Τέτοια υλικά είναι τα υγρά και τα αέρια (και οι σκόνες, αλλά δεν θα ασχοληθούμε), που έχουν όμως μεταξύ τους μια βασική διαφορά.
Τα αέρια είναι συμπιεστά, ενώ τα υγρά είναι ασυμπίεστα και πολύ πυκνότερα.
Αυτά με τη γενική θεωρία, αλλά ο σκοπός του άρθρου δεν είναι να διδάξει αεροδυναμική και υδροδυναμική, είναι να παρουσιάσει και να εξηγήσει με απλό τρόπο μερικά φαινόμενα κάπως ιδιαίτερα ή περίεργα, που είτε τα έχουμε δει ή έχουμε διαβάσει γι’ αυτά.
ΥΠΕΡΗΧΗΤΙΚΗ ΤΑΧYΤΗΤΑ
Ένα εντυπωσιακό φαινόμενο που συμβαίνει στον αέρα, αλλά σχετίζεται με τον ήχο, είναι το σπάσιμο του φράγματος του ήχου.
Πρόκειται για ένα δυνατό κρότο σαν έκρηξη, που πολλές φορές είναι διπλός, δηλαδή δύο διαδοχικοί κρότοι.
Προκαλείται όταν ένα αντικείμενο, συνήθως αεροπλάνο, αλλά και πύραυλος, ή μετέωρο (και από το 1997 και επίγειο όχημα), ξεπερνούν σε ταχύτητα την ταχύτητα του ήχου στο περιβάλλον που κινούνται (γιατί η ταχύτητα του ήχου δεν είναι σταθερή), και η οποία σε χαμηλό ύψος είναι γύρω στα 1200 χλμ/ω.
Τα ηχητικά κύματα συσσωρεύονται και συμπιέζονται συνήθως στο εμπρός μέρος του αντικειμένου, ενώ η αντίσταση στην κίνηση του κάνει ένα «σκαλοπάτι» προς τα επάνω (δέστε και την αντίστοιχη εξήγηση στη συνέχεια του άρθρου, για τα σκάφη).
Εάν τώρα υπάρχει αρκετή διαθέσιμη ισχύς, το αντικείμενο μπορεί να επιταχύνει και τα ξεπεράσει την ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων που το ίδιο δημιουργεί.
Το γνωστό αιχμηρό σχήμα των σύγχρονων πολεμικών αεροσκαφών βοηθάει σημαντικά, ώστε αυτή η επιπλέον ισχύς που χρειάζεται να είναι η ελάχιστη δυνατή.
Το Concord, ο μοναδικός τύπος υπερηχητικού επιβατικού αεροσκάφους που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε εμπορικά (σταμάτησε τις πτήσεις το 2003), την ώρα που διασπά το φράγμα του ήχου, δημιουργώντας δύο περιοχές όπου η απότομη αλλαγή στην πίεση του αέρα συμπυκνώνει την υγρασία σε δύο εντυπωσιακούς κώνους.
Μία εντυπωσιακή φωτογραφία ενός πυροβολισμού, όπου φαίνεται το σφαιρικό ηχητικό κύμα της εκπυρσοκρότησης, αλλά και ο διπλός υπερηχητικός κώνος που δημιουργεί η κίνηση της σφαίρας, στο εμπρός και πίσω μέρος της. Η οπτικοποίηση των κυμάτων πίεσης έγινε με φωτογράφιση με τη μέθοδο Schlieren.
Επίσης με τη μέθοδο Schlieren έγινε η φωτογράφιση του άκρου ενός μαστιγίου λίγο πριν σπάσει το φράγμα του ήχου και ακουστεί το χαρακτηριστικό "κρακ". Είναι χαρακτηριστικό ότι το σπάσιμο του φράγματος συμβαίνει λίγο πριν η άκρη του μαστιγίου τεντωθεί τελείως, επειδή η ταχύτητά της αυξάνεται συνεχώς καθώς το μαστίγιο "ξεδιπλώνεται", ενώ λίγο πριν το τέλος κινείται απότομα προς τα εμπρός.
Το Τhrust SSC, το πρώτο επίγειο όχημα που έσπασε το φράγμα του ήχου, το 1997.
Μία φωτογραφία που μοιάζει, αλλά δεν είναι υπέρβαση του φράγματος του ήχου. Πρόκειται πάλι για συμπύκνωση της υγρασίας, αλλά αυτή τη φορά εξαιτίας της πτώσης της ατμοσφαιρικής πίεσης στο επάνω μέρος της πτέρυγας του αεροσκάφους, κατά τη διάρκεια στροφής με πολλά “g”. Για τον ίδιο λόγο, δηλαδή εξαιτίας στροφής με πολλά g, παράγονται ίχνη συμπύκνωσης και από τα ακροπτερύγια.
Τα διαμάντια της φωτιάς! Οι φωτεινοί κώνοι δημιουργούνται όταν τα πυρακτωμένα αέρια της εξαγωγής ενός κινητήρα jet (συνήθως με χρήση μετακαυστήρα, με σχετικά "κλειστό" ακροφύσιο) ή ενός πυραυλοκινητήρα, βρίσκονται σε μικρότερη πίεση (εξαιτίας υψηλής ταχύτητας) από αυτήν του περιβάλλοντος. Όσο και να ακούγεται περίεργο, τα καυσαέρια βρίσκονται συχνά σε χαμηλότερη πίεση από τον περιβάλλοντα αέρα, που σημαίνει ότι δεν δημιουργούνται στο κενό του Διαστήματος ή σε μεγάλο υψόμετρο. Η εξήγηση είναι αρκετά πολύπλοκη, οπότε αρκεί να πούμε ότι δημιουργείται ένα είδος στατικών κυμάτων από την αντανάκλαση των αερίων στον περιβάλλοντα αέρα.
ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ DOPPLER
Το φαινόμενο Doppler, είναι αυτό που κάνει έναν ήχο, μια σειρήνα πχ σε ένα αυτοκίνητο, να ακούγεται με διαφορετική συχνότητα εφόσον η απόσταση παρατηρητή και ηχητικής πηγής μεταβάλλεται.
Η συχνότητα αυξάνεται αν η απόσταση μειώνεται (ο ήχος γίνεται οξύτερος), ενώ ο ήχος γίνεται «βαρύτερος», όταν η απόσταση αυξάνεται.
Ένα εύκολο στην κατανόησή του ανάλογο, είναι όταν σκεφτούμε τα κύματα στη θάλασσα.
Αν κινηθούμε με σταθερή ταχύτητα με ένα σκάφος προς την κατεύθυνση από την οποία έρχονται τα κύματα, θα συναντήσουμε περισσότερα κύματα στον ίδιο χρόνο (μεγαλύτερη συχνότητα κυμάτων), παρά αν κινηθούμε προς την κατεύθυνση προς την οποία πηγαίνουν τα κύματα.
Αν μάλιστα στην τελευταία περίπτωση κινηθούμε ακριβώς με την ταχύτητα του κύματος, θα μένουμε στάσιμοι ως προς το κύμα και μπορούμε να κάνουμε και surf!
Το ενδιαφέρον είναι ότι το φαινόμενο αυτό, εκτός από τον ήχο συμβαίνει και σε όλα τα άλλα κυματικά πεδία, όπως στην οπτική και στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Οι εξετάσεις Doppler για τη ροή του αίματος, και όλα τα ραντάρ που μετράνε ταχύτητα, δουλεύουν πάνω σ’ αυτή την αρχή.
Η εφαρμογή του φαινομένου Doppler στην αστρονομία, γίνεται μέσω της μετατόπισης των γραμμών απορρόφησης γνωστών αερίων στο φάσμα του φωτός άστρων και γαλαξιών, επειδή το ορατό φως αποτελείται από πολλές συχνότητες (βλέπε παραπάνω εικόνα). Έτσι μπορεί να μετρηθεί η ταχύτητα απομάκρυνσης ή προσέγγισης αστέρων ή γαλαξιών ως προς τη Γη, και μ’ αυτόν το τρόπο έχει διαπιστωθεί ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους και ότι το Σύμπαν διαστέλλεται (οι σκοτεινές γραμμές μετακινούνται προς την περιοχή του ερυθρού χρώματος). Θεωρητικά, το φαινόμενο Doppler επηρεάζει και το χρώμα των ίδιων των άστρων όπως τα βλέπουμε με γυμνό μάτι, αλλά η επίδραση αυτή είναι πολύ μικρή, οπότε το χρώμα των άστρων επηρεάζεται βασικά από τη θερμοκρασία τους.
ΑΡΙΘΜΟΣ REYNOLDS
Είναι ενδιαφέρον, ότι ο αέρας δεν συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο στα σώματα που κινούνται μέσα του. Αυτό ακούγεται λογικό, αλλά ακόμα και με ακριβώς όμοια αντικείμενα και αφού λάβουμε φυσικά υπόψη τον λόγο μεγεθών των αντικειμένων, πάλι ο αέρας εξακολουθεί να συμπεριφέρεται διαφορετικά.
Μοιάζει σαν, όσο πιο μικρό είναι το αντικείμενο και όσο πιο αργά κινείται, τόσο ο αέρας να «φαίνεται» στο αντικείμενο αυτό πιο «πηχτός».
Έτσι, μια πεταλούδα, ή ένα μικρό έντομο περισσότερο «κολυμπάει» στον αέρα, παρά πετάει.
Για να μπορέσουν να λαμβάνουν εύκολα υπόψη οι επιστήμονες τη συμπεριφορά του αέρα ανάλογα με το μέγεθός τους (όχι το σχήμα τους, που προσδιορίζεται από τον αεροδυναμικό συντελεστή), χρησιμοποιούν τον αριθμό Reynolds.
Ο αριθμός Reynolds προσδιορίζει πόσο «πηχτό» βλέπει τον αέρα ένα αντικείμενο εξαιτίας του μεγέθους του (όχι της μορφής του) και της ταχύτητάς του. Ο αριθμός είναι αδιάστατος (είναι ουσιαστικά ένα πηλίκο) και μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές, το ΜΙLL στον πίνακα σημαίνει εκατομμύρια. Τα ΜΑV είναι οι μικρές τηλεκατευθυνόμενες ιπτάμενες συσκευές.
Ο αριθμός Reynolds καθορίζει ουσιαστικά πότε μια ροή (συχνά σε σχέση με μια επιφάνεια) θα είναι στρωτή ή τυρβώδης. Η αύξηση της ταχύτητας του καπνού καθώς ανεβαίνει, κάνει αυτή τη μετάβαση θεαματικά ορατή.
Δημιουργία ενός κλειστού στροβίλου καπνού (πρώτη εικόνα). Στην πραγματικότητα πρόκειται για στροβιλιζόμενο αέρα που γίνεται ορατός από τον καπνό που περιέχει, ή από τη συμπύκνωση του αέρα (κάτω). Αυτός ο στρόβιλος με τη μορφή σαμπρέλας, δημιουργείται από την τριβή των εξωτερικών στοιβάδων του κινούμενου αέρα με τον ακίνητο αέρα του περιβάλλοντος, και αυτοσταθεροποιείται από την ίδια τη στροφορμή του.
