Ilmanvastus

Wikipedia

Ilmanvastuksella tarkoitetaan kappaleen liikettä vastustavaa voimaa, joka aiheutuu kappaleen pinnan ja ilman välisestä vuorovaikutuksesta.

Ilmanvastuksella on paljon merkitystä varsinkin suurissa nopeuksissa, koska ilmanvastus kasvaa nopeuden neliössä. Se otetaankin aina huomioon, kun suunnitellaan esimerkiksi lentokoneita, autoja tai ohjuksia. Sellaista kohdetta, jonka suunnittelussa on pyritty ilmanvastuksen minimoimiseen, sanotaan virtaviivaiseksi (muoto, jolla on mahdollisimman vähän ilmanvastusta).

Esimerkiksi kun meteori syöksyy Maan ilmakehään, ilmanvastuksen aiheuttama kuumuus sulattaa tai jopa höyrystää kappaleen. Saman seikan vuoksi avaruussukkulan keulassa, siipien etuosissa ja pohjassa käytetään vahvistettuja hiilipohjaisia lämpötiiliä suojaamaan sukkulan rakenteita kuumuudelta.

Newtonin vastuslaki:

$\mathbf{F}_v= {1 \over 2} \rho v^2 A C_v$

missä F_v on vastusvoima, ρ ilman senhetkinen tiheys, v kappaleen senhetkinen nopeus, A kappaleen poikkipinta-ala liikettä kohtisuorassa suunnassa ja C_v niin sanottu muotokerroin, jonka arvo riippuu kappaleen muodosta. Kaava pätee, kun kappaleen nopeus on äänen nopeutta pienempi. Erilaisten kappaleiden aiheuttama ilmanvastus määritellään kokeellisesti tuulitunnelissa.

Kaava toimii myös vedenvastuksen laskemiseen. Tiheyden tilalle laitetaan veden tiheys, joka on noin 1000 (veden suolaisuudella on myös vaikutusta). Näin ollen esimerkiksi soutuveneen vedenvastustusvoima on 5m/s nopeudella (18km/h) noin ½·1000·(5m/s)²·1m²·0,2. Tulokseksi saadaan noin 2500N vastustusvoima. On selvää, ettei ihminen pysty soutamaan tällaisella veneellä kovinkaan lujaa.

Vastuksen komponentit (erityisesti lentokoneen tapauksessa)

kitkavastus johtuu ilman viskooseista ominaisuuksista. Kappaleen pinnan läheisyydessä on rajakerros (lentokoneella ulottuu 0,01 mm. - muutama muun muassa pinnasta ulospäin, maapallon ilmakehässä rajakerrosta on satoja metrejä), jossa virtaus hidastuu s.e. pinnan ja ilman välinen suhteellinen liike loppuu pinnassa. Niin kauan kuin tämä rajakerros on laminaarinen kitkavastus on pieni, kun rajakerros irtoaa pinnasta ja muuttuu pyörteiseksi (turbulentti virtaus), se kasvaa. Transitionopeus riippuu kappaleen koosta, muodosta ja pinnankarheudesta.
painevastus riippuu kappaleen painejakaumasta sen liikkuessa ilmassa. Kappaleen virtaviivaisuus vähentää painevastusta. Tämän takia muun muassa autojen ja ammusten perää muotoillaan juohevammaksi, peräpainevastus pienenee.
indusoitunut vastus. Tämä riippuu siiven nostovoimasta ja on ominainen lentokoneille.
interferenssivastus syntyy eri pintojen yli virtaavien virtausten jälleen yhdistyessä.
loisvastus syntyy kaikista pienosista, muun muassa radioantennit, elektroniikan jäähdytyksen ilmanottoaukot jne.