Di Bumi, kita cenderung menganggap rintangan udara (alias "drag") begitu saja. Kita hanya menganggap bahawa ketika kita melemparkan bola, meluncurkan pesawat terbang, mengendurkan kapal angkasa, atau menembakkan peluru dari pistol, tindakannya melalui atmosfer kita secara semula jadi akan melambatkannya. Tetapi apa sebabnya? Bagaimana udara dapat melambatkan objek ke bawah, sama ada dalam keadaan jatuh bebas atau dalam penerbangan?
Oleh kerana bergantung pada perjalanan udara, minat kita untuk meneroka angkasa, dan minat kita terhadap sukan dan menjadikan perkara-perkara di udara (termasuk kita sendiri), memahami rintangan udara adalah kunci untuk memahami fizik, dan bahagian yang tidak terpisahkan dari banyak disiplin saintifik. Sebagai sebahagian daripada subdisiplin yang dikenali sebagai dinamika bendalir, ini berlaku untuk bidang aerodinamik, hidrodinamik, astrofizik, dan fizik nuklear (untuk beberapa nama).
Definisi:
Secara definisi, rintangan udara menggambarkan kekuatan yang bertentangan dengan gerakan relatif suatu objek ketika melewati udara. Daya tarik ini bertindak berlawanan dengan halaju aliran yang akan datang, sehingga memperlahankan objek. Tidak seperti daya rintangan yang lain, seretan bergantung secara langsung pada halaju, kerana ia adalah komponen daya aerodinamik jaring yang bertindak bertentangan dengan arah pergerakan.
Cara lain untuk mengatakannya adalah dengan mengatakan bahawa rintangan udara adalah hasil perlanggaran permukaan utama objek dengan molekul udara. Oleh itu, dapat dikatakan bahawa dua faktor yang paling umum yang mempunyai kesan langsung terhadap jumlah rintangan udara adalah kelajuan objek dan luas keratan rentas objek. Ergo, kedua-dua peningkatan kelajuan dan keratan rentas akan menghasilkan peningkatan jumlah rintangan udara.
Dari segi aerodinamik dan penerbangan, drag merujuk kepada kedua-dua daya yang bertindak bertentangan dengan daya tuju, dan juga daya yang bekerja tegak lurus dengannya (iaitu mengangkat). Dalam astrodinamik, daya tarikan atmosfera adalah daya positif dan negatif bergantung kepada keadaan. Ini adalah pengurangan bahan bakar dan kecekapan semasa pengangkatan dan penghematan bahan bakar ketika kapal angkasa kembali ke Bumi dari orbit.
Mengira Rintangan Udara:
Rintangan udara biasanya dihitung menggunakan "persamaan seret", yang menentukan daya yang dialami oleh objek yang bergerak melalui bendalir atau gas pada kecepatan yang relatif besar. Ini dapat dinyatakan secara matematik sebagai:
Dalam persamaan ini, FD mewakili daya tarik, hlm adalah ketumpatan cecair, v adalah kelajuan objek relatif terhadap bunyi, A adalah luas keratan rentas, danCD adalah pekali seretan. Hasilnya adalah apa yang disebut "drag quadratic". Setelah ini ditentukan, mengira jumlah daya yang diperlukan untuk mengatasi seretan melibatkan proses yang serupa, yang dapat dinyatakan secara matematik sebagai:
Di sini, Pdadalah kekuatan yang diperlukan untuk mengatasi daya tarik, Fd adalah daya tarik, v adalah halaju, hlm adalah ketumpatan cecair, v adalah kelajuan objek relatif terhadap bunyi, A adalah luas keratan rentas, danCd adalah pekali seretan. Seperti yang ditunjukkan, keperluan kuasa adalah kubus halaju, jadi jika memerlukan 10 tenaga kuda untuk mencapai 80 kph, maka diperlukan 80 kuasa kuda untuk mencapai 160 kph. Pendek kata, kelajuan dua kali ganda memerlukan penggunaan lapan kali jumlah kuasa.