Τα μεγάλα "κανόνια" vortex (δεύτερη εικόνα), μπορούν να δώσουν αρκετή συμπυκνωμένη ενέργεια στον στρόβιλο ώστε να γκρεμίσει ένα απλό τοίχο.
ΜΠΑΛΑΚΙΑ, ΦΤΕΡΑ ΚΑΙ ΦΑΛΤΣΑ
Ακούγεται περίεργο, αλλά τα μικρά αντικείμενα έχουν μικρότερη αντίσταση στον αέρα (για δεδομένο σχήμα και μέγεθος), όταν ΔΕΝ έχουν πολύ λεία επιφάνεια.
Αυτός είναι και ο λόγος που τα μπαλάκια του γκολφ έχουν τα χαρακτηριστικά λακκάκια στην επιφάνειά τους.
Και για τον ίδιο λόγο, τα σχετικά μικρά και αργά στην πτήση έντομα κινούνται ευκολότερα στον αέρα όταν έχουν χνουδωτή επιφάνεια, παρά λεία.
Πολύ παραστατική παρουσίαση του φαινομένου, σύμφωνα με το οποίο η ανώμαλη επιφάνεια σ’ ένα μπαλάκι (αριστερά) μειώνει την τριβή του σε σχέση με τη λεία επιφάνεια (δεξιά). Οι μικρές ανωμαλίες της επιφάνειας δημιουργούν μικροσκοπικές δίνες που διατηρούν την στρωτή ροή του ρευστού για μεγαλύτερη απόσταση στην επιφάνειά του, πριν γίνει τυρβώδης οπότε τότε η αντίσταση γίνεται πολύ μεγαλύτερη.
Αν έχετε αναρωτηθεί τι θέλουν οι μικρές προεξοχές κατά μήκος ενός φτερού αεροπλάνου, τώρα ξέρετε! Δημιουργούν μικρές δίνες που βοηθούν τον αέρα να «κολλήσει» στο φτερό, σε ορισμένες φάσεις της πτήσης που εξαιτίας της μεγάλης γωνίας του φτερού σε σχέση με τον αέρα, ο τελευταίος θα κινδύνευε να «ξεκολλήσει» από το φτερό, μειώνοντας την άνωσή του.
Μία άλλη συνέπεια της τάσης του αέρα να «κολλάει» σε μια καμπύλη επιφάνεια (μέχρις ενός ορίου), είναι η δυνατότητα να δώσουμε φάλτσο σε μια μπαλιά.
Ανάλογα με την περιστροφή της μπάλας σε σχέση με την κατεύθυνση που κινείται, η τροχιά της μπάλας μεταβάλλεται σαν να κυλιέται πάνω στον αέρα προς την φορά περιστροφή της. Η παρακάτω εικόνα εξηγεί παραστατικά το φαινόμενο, γνωστό και σαν φαινόμενο Magnus.
Περισσότερα σε σχέση με τη συμπεριφορά του αέρα και ειδικότερα τη δημιουργία άνωσης στην πτέρυγα ενός αεροπλάνου, μπορείτε να βρείτε στο κεφάλαιο «COANDA vs BERNOULLI», παρακάτω.
Η περιστροφή της μπάλας επιταχύνει από τη μια πλευρά της τον αέρα (στην κάτω πλευρά στην εικόνα) και τον επιβραδύνει από την αντίθετη, δημιουργώντας χαμηλότερη και υψηλότερη πίεση στις αντίστοιχες περιοχές (νόμος Bernoulli). H διαφορά πίεσης κλείνει την τροχιά της μπάλας προς τα κάτω (στην περίπτωση της εικόνας).
Προσομοίωση της ροής του αέρα γύρω από ένα σωλήνα, πχ μια καμινάδα (που τη βλέπουμε από την κορυφή). Ο έντονος στροβιλισμός που δημιουργείται μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ταλαντώσεις στην καμινάδα. Μία μέθοδος αντιμετώπισης είναι η στερέωση μιας ελικοειδούς στεφάνης γύρω από εξωτερικό κυλινδρικό σώμα της καμινάδας, που δημιουργεί πολλούς μικρούς στροβίλους αντί για έναν ισχυρό.
Αυτό είναι το αποτέλεσμα όταν δημιουργείς ένα «φτερό» που δεν πρέπει να πετάξει. Όταν ξεκίνησαν να κατασκευάζονται οι κρεμαστές γέφυρες, δεν υπήρχε η εμπειρία ότι το κατάστρωμά τους ΔΕΝ έπρεπε να μοιάζει με φτερό, γιατί το αποτέλεσμα θα είναι σαν της γέφυρα Tacoma της φωτογραφίας (ΗΠΑ), που καταστράφηκε το 1940, από ταλαντώσεις που της δημιούργησε ο άνεμος.
Eξαιρετική εικόνα που δείχνει τη διαταραχή του αέρα στη διέλευση ενός αεροπλάνου, από την επίδρασή του σε κοντινό σύννεφο. Στη δημιουργία αυτών των στροβίλων οφείλεται μεγάλο μέρος της αντίστασης στην κίνηση του αεροπλάνου.
Μία άλλη εντυπωσιακή εικόνα από "φάρμα" ανεμογεννητριών, όπου η συμπύκνωση της υγρασίας του αέρα κάνει τον στροβιλισμό που δημιουργούν οι πρώτες ανεμογεννήτριες εμφανή, ο οποίος βέβαια επηρεάζει δυσμενώς τις υπόλοιπες που βρίσκονται πιο πίσω.
Όταν αεροδυναμική και υδροδυναμική συναντώνται. Μοντέλο του F18 δοκιμάζεται σε υδροδυναμική σήραγγα, τη δεκαετία του ’80.
Η πτήση δίνει μία αίσθηση ελευθερίας, αλλά υπάρχουν και όρια. Και τα όρια αυτά συνήθως τίθενται από την ικανότητα των πτερύγων να δημιουργήσουν άντωση, αλλά και από τη δομική αντοχή τους.
ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΜEREDITH (Ή ΠΩΣ «ΕΞΑΦΑΝΙΖΕΤΑΙ» ΕΝΑ ΨΥΓΕΙΟ).
Ένα λιγότερο γνωστό φαινόμενο που συνδυάζει αεροδυναμική και θερμοδυναμική είναι το φαινόμενο Meredith, από το όνομα του Άγγλου μηχανικού που το περιέγραψε το 1930, και το οποίο αξιοποιήθηκε πλήρως για πρώτη φορά στη κατασκευή του αμερικανικού καταδιωκτικού P51 Mustang.
Ένα λιγότερο γνωστό φαινόμενο που συνδυάζει αεροδυναμική και θερμοδυναμική είναι το φαινόμενο Meredith, από το όνομα του Άγγλου μηχανικού που το περιέγραψε το 1930, και το οποίο αξιοποιήθηκε πλήρως για πρώτη φορά στη κατασκευή του αμερικανικού καταδιωκτικού P51 Mustang.
Πρόκειται για την εκμετάλλευση της θερμότητας που αποβάλλεται από το ψυγείο του υδρόψυκτου κινητήρα, ώστε με την κατάλληλη διαμόρφωση του αεραγωγού πριν και μετά το ψυγείο, η διαστολή και η κατά συνέπεια επιτάχυνση του αέρα να δημιουργεί ώση.
Η ώση αυτή, υπολογίζεται ότι αντιστάθμιζε περίπου το 90% της οπισθέλκουσας του ψυγείου.
Μία άλλη καινοτομία της εποχής εκείνης που φαίνεται στην εικόνα, είναι η απομάκρυνση του στομίου της εισαγωγής αέρα του ψυγείου από την επιφάνεια της ατράκτου, ώστε να μην αναρροφάται το αργό οριακό στρώμα του αέρα. Αυτό η διάταξη εφαρμόζεται πλέον συστηματικά στις εισαγωγές των αεριωθουμένων, όπως για παράδειγμα στο F16.
Η ΘΑΝΑΣΙΜΗ ΓΩΝΙΑ (THE COFFIN CORNER)
Το πιο γνωστό όριο είναι αυτό της ελάχιστης ταχύτητας ως προς τον αέρα που πρέπει να έχει μία πτέρυγα για να παραμείνει η ροή του αέρα "κολλημένη" επάνω της (βλέπε και παρακάτω BERNOULLI vs COANDA).
Ένα άλλο όριο που τίθεται είναι η μέγιστη ταχύτητα (ως προς τον αέρα πάντα) που μπορεί να αναπτύξει μία πτέρυγα πριν τα φαινόμενα συμπιεστότητας του αέρα θέσουν σε κίνδυνο τη δομική της ακεραιότητα (εφόσον δεν είναι εξαρχής σχεδιασμένη για υπερηχητικές ταχύτητες).
Το θέμα είναι ότι το όριο της ελάχιστης ταχύτητας αυξάνεται με την αραίωση του αέρα, άρα με την αύξηση του υψομέτρου, ενώ αυτό της μέγιστης ταχύτητας μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας του αέρα, κάτι που επίσης συμβαίνει με την αύξηση του υψομέτρου. Το αποτέλεσμα είναι ότι σε πολύ μεγάλο υψόμετρο αυτά τα δύο όρια πλησιάζουν πολύ μεταξύ τους και "στριμώχνουν" το αεροσκάφος σε μια "Θανάσιμη Γωνία" που επιτρέπει πολύ μικρό εύρος ταχυτήτων για ομαλή πτήση (εικόνα).
Προφανώς, τα εμπορικά αεροσκάφη πετούν σε τέτοιο υψόμετρο που να τους εξασφαλίζει καλή απόδοση, αλλά ταυτόχρονα ασφαλή απόσταση από τα προαναφερόμενα όρια. Ένα όμως αεροσκάφος που εκ του σχεδιασμού του (σαν κατασκοπευτικό) πετούσε τόσο ψηλά ώστε να βρίσκεται πολύ κοντά και τα δύο αυτά όρια, ήταν το αμερικανικό U2, με αποτέλεσμα στο μέγιστο ύψος πτήσης του να ανέχεται πολύ μικρή απόκλιση ταχύτητας πριν να συμβεί κάτι το καταστροφικό.
ΥΓΡΑ ΚΑΙ ΚΥΜΑΤΑ
Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου, τα υγρά είναι ρευστά που σε σχέση με τα αέρια διαφέρουν στο ότι είναι ασυμπίεστα και με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα.
Υπάρχει και μία ακόμα διαφορά, όταν εξετάζουμε φαινόμενα στην επιφάνεια των υγρών που βρίσκεται σε επαφή με τον αέρα, που προέρχεται ακριβώς απ’ αυτήν την ιδιότητα των ρευστών, να σχηματίζουν δηλαδή ελεύθερη επιφάνεια.
Και είναι αυτή η ελεύθερη επιφάνεια που ενδιέφερε τους ανθρώπους από τα πολύ παλιά χρόνια, καθώς πάνω σ΄ αυτήν μετακινούνταν με τα πλοία τους και είχαν να αντιμετωπίσουν τις συνέπειες του αέρα στην επιφάνεια της θάλασσας, δηλαδή τα κύματα.
Ενώ σχετικά πρόσφατα, από την αρχή του 20ου αιώνα άρχισε να υπάρχει ενδιαφέρον και για την κίνηση μέσα στα υγρά, βασικά στη θάλασσα, με την ανάπτυξη των υποβρύχιων πλοίων.
