Věda a technika v pozadí
Aerodynamika

Aerodynamický tunel NASA s modelem letadla. Zdroj: www.nasa.gov.

Plyn mezi dvěma místy proudí tehdy, jestliže je mezi nimi rozdíl tlaků. Trajektorie jednotlivých částic proudící tekutiny znázorňujeme proudnicemi. Kolem aerodynamických těles probíhá laminární proudění – proudění bez vírů. Při turbulentním proudění se za tělesem tvoří víry. Tlak za tělesem je menší než před tělesem a to způsobí růst odporové síly. Turbulentní proudění vody se projevuje např. šumem vody ve vodovodním potrubí.

 
Laminární a turbulentní proudění. Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Postavíme-li proudící tekutině do cesty překážku, tekutina ji obtéká. Tak např. voda v řece obtéká pilíře mostu nebo proudící vzduch obtéká různá tělesa na povrchu Země. K obtékání těles dochází také tehdy, je-li tekutina v klidu a těleso se v ní pohybuje – např. parník plující v moři nebo padající dešťová kapka. Při malé rychlosti proudu vzniká kolem tělesa většinou laminární proudění. K povrchu tělesa přilne nejbližší mezní vrstva tekutiny, po které se posouvá druhá vrstva a po ní další atd. Poněvadž jsou proudnice kolem tělesa rozloženy souměrně, je také rozložení tlakových sil působících na těleso souměrné a tekutina působí na těleso jen velmi malou výslednou tlakovou silou, v případě ideální kapaliny je nulová.

Laminární a turbulentní proudění. Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Při větších rychlostech proudu se proudnice od tělesa odtrhávají a za tělesem vzniká turbulentní proudění. Tlaková síla působící na čelní stěnu pláště tělesa je větší než tlaková síla, která působí na zadní stěnu pláště, kde tekutina víří. Výslednice se nazývá odporová hydrodynamická (popř. aerodynamická) síla. Popsanému jevu říkáme odpor prostředí.

Velikost odporové síly určíme pomocí zákona zachování mechanické energie. Naráží–li tekutina proudící vzhledem k tělesu relativní rychlostí v na čelní stěnu tělesa, dochází k přeměně její kinetické energie v tlakovou potenciální energii, což se projeví zvýšením tlaku. Je–li S obsah čelního průřezu tělesa, tj. průřezu tělesa kolmého ke směru pohybu, pak tekutina působí na obtékané těleso tlakovou silou

kde C je součinitel odporu, který závisí na tvaru tělesa. Uvedený vztah odvodil Isaac Newton, platí jen pro středně velké rychlosti. Závislost odporu prostředí na čelním průřezu a druhé mocnině rychlosti velmi dobře znají sjezdaři. Pro dosažení vysoké rychlosti musí sjezdař co možná nejvíce snížit velikost odporové síly, například tím, že zaujme sjezdový postoj zvaný „vajíčko“ a minimalizuje tak čelní průřez. Z měření v aerodynamickém tunelu na modelech plynou následující hodnoty pro koeficient odporu vzduchu.

Nejmenší součinitel odporu má těleso tzv. aerodynamického tvaru – těla ryb, ptáků, dešťové kapky. Aerodynamicky se také konstruují tvary letadel, lodí nebo aut. Velký koeficient odporu má padák. Ten způsobuje stejnou (i větší) odporovou sílu než je tíha padajícího člověka, proto se parašutista s padákem pohybuje rovnoměrně nebo dokonce i couvá. Protože odporová síla je velká, je nutné padák rozevírat postupně (postupně se zvětšuje plocha padáku), aby nedošlo k poškození plátna a provazů. Proto je také nutné věnovat velkou pozornost balení padáku.

Zajímavost z automobilismu:
Aerodynamický tvar má i řada modelů značky Tatra. Nejznámější je zřejmě Tatraplan T600 (s původním označením T107) z dílny konstruktéra Hanse Ledwinky. Tatraplan se vyráběl v letech 1948 až 1951 v různých variantách, např. Monte Carlo, Sport a Cabriolet. Model T600 navázal na další aerodynamické modely T77, T87 a T97. Vůz má proudnicovou karoserii a vzadu umístěný vzduchem chlazený plochý čtyřválec.

Tatra T600 v muzeu kopřivnické Tatry.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.