Jenis Rintangan Udara:
Terdapat tiga jenis tarikan utama dalam aerodinamik - Lift Induced, Parasitic, dan Wave. Masing-masing mempengaruhi kemampuan objek untuk tetap tinggi serta tenaga dan bahan bakar yang diperlukan untuk menyimpannya di sana. Seretan yang disebabkan oleh lif (atau hanya disebabkan) disebabkan oleh penciptaan lif pada badan mengangkat tiga dimensi (sayap atau badan kapal). Ia mempunyai dua komponen utama: seretan pusaran dan seretan likat yang disebabkan oleh peningkatan.
Pusaran berasal dari percampuran udara yang bergelora dengan tekanan yang berbeza-beza pada permukaan atas dan bawah badan. Ini diperlukan untuk membuat lif. Apabila lif meningkat, begitu juga daya tarikan yang disebabkan oleh lif. Untuk pesawat ini bermakna bahawa sebagai sudut serangan dan pekali angkat meningkat ke titik terhenti, begitu juga dengan daya tarikan yang disebabkan oleh lif.
Sebaliknya, seretan parasit disebabkan oleh menggerakkan objek pepejal melalui cecair. Jenis seretan ini terdiri dari beberapa komponen, yang meliputi "drag form" dan "drag gesekan kulit". Dalam penerbangan, daya tarikan yang disebabkan cenderung lebih besar pada kecepatan yang lebih rendah kerana sudut serangan yang tinggi diperlukan untuk mengekalkan daya angkat, sehingga peningkatan kecepatan seretan ini menjadi jauh lebih sedikit, tetapi seretan parasit meningkat kerana cairan mengalir lebih cepat di sekitar objek yang menonjol sehingga meningkatkan geseran. Keluk seretan keseluruhan digabungkan adalah minimum pada beberapa kelajuan udara dan akan berada pada atau hampir dengan kecekapan optimumnya.
Seretan gelombang (drag compressibility) dibuat dengan adanya badan yang bergerak pada kelajuan tinggi melalui cecair yang boleh dimampatkan. Dalam aerodinamik, seretan gelombang terdiri daripada pelbagai komponen bergantung pada rejim kelajuan penerbangan. Dalam penerbangan transonik - pada kelajuan Mach 0,5 atau lebih besar, tetapi masih kurang dari Mach 1.0 (alias kelajuan suara) - seretan gelombang adalah hasil aliran supersonik tempatan.
Aliran supersonik berlaku pada badan yang bergerak jauh di bawah kelajuan suara, kerana kelajuan udara tempatan pada badan meningkat ketika memecut di atas badan. Ringkasnya, pesawat terbang dengan kelajuan transonik sering menimbulkan seretan gelombang sebagai akibatnya. Ini meningkat seiring kecepatan pesawat mendekati penghalang suara Mach 1.0, sebelum menjadi objek supersonik.
Dalam penerbangan supersonik, seretan gelombang adalah hasil gelombang kejut serong yang terbentuk di hujung badan yang terkemuka dan belakang. Dalam aliran yang sangat supersonik gelombang busur akan terbentuk sebagai gantinya. Pada kelajuan supersonik, seretan gelombang biasanya dipisahkan menjadi dua komponen, seretan gelombang yang bergantung pada pengangkatan supersonik dan seretan gelombang yang bergantung pada isipadu supersonik.
Memahami peranan geseran udara dengan penerbangan, mengetahui mekaniknya, dan mengetahui jenis daya yang diperlukan untuk mengatasinya, semuanya penting ketika datang ke aeroangkasa dan penerokaan ruang angkasa. Mengetahui semua ini juga akan menjadi penting ketika tiba masanya untuk meneroka planet lain di Sistem Suria kita, dan di sistem bintang lain sama sekali!
Kami telah menulis banyak artikel mengenai ketahanan udara dan penerbangan di sini di Space Magazine. Berikut adalah artikel mengenai Apa itu Kecepatan Terminal ?, Bagaimana Pesawat Terbang ?, Apakah Pekali Geseran ?, dan Apakah Kekuatan Graviti?
Sekiranya anda mahukan lebih banyak maklumat mengenai program pesawat NASA, lihat Panduan Permulaan untuk Aerodinamik, dan inilah pautan ke Drag Equation.
Kami juga telah merakam banyak episod berkaitan Astronomy Cast. Dengarkan di sini, Episod 102: Graviti.