Όταν ένας σεισμός συμβεί στον πυθμένα της θάλασσας, έτσι ώστε να υπάρχει κατακόρυφη μετατόπιση του πυθμένα, η διαταραχή αυτή δημιουργεί το γνωστό κύμα τσουνάμι, που ενώ περνάει σχεδόν απαρατήρητο στην ανοιχτή θάλασσα, αποκτάει σημαντικό ύψος στην ακτή, και επιπλέον μεταφέρει πολύ μεγάλο όγκο νερού. Αντίθετα, η παρουσία μεγάλης υδάτινης επιφάνειας κοντά στο επίκεντρο ενός σεισμού που ΔΕΝ συνοδεύεται από μεταβολή της γεωμετρίας της λεκάνης του νερού, βοηθάει στη μείωση και γρηγορότερη απόσβεση των σεισμικών ταλαντώσεων.
Τα «τερατώδη» κύματα (rogue waves), συναντώνται στην ανοιχτή θάλασσα, είναι σχετικά σπάνια, συνήθως μεμονωμένα* και διαρκούν για λίγο χρόνο. Έχουν ύψος τουλάχιστον τριπλάσιο από τα υπόλοιπα κύματα (μπορούν να φθάσουν μέχρι και τα 30m) και δημιουργούνται από τη συμβολή μεγάλων κυμάτων, ή από συνδυασμό ανέμου και ρηχών υποθαλάσσιων ρευμάτων. Κλασικό σημείο παραγωγής τους είναι το ακρωτήριο της Καλής Ελπίδας στη Νότια Αφρική, καθώς στην περιοχή αυτή δυτικοί άνεμοι συναντώνται με ισχυρό ανατολικό θαλάσσιο ρεύμα.
* Από παρακολούθηση με δορυφόρους, έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχουν κάθε στιγμή και κατά μέσο όρο, 10 τέτοια κύματα στο σύνολο των ωκεανών της Γης.
Προσομοίωση κυματισμού σε «ψηφιακή δεξαμενή». Πριν από μερικά χρόνια (αλλά και ακόμα) οι προσομοιώσεις γίνονταν σε πραγματικές δεξαμενές με πραγματικά μοντέλα πλοίων.
Πώς δουλεύουν οι γνωστοί «βολβοί» των πλοίων. Το βασικό κύμα του πλοίου (πράσινο), συνδυάζεται με το κύμα από τον βολβό (μπλε) και εξαιτίας της διαφοράς φάσης τους (δηλαδή το ότι δεν συμπίπτουν οι κορυφές τους), το τελικό κύμα (κόκκινο) είναι μικρότερο από το βασικό κύμα. Καθώς το μέγεθος του κύματος είναι ανάλογο με την ενέργεια που δαπανά το πλοίο, προκύπτει οικονομία στην κίνησή του.
Επάνω σκάφος εκτοπίσματος, κάτω σκάφος πλαναρίσματος. Η γάστρα του σκάφους πλαναρίσματος είναι πιο επίπεδη.
Τα σκάφη χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες.
Τα σκάφη εκτοπίσματος και τα σκάφη πλαναρίσματος.
Στα πρώτα, το εκτόπισμά τους (δηλαδή ο όγκος του βυθισμένου τμήματός τους) δεν αλλάζει ουσιαστικά με την ταχύτητα, ενώ στα σκάφη πλαναρίσματος μειώνεται δραστικά.
Τα σκάφη εκτοπίσματος περιορίζονται πρακτικά στη μέγιστη ταχύτητά τους από το μήκος της ισάλου τους (τεχνικά μπορούν να την υπερβούν, αλλά με δυσανάλογα μεγάλη χρήση ισχύος).
Όσο μακρύτερη η ίσαλός τους, τόσο πιο γρήγορα μπορούν να κινηθούν.
Ένας γενικός τύπος (που προκύπτει από τον τύπο του Froude) και δίνει την πρακτικά μέγιστη ταχύτητα (σε κόμβους) για τα σκάφη εκτοπίσματος είναι: 1.4 επί την τετραγωνική ρίζα του μήκους της ισάλου (σε πόδια), ενώ η οικονομική ταχύτητα προκύπτει χωρίς τον παραπάνω συντελεστή.
Ένας γενικός τύπος (που προκύπτει από τον τύπο του Froude) και δίνει την πρακτικά μέγιστη ταχύτητα (σε κόμβους) για τα σκάφη εκτοπίσματος είναι: 1.4 επί την τετραγωνική ρίζα του μήκους της ισάλου (σε πόδια), ενώ η οικονομική ταχύτητα προκύπτει χωρίς τον παραπάνω συντελεστή.
Δηλαδή, ένα σκάφος με μήκος ισάλου 25 πόδια έχει οικονομική ταχύτητα 5 κόμβους, ενώ πρακτικά η μέγιστη ταχύτητά του είναι 7 κόμβοι.
Αντίθετα, τα σκάφη πλαναρίσματος (αυτά που ονομάζουμε ταχύπλοα), καθώς επιταχύνουν μπορούν να περάσουν εύκολα από την ταχύτητα εκτοπίσματος στην ταχύτητα πλαναρίσματος, οπότε η μέγιστη ταχύτητά τους περιορίζεται πρακτικά μόνο από την ισχύ της μηχανής τους.
Το μειονέκτημά τους είναι ότι σε κακοκαιρία, όταν δεν είναι εφικτό ή ασφαλές να κινηθούν σε ταχύτητα πλαναρίσματος, εξαιτίας της ρηχής σχετικά γάστρας τους είναι ευάλωτα στον έντονο κυματισμό.
