aerodynamik

Ved strømningshastigheder op til ca. 30% af lydhastigheden kan luften regnes for usammentrykkelig. I den såkaldte potentialstrømningsteori regnes luften endvidere gnidnings- og hvirvelfri, og med disse forudsætninger gælder Bernoullis ligning. Denne siger, at summen af luftens tryk og dens bevægelsesenergi pr. rumfang, set fra flyet, er ens overalt i samme højde. Stor strømningshastighed betyder altså lavt tryk. Anvendes teorien på strømningen omkring et sædvanligt strømlinjet bæreplan, er resultatet skuffende; opdriften bliver nul, og trykket ved planets skarpe bagkant skulle være uendelig stort (se d'Alemberts paradoks).

Den tyske fysiker Prandtl gav i 1904 en løsning på problemet med sin såkaldte grænselagsteori. Den tager hensyn til, at der nødvendigvis må være gnidning og hvirvler i et tyndt lag, grænselaget, ved bæreplanets overflade. Ved yderligere at antage, at den ydre luftstrøm er en potentialstrøm, kan teorien forklare, dels at der føres hvirvler bort bagud, dels at der bliver glat afstrømning ved planets bagkant. Herved får luftstrømmen større hastighed over planet end under det, og der vil ifølge Bernoullis ligning opstå en trykforskel mellem over- og underside. Denne vil sammen med hvirveldannelsen påvirke planet med en samlet kraft, som kan opdeles i to bidrag: opdriften og modstanden. Opdriften får fx et fly til at lette; modstanden virker modsat bevægelsen og er den kraft, et flys motorer skal overvinde for at få fremdrift. Opdriften kan øges ved at stille vingeprofilet skråt i forhold til luftstrømmen. Øges vinklen mellem plan og luftstrøm, separeres grænselaget og dets hvirvler efterhånden fra overfladen længe før planets bagkant (hvirvelafløsning); resultatet er, at opdriften falder, mens modstanden stiger (stall). For fx et svævefly bør opdriften være størst mulig og modstanden mindst mulig; for en bil bør både opdrift og modstand minimeres.

Ved hastigheder, der nærmer sig eller overstiger lydens hastighed i luft (c ≈ 1000 km/h), bliver strømningen om et legeme væsentligt anderledes, idet luften ikke kan betragtes som usammentrykkelig. Eksempelvis vil et punktformet legeme, der bevæger sig med hastigheden u (>c), udsende en kølvandsbølge af form som en kegle bag legemet med toppunkt i dette og åbningsvinkel bestemt ved forholdet ^u/_c. Denne størrelse kaldes Machtallet efter Ernst Mach. Kølvandskeglen kaldes en Machbølge. Ved et skråtstillet bæreplan, der bevæger sig med overlydshastighed, dannes der Machbølger ved både for- og bagkant.

Der forekommer ved overlydshastighed endvidere de mere voldsomme chokbølger. Disse hørtes ofte tidligere som brag, når militærfly "gennembrød lydmuren", dvs. passerede med overlydshastighed. Chokbølger opstår fx foran et fly med afrundet forende, idet luften lige foran flyet, set fra dette, springvis går fra overlydshastighed til hvile. Derved sker der et kraftigt tab af bevægelsesenergi og derfor en voldsom opvarmning, lokalt ofte op til flere tusinde grader. Man undgår så vidt muligt dette ved tilspidsning af flyet. Ligeledes gøres vingekanter skarpe, således at de opståede hastighedsspring har karakter af Machbølger næsten overalt.

Kombinationen af Prandtls grænselagsteori og potentialstrømningsteorien benyttes stadig til konstruktion af bæreplaner. Der findes dog en mere generel teori, de såkaldte Navier-Stokes' ligninger. Disse udtrykker grundlæggende naturlove: dels bevarelsen af masse, dels en generalisering af Newtons love anvendt på strømning af væsker og gasser. Ligningerne er så generelle, at både potentialstrømningsteorien og grænselagsteorien kan opfattes som specialtilfælde heraf. De er imidlertid komplicerede, og der er ikke simple løsninger til dem. Først med computerens fremkomst er det blevet muligt at løse Navier-Stokes' ligninger, som dermed er blevet et vigtigt teoretisk værktøj til aerodynamisk design af fx flyvemaskiner og biler. Eksperimentelt udgør afprøvning af skalamodeller i vindtunneler den vigtigste forskning.

I Danmark, hvor der ikke er en egentlig flyindustri, er den aerodynamiske forskning samlet om at udvikle modeller til beskrivelse af luftens indvirkning på fx bygningskonstruktioner, vindmøller og ventilatorer.