งานล่าสุดเมื่อไม่นานมานี้ในวิชาอากาศพลศาสตร์ได้มุ่งเน้นในประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการไหลแบบอัดตัว (compressible flow), ความปั่นป่วน (turbulence) และชั้นขอบเขต (boundary layers) และได้กลายมาเป็นเชิงทางด้านการคำนวณ (computational) เกี่ยวข้องกับธรรมชาติมากขึ้นเรื่อย ๆ 
ภาพรวม.
การทำความเข้าใจเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอากาศ (มักเรียกว่าสนามการไหล) รอบวัตถุช่วยในการคำนวณเกี่ยวกับแรงและช่วงเวลาที่กระทำต่อวัตถุ คุณสมบัติโดยทั่วไปในการคำนวณสำหรับสนามการไหลประกอบด้วยความเร็ว, ความดัน, ความหนาแน่น และ อุณหภูมิ เป็นฟังก์ชันของตำแหน่งเชิงพื้นที่และเวลา
ประวัติ.
วิชาอากาศพลศาสตร์สมัยใหม่ไม่ได้แต่เพียงแค่ย้อนเวลากลับไปในช่วงประมาณศตวรรษที่สิบเจ็ดเท่านั้น แต่แรงทางอากาศพลศาสตร์นั้นได้ถูกควบคุมโดยมนุษย์มานับเป็นเวลาพัน ๆ ปี โดยใช้ในเรือใบและกังหันลม และภาพและเรื่องราวได้ปรากฏมีบันทึกอยู่มาโดยตลอดในประวัติศาสตร์ของการบิน เช่นตำนานของอิคะเริส (Icarus) และ เดดะเลิส (Daedalus) แห่งยุคกรีกโบราณ (Ancient Greek) แนวคิดพื้นฐานของความต่อเนื่อง (continuum), แรงต้าน (drag) และเกรเดียนท์ของความดัน (pressure gradient) มีปรากฏอยู่ในงานของอาริสโตเติลและอาร์คิมิดิส
ในปี ค.ศ. 1726 เซอร์ ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) กลายเป็นบุคคลคนแรกในการพัฒนาทฤษฎีของแรงต้านของอากาศ (air resistance) ทำให้เขาเป็นนักอากาศพลศาสตร์ (aerodynamicists) คนแรกในประวัติศาสตร์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1738 นักคณิตศาสตร์ชาว ดัตช์-สวิส ชื่อ แดเนียล แบร์นูลลี (Daniel Bernoulli) กับคัมภีร์ที่มีชื่อว่า "Hydrodynamica", ที่เขาได้อธิบายถึงความสัมพันธ์ขั้นพื้นฐานระหว่างความดัน, ความหนาแน่น, และ ความเร็วของการไหล สำหรับการไหลแบบไม่อัดตัว (incompressible flow) ได้กลายเป็นที่รู้จักกันของผู้คนในทุกวันนี้ว่าเป็น หลักของแบร์นูลลี (Bernoulli's principle) ซึ่งเป็นวิธีการในการคำนวณวิธีหนึ่งสำหรับการคำนวณทางด้านอากาศพลศาสตร์ของแรงยก (aerodynamic lift) ในปี ค.ศ. 1757 เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ได้ตีพิมพ์สมการออยเลอร์แบบที่ทั่วไปมากขึ้นซึ่งอาจจะนำไปใช้ได้กับทั้งการไหลของของไหลแบบที่บีบอัดตัวได้และการไหลแบบที่บีบอัดตัวไม่ได้ สมการออยเลอร์ได้ถูกขยายไปสู่การรวมผลกระทบของความหนืดเข้าไว้ด้วยในช่วงครึ่งแรกของปี 1800 ส่งผลให้เกิดเป็นสมการนาเวียร์-สโตกส์ (Navier-Stokes equations) สมการนาเวียร์-สโตกส์ เป็นสมการที่ใช้กันทั่วไปในการไหลของของไหล แต่เป็นเรื่องยากที่จะแก้ปัญหาสำหรับการไหลแบบไหลเวียนรอบ ๆ แต่เป็นรูปทรงที่เรียบง่ายที่สุด
ในปี ค.ศ. 1799 เซอร์ จอร์จ เคย์ลีย์ (George Cayley) กลายเป็นบุคคลแรกที่ระบุแรงทางอากาศพลศาสตร์ทั้งสี่ของการบิน (น้ำหนัก, แรงยกทางอากาศพลศาสตร์, แรงต้าน (drag), และแรงผลัก (thrust)) ตลอดจนความสัมพันธ์ระหว่างแรงเหล่านั้น, และในการทำเช่นนั้นได้สรุปเส้นทางสู่ความสำเร็จในการบินที่หนักกว่าอากาศในศตวรรษต่อมา ในปี ค.ศ.1871 ฟรานซิส เฮอร์เบิร์ต เวนแฮม (Francis Herbert Wenham) ได้สร้างอุโมงค์ลมขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจวัดแรงตามหลักอากาศพลศาสตร์ได้อย่างแม่นยำ ทฤษฎีแรงต้าน (Drag theory) ได้รับการพัฒนาโดย ฌ็อง เลอ รง ดาล็องแบร์ (Jean le Rond d'Alembert), กุสทัฟ เคียร์ชฮ็อฟ (Gustav Kirchhoff), และ ลอร์ด เรย์ลี่ (Lord Rayleigh), ในปี ค.ศ.1889 ชาร์ล รีนาร์ด (Charles Renard) วิศวกรการบินชาวฝรั่งเศส กลายเป็นบุคคนแรกที่สามารถคาดการณ์ถึงพลังงานที่จำเป็นสำหรับการบินอย่างต่อเนื่องได้อย่างสมเหตุสมผล อ็อตโท ลิเลียนไทล์ (คำอ่านเป็นภาษาเยอรมัน) (Otto Lilienthal) คือบุคคลแรกที่ประสบความสำเร็จอย่างสูงในการบินด้วยเครื่องร่อน และยังเป็นคนแรกที่นำเสนอปีก หรือ แพนอากาศ (airfoil) ที่มีลักษณะโค้งบางที่สามารถยกตัวเครื่องร่อนให้สูงขึ้นและมีแรงต้านอากาศที่ต่ำอีกด้วย โดยอาศัยการพัฒนาดังกล่าว รวมถึงการวิจัยที่ดำเนินการในอุโมงค์ลมของตนเอง พี่น้องไรต์ (Wright brothers) จึงได้ทำการบินด้วยเครื่องบินที่มีกำลังขับเคลื่อนด้วยตัวมันเองลำแรกของโลกได้สำเร็จ เมื่อวันที่ 17 ธันวาคม ค.ศ. 1903