Πώς μεταβάλλεται η αντίσταση της γάστρας ενός πλοίου, σε σχέση με την ταχύτητά του. Είναι φανερή η πολύ χαμηλότερη αντίσταση της γάστρας πλαναρίσματος. Είναι ενδιαφέρον, ότι η αύξηση της αντίστασης πριν το πλανάρισμα μοιάζει με την αεροδυναμική αύξηση της αντίστασης ενός αεροπλάνου, πριν από το φράγμα του ήχου. Η κατακόρυφη καφέ γραμμή αντιπροσωπεύει το όριο, που αν υπάρχει αρκετή ισχύς για την υπέρβασή του και το κατάλληλο σχήμα από το όχημα (στο νερό ή στον αέρα), πλέον μόνο η διαθέσιμη ισχύς (και η αντοχή της κατασκευής) θέτει όριο στην ταχύτητα.
Το σχήμα εξηγεί, γιατί ένα σκάφος εκτοπίσματος αυξάνοντας την ταχύτητά του συναντά σε κάποια τιμή της έναν «λόφο» που είναι δύσκολο να υπερβεί. Καθώς επιταχύνει, το μήκος του κύματος που δημιουργεί αυξάνεται, και όταν γίνει ίσο με την ίσαλο του σκάφους, η πλώρη σηκώνεται και η πρύμνη χαμηλώνει, έτσι ώστε το σκάφος για να επιταχύνει περισσότερο, πρέπει να υπερβεί κυριολεκτικά έναν λόφο νερού. Τα σκάφη πλαναρίσματος, παρόλο που ξεκινούν και αυτά σαν σκάφη εκτοπίσματος στις μικρές ταχύτητες, έχουν να υπερβούν πολύ μικρότερο λόφο, καθώς το σχέδιό τους τους επιτρέπει να μειώνουν προοδευτικά το εκτόπισμά τους, «ανεβαίνοντας» κυριολεκτικά επάνω στο νερό. Τα σκάφη της εικόνας κινούνται με ταχύτητες που αντιστοιχούν (από πάνω προς τα κάτω) σε αριθμούς Froude από 0.2 μέχρι 0.5.
Η ακραία μορφή του πλαναρίσματος, όταν ουσιαστικά μόνον οι έλικες είναι μέσα στο νερό.
Κάτι ενδιαφέρον με τα κύματα που δημιουργούνται από ένα σκάφος είναι ότι έχουν σταθερή γωνία ανεξάρτητα από την ταχύτητα του σκάφους, ΕΦΟΣΟΝ ΟΜΩΣ το σκάφος κινείται με ταχύτητα σκάφους εκτοπίσματος (αριθμός Froude μικρότερος του 0.6). Για ένα σκάφος πλαναρίσματος όμως, που κινείται με ταχύτητα που αντιστοιχεί σε αριθμό Froude μεγαλύτερο του 1.0, η γωνία αυτή μειώνεται όσο η ταχύτητα αυξάνεται.
Όταν δοκιμάζονται μοντέλα, πρέπει να εξασφαλίζεται ότι ο αριθμός Froude είναι ο ίδιος με του πραγματικού σκάφος (εικόνα επάνω). Απλοποιημένα, αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητά τους θα πρέπει να είναι όση η πραγματική επί την τετραγωνική ρίζα της αναλογίας των μεγεθών. Δηλαδή αν το μοντέλο είναι 100 φορές μικρότερο του πραγματικού, η ταχύτητά του θα πρέπει να είναι 10 φορές μικρότερη. Αντίστοιχα, για να φαίνεται η κίνησή του ρεαλιστική σε σχέση με τα κύματα, θα πρέπει η ταχύτητα του βίντεο να μπορεί να μειωθεί κατά την ίδια αναλογία, δηλαδή κατά 10 φορές.
Η "ανάστροφη" πλώρη*, η Χ bow (επάνω αριστερά), ή ακόμα και η ίσια πλώρη (axe bow), μειώνει την κατακόρυφη ταλάντευση του σκάφους (πρόνευση), την οποία η συμβατική πλώρη (επάνω δεξιά) ενισχύει, επειδή το εκτόπισμα του εμπρός τμήματος του σκάφους (άρα και η άνωση) αυξάνεται σημαντικά καθώς η συμβατική πλώρη βυθίζεται σ' ένα μεγάλο κύμα.
Και όμως υπάρχει τρόπος ένα σκάφος εκτοπίσματος να γίνει πιο αποτελεσματικό σε εξοικονόμηση καυσίμου από ένα κλασικό σκάφος πλαναρίσματος, αρκεί να είναι καταμαράν!
Οι πολύ στενές γάστρες του καταμαράν έχουν πολύ μικρή αντίσταση εκτοπίσματος, ακόμα και αν θεωρήσουμε και τις δύο μαζί. Στον πίνακα, η κάτω γραμμή (DISPL CAT) δείχνει την κατανάλωση ενός καταμαράν εκτοπίσματος, ενώ η στικτή γραμμή από επάνω ( PLANING MONOHULL) ένα κλασικό σκάφος πλαναρίσματος. Σε ταχύτητες μάλιστα πάνω από 24 κόμβους, το καταμαράν πλαναρίσματος (PLANING CAT) δεν έχει αντίπαλο (εκτός από υδροπτέρυγα και hovercraft, εφόσον όμως τα θεωρήσουμε σκάφη!)
Η πρώτη εικόνα είναι από πλοίο εκτοπίσματος, οπότε η γωνία α είναι σταθερή στις περίπου 20 μοίρες (και αυτή η τιμή ισχύει για οποιαδήποτε ταχύτητα* ενός οποιουδήποτε πλοίου εκτοπίσματος).
Η δεύτερη εικόνα είναι από σκάφος πλαναρίσματος, οπότε η γωνία α είναι σαφώς μικρότερη.
*Εφόσον η κίνησή του δημιουργεί κάποιον αξιόλογο κυματισμό.
* Ανάστροφη πλώρη έχει το ιστορικό θωρηκτό "Αβέρωφ" αλλά και οι μελλοντικές φρεγάτες του ΠΝ τύπου Belharra, για πολύ διαφορετικούς όμως λόγους. Την εποχή του "Αβέρωφ" ο εμβολισμός, μέθοδος τόσο αρχαία όσο και οι τριήρεις, αποτελούσε μια έσχατη επιλογή, ενώ για τις Belharra είναι επιλογή που δίνει σταθερότερη πλεύσης στα κύματα της Μεσογείου.
Στρωτή ροή νερού που εκτοξεύεται από σιντριβάνι με ειδική συσκευή στο στόμιό του, η οποία εξασφαλίζει ώστε η ροή του νερού γίνεται παράλληλη με τα τοιχώματα λίγο πριν εγκαταλείψει τη συσκευή. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιείται στη δημιουργία περίτεχνων πιδάκων σε ξενοδοχεία κλπ, καθώς το νερό του πίδακα είναι συμπαγές και ιδιαίτερα διαυγές. Η επιφανειακή τάση του νερού βοηθάει στη συνέχεια την διατήρηση αδιατάρακτης της κυλινδρικής επιφάνειάς του.
Η νεότερη εξέλιξη για τα υποβρύχια οχήματα, προβλέπει την αξιοποίηση του φαινομένου της υπερσπηλαίωσης (supercavitation), εικόνα επάνω. Καθώς το σκάφος κινείται με μεγάλη ταχύτητα μέσα στο νερό, μια μικρή επίπεδη επιφάνεια κατάλληλα διαμορφωμένη στο ρύγχος του δημιουργεί αρκετή υποπίεση, ώστε το νερό να ατμοποιηθεί και να περιβάλλει το σκάφος με μια μακρόστενη φυσαλίδα αέρα (ατμού στην πραγματικότητα), μειώνοντας κατά πολύ την αντίστασή του. Μέχρι να φθάσει όμως το σκάφος στις ταχύτητες αυτές, γίνεται έγχυση αέρα από το ρύγχος του (από αποθηκευμένο αέρα μέσα στο σκάφος), ο οποίος θα διαστέλλεται και το αγκαλιάζει, με το ίδιο αποτέλεσμα.
Μια άλλη χρήση της υπερσπηλαίωσης είναι η κατασκευή βλημάτων που μπορούν να βάλλονται μέσα στο νερό χωρίς πολύ σημαντική μείωση της εμβέλειάς τους, καθώς ένα συνηθισμένο βλήμα (βολίδα) είτε διασπάται με την επαφή με το νερό (εφόσον βληθεί με υψηλή υπερηχητική ταχύτητα), είτε χάνει την αποτελεσματικότητά του μετά από μόλις μερικά μέτρα. Στην εικόνα κάτω, φαίνεται μια σφαίρα υπερπηλαίωσης, με το χαρακτηριστικό κωνικό σχήμα στο μεγαλύτερο τμήμα του βλήματος και ένα αυλάκι περιμετρικά κοντά στην αιχμή του, που είναι αυτό που δημιουργεί το "τούνελ" ατμού μέσα στο οποίο κινείται το βλήμα με πολύ μειωμένη αντίσταση. Απαιτείται πάντως κατασκευή ακριβείας με πολύ "σφιχτές" ανοχές.
Μπορεί να αφορά τα στατικά υγρά, πρόκειται όμως για μια εντυπωσιακή εφαρμογή της αρχής του Αρχιμήδη, στον Τροχό του Falkirk στη Σκωτία. Για να αλλάξουν κανάλια με υψομετρική διαφορά, τα σκάφη φορτώνονται σε μία (ή και τις δύο) από τις αντιδιαμετρικές δεξαμενές, οι οποίες διατηρούνται πάντα "ξέχειλες" με νερό και (με μηχανισμό) συνεχώς οριζόντιες. Καθώς το σκάφος μπαίνει στη δεξαμενή, νερό ίσο με το βάρος του σκάφους υπερχειλίζει, με αποτέλεσμα το βάρος κάθε δεξαμενής να διατηρείται σταθερό, με σκάφος ή χωρίς. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να χρειάζεται ισχύς μόνο 22.5 kW για την περιστροφή των δεξαμενών, που αντιστοιχεί στις τριβές του γιγάντιου μηχανισμού.
BERNOULLI vs COANDA
Κάθε μαθητής Λυκείου γνωρίζει, ότι η αιτία που η πτέρυγα ενός αεροπλάνου δημιουργεί άντωση (δυναμική άνωση) ώστε το αεροπλάνο να πετάει, είναι η αρχή του Bernoulli.
Θυμίζουμε ότι σύμφωνα με την αρχή αυτή, όταν ο αέρας συναντά μια πτέρυγα που κινείται, χωρίζεται σε ένα τμήμα που περνά από το επάνω μέρος της και ένα που περνά από κάτω.
Οι «βρώμικες» εξατμίσεις σ’ αυτό αεροσκάφος δίνουν μια θαυμάσια ευκαιρία να δούμε τη ροή του αέρα πάνω από την πτέρυγα. Στο κάτω μέρος του αεροσκάφους διακρίνεται το ανοιγμένο αερόφρενο, για σταθεροποίηση κατά τη βύθιση..
Eπειδή όμως η τυπική πτέρυγα έχει μεγαλύτερη καμπυλότητα στο επάνω τμήμα της παρά στο κάτω, ο αέρας στο επάνω μέρος κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα, που σημαίνει (σύμφωνα με την παραπάνω αρχή) ότι στην επάνω επιφάνεια θα επικρατεί χαμηλότερη ατμοσφαιρική πίεση απ’ ότι από κάτω, άρα δημιουργείται ΑΝΤΩΣΗ επάνω στο φτερό. Σύμφωνοι?
Ωραία, τότε όμως πώς εξηγείται ότι πολλά αεροπλάνα μπορούν να πετούν και ανάποδα, άλλα (τα ακροβατικά) έχουν ΤΕΛΕΙΩΣ συμμετρικές πτέρυγες, ενώ πολλά υπερελαφρά έχουν υφασμάτινη πτέρυγα με ΜΙΑ μόνο καμπύλη, δηλαδή χωρίς καθόλου πάχος?
Η κλασική εξήγηση της δημιουργίας άντωσης στην πτέρυγα, σύμφωνα με την αρχή του Bernoulli.
Ανεξάρτητα από την εξήγηση, το αποτέλεσμα είναι ότι στο επάνω μέρος της πτέρυγας δημιουργείται υποπίεση, κάτι που οπτικοποιείται εντυπωσιακά από τη συμπύκνωση της υγρασίας την ώρα της απογείωσης, ενώ ταυτόχρονα η κάμψη των πτερύγων δείχνει τη φόρτισή τους.
Αυτό που συμβαίνει, είναι κάτι που είχε παρατηρήσει ο Ρουμάνος εφευρέτης COANDA νωρίς στον 20ο αιώνα.
Για να εξηγήσουμε τι ακριβώς παρατήρησε, κάντε ένα πολύ απλό πείραμα, αν δεν το γνωρίζετε ήδη. Πάρτε ένα κουταλάκι, και κρατώντας το ελαφρά από την άκρη της λαβής του, πλησιάστε το στη ροή του νερού μιας βρύσης, με τρόπο ώστε το νερό να «γλύφει» την κυρτή (πίσω) επιφάνεια του κουταλιού. Θα δείτε (ενδεχομένως με έκπληξη) ότι η ροή του νερού «έλκει» το κουτάλι προς το μέρος της.
Αυτό συμβαίνει επειδή η ροή του νερού εξαιτίας «συνάφειας» με την επιφάνεια του κουταλιού, ακολουθεί την καμπύλη του, οπότε τη στιγμή που εγκαταλείπει το χείλος του κινείται ήδη εφαπτομενικά με το «χείλος εκφυγής» του. Τα υπόλοιπα τα αναλαμβάνει ο γνωστός νόμος του Νεύτωνα για τη Δράση – Αντίδραση.
Το πείραμα με το κουταλάκι στη ροή του νερού. Η εκτροπή του νερού προς τα δεξιά, ωθεί το κουταλάκι προς τ’ αριστερά.
Με τελείως αντίστοιχο τρόπο, μια πτέρυγα εξαιτίας του σχήματός της κατευθύνει τη ροή του αέρα που την εγκαταλείπει ελαφρά προς τα κάτω, και τελικά είναι αυτή η συνιστώσα την προς τα κάτω κίνησης του αέρα που δημιουργεί σαν αντίδραση την άντωση της πτέρυγας.
Αυτή η εξήγηση καλύπτει ΟΛΕΣ τις περίεργες περιπτώσεις που προαναφέραμε, καθώς η γωνία του αεροπλάνου, άρα και της πτέρυγάς του κατά την πτήση (ίσια ή ανάποδα), προκαλεί πάντα μια μικρή επιτάχυνση του αέρα προς τα κάτω.
Το φαινόμενο Coanda είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην κάμψη της ροής του αέρα σε μεγάλες γωνίες.
Με τον ίδιο τρόπο δουλεύουν τα πανιά των ιστιοφόρων στα όρτσα (εκεί η άντωση είναι οριζόντια), και οι πτέρυγες στα αυτοκίνητα της F1 (εκεί η άντωση είναι ανάποδα).
Και θα αναρωτηθείτε, μα σε τίποτα τελικά δεν χρησιμεύει αυτή η περίφημη αρχή του Bernoulli?
Φυσικά και χρησιμεύει, είναι αυτή που κάνει τον αέρα να «κολλάει» στην καμπύλη επιφάνεια μιας πτέρυγας και να την ακολουθεί μέχρι να την εγκαταλείψει, οπότε εκεί αναλαμβάνει η αρχή του Coanda!
Τελικά δεν είναι Bernoulli vs Coanda, είναι μάλλον Bernoulli + Coanda!
ΥΓ: Ο ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ DYSON
Μια ...σπιτική εφαρμογή του φαινόμενου Coanda είναι ο ανεμιστήρας Dyson (από το όνομα του εφευρέτη του). Πρόκειται για έναν δακτύλιο που σχηματίζει περιφερειακά και προς το εσωτερικό του ένα συνεχόμενο στόμιο Coanda. Ένας φυγοκεντρικός ανεμιστήρας διοχετεύει αέρα στον δακτύλιο από κάτω, ο οποίος βγαίνει "γλύφοντας" τα εσωτερικά τοιχώματα του δακτυλίου και με μεγάλη ταχύτητα.
Η κίνηση αυτή του δακτυλιδιού του ρεύματος του αέρα δημιουργεί υποπίεση και παρασύρει πολλαπλάσια ποσότητα αέρα του περιβάλλοντος μέσα από τον δακτύλιο, αυξάνοντας κατά πολύ την απόδοση του συστήματος σαν ανεμιστήρα.
Ήδη δοκιμάζονται και drones (multicopters) με αυτό το σύστημα αντί για έλικες, με το πρόσθετο πλεονέκτημα (πέρα δηλαδή της πολύ υψηλότερης απόδοσης), της μεγάλης ασφάλειας εξαιτίας της απουσίας εξωτερικών ελίκων.
Γ. Μεταξάς
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου