อากาศพลศาสตร์

อากาศพลศาสตร์ (อังกฤษ: Aerodynamics) มาจากภาษากรีก ἀήρ Aer (อากาศ) + δυναμική (itself from-ตัวของมันเองมาจาก) δύναμις dynamis (force ; specially, miraculous power), (แรง ; เป็นพิเศษ, มีอำนาจน่าอัศจรรย์), เป็นสาขาของวิชาพลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาการเคลื่อนที่ของอากาศ, โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมันมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุที่เป็นของแข็ง อากาศพลศาสตร์เป็นหน่วยย่อยของพลศาสตร์ของไหลและพลศาสตร์ก๊าซ, ด้วยทฤษฎีที่ใช้ร่วมกันอย่างมากมายระหว่างกัน อากาศพลศาสตร์มักจะใช้คำที่มีความหมายเหมือนกันกับพลศาสตร์ก๊าซด้วยความแตกต่างที่ว่าพลศาสตร์ก๊าซสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับก๊าซทั้งหมด, ไม่จำกัดเฉพาะกับอากาศ^[1]

วังวนถูกสร้างขึ้นโดยแนวทางผ่านของปีกเครื่องบินเผยให้เห็นควันม้วนตัวอยู่ กระแสลมวน เป็นส่วนหนึ่งของปรากฏการณ์มากมายที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาของอากาศพลศาสตร์ กระแสลมวนถูกสร้างขึ้นโดยความแตกต่างของความดันระหว่างพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของปีก อากาศจะไหลจากบริเวณความดันสูงด้านล่างของปีกไปสู่บริเวณความดันที่ต่ำกว่าที่อยู่ด้านบนพื้นผิวของปีก

การศึกษาอากาศพลศาสตร์อย่างเป็นทางการในแนวทางแห่งยุคสมัยใหม่เริ่มต้นขึ้นในศตวรรษที่สิบแปด แม้ว่าการสังเกตแนวคิดพื้นฐานเช่นการฉุดลากทางอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic drag) จะได้รับการจดบันทึกกันมากมาก่อนหน้านี้ ในที่สุดของความพยายามในช่วงยุคต้น ๆ ของงานที่เกี่ยวข้องกับทางด้านอากาศพลศาสตร์ทำให้สามารถบรรลุผลของการบินของอากาศยานที่หนักกว่าอากาศซึ่งได้รับการแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกโดยวิลเบอร์และออร์วิลไรท์ (Wilbur and Orville Wright) ในปี 1903 ตั้งแต่นั้นมาการใช้อากาศพลศาสตร์ผ่านการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์, การประมาณค่าจากการสังเกตทางการทดลอง, การทดลองในอุโมงค์ลม, และการจำลองสถานการณ์ด้วยคอมพิวเตอร์ได้กลายมาเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในการศึกษาทางด้านการบินของอากาศยานที่หนักกว่าอากาศและจำนวนของเทคโนโลยีอื่น ๆ งานล่าสุดเมื่อไม่นานมานี้ในวิชาอากาศพลศาสตร์ได้มุ่งเน้นในประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการไหลแบบอัดตัว (compressible flow), ความปั่นป่วน (turbulence) และชั้นขอบเขต (boundary layers) และได้กลายมาเป็นเชิงทางด้านการคำนวณ (computational) เกี่ยวข้องกับธรรมชาติมากขึ้นเรื่อย ๆ

ภาพรวม

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอากาศ (มักเรียกว่าสนามการไหล) รอบวัตถุช่วยในการคำนวณเกี่ยวกับแรงและช่วงเวลาที่กระทำต่อวัตถุ คุณสมบัติโดยทั่วไปในการคำนวณสำหรับสนามการไหลประกอบด้วยความเร็ว, ความดัน, ความหนาแน่น และ อุณหภูมิ เป็นฟังก์ชันของตำแหน่งเชิงพื้นที่และเวลา

ประวัติ

วิชาอากาศพลศาสตร์สมัยใหม่ไม่ได้แต่เพียงแค่ย้อนเวลากลับไปในช่วงประมาณศตวรรษที่สิบเจ็ดเท่านั้น แต่แรงทางอากาศพลศาสตร์นั้นได้ถูกควบคุมโดยมนุษย์มานับเป็นเวลาพัน ๆ ปี โดยใช้ในเรือใบและกังหันลม^[2] และภาพและเรื่องราวได้ปรากฏมีบันทึกอยู่มาโดยตลอดในประวัติศาสตร์ของการบิน^[3] เช่นตำนานของอิคะเริส (Icarus) และ เดดะเลิส (Daedalus) แห่งยุคกรีกโบราณ (Ancient Greek)^[4] แนวคิดพื้นฐานของความต่อเนื่อง (continuum), แรงต้าน (drag), และเกรเดียนท์ของความดัน (pressure gradient),มีปรากฏอยู่ในงานของอาริสโตเติลและอาร์คิมิดิส^[5]

ในปี ค.ศ. 1726, เซอร์ ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) กลายเป็นบุคคลคนแรกในการพัฒนาทฤษฎีของแรงต้านของอากาศ (air resistance)^[6] ทำให้เขาเป็นนักอากาศพลศาสตร์ (aerodynamicists) คนแรกในประวัติศาสตร์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1738 นักคณิตศาสตร์ชาว ดัตช์-สวิส ชื่อ แดเนียล แบร์นูลลี (Daniel Bernoulli) กับคัมภีร์ที่มีชื่อว่า Hydrodynamica, ที่เขาได้อธิบายถึงความสัมพันธ์ขั้นพื้นฐานระหว่างความดัน, ความหนาแน่น, และ ความเร็วของการไหล สำหรับการไหลแบบไม่อัดตัว (incompressible flow) ^[7] ได้กลายเป็นที่รู้จักกันของผู้คนในทุกวันนี้ว่าเป็น หลักของแบร์นูลลี (Bernoulli's principle) ^[8] ซึ่งเป็นวิธีการในการคำนวณวิธีหนึ่งสำหรับการคำนวณทางด้านอากาศพลศาสตร์ของแรงยก (aerodynamic lift)^[9] ในปี ค.ศ. 1757 เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ได้ตีพิมพ์สมการออยเลอร์แบบที่ทั่วไปมากขึ้นซึ่งอาจจะนำไปใช้ได้กับทั้งการไหลของของไหลแบบที่บีบอัดตัวได้และการไหลแบบที่บีบอัดตัวไม่ได้ สมการออยเลอร์ได้ถูกขยายไปสู่การรวมผลกระทบของความหนืดเข้าไว้ด้วยในช่วงครึ่งแรกของปี 1800, ส่งผลให้เกิดเป็นสมการนาเวียร์-สโตกส์ (Navier-Stokes equations)^[10][11] สมการนาเวียร์-สโตกส์ เป็นสมการที่ใช้กันทั่วไปในการไหลของของไหล แต่เป็นเรื่องยากที่จะแก้ปัญหาสำหรับการไหลแบบไหลเวียนรอบ ๆ แต่เป็นรูปทรงที่เรียบง่ายที่สุด ในปี ค.ศ. 1799, เซอร์ จอร์จ เคย์ลีย์ (George Cayley) กลายเป็นบุคคลแรกที่ระบุแรงทางอากาศพลศาสตร์ทั้งสี่ของการบิน (น้ำหนัก, แรงยกทางอากาศพลศาสตร์, แรงต้าน (drag), และแรงผลัก (thrust)) ตลอดจนความสัมพันธ์ระหว่างแรงเหล่านั้น,^[12][13] และในการทำเช่นนั้นได้สรุปเส้นทางสู่ความสำเร็จในการบินที่หนักกว่าอากาศในศตวรรษต่อมา ในปี ค.ศ.1871 ฟรานซิส เฮอร์เบิร์ต เวนแฮม (Francis Herbert Wenham) ได้สร้างอุโมงค์ลมขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจวัดแรงตามหลักอากาศพลศาสตร์ได้อย่างแม่นยำ ทฤษฎีแรงต้าน (Drag theory) ได้รับการพัฒนาโดย ฌ็อง เลอ รง ดาล็องแบร์ (Jean le Rond d'Alembert),^[14] กุสทัฟ เคียร์ชฮ็อฟ (Gustav Kirchhoff),^[15] และ ลอร์ด เรย์ลี่ (Lord Rayleigh),^[16]

ดูเพิ่ม

• การเดินอากาศ
• พลศาสตร์ของไหล
• พลศาสตร์ของไหลเชิงคณนา

อ้างอิง

1. A Dictionary of Aviation, David W. Wragg. ISBN 10: 0850451639 / ISBN 13: 9780850451634, 1st Edition Published by Osprey, 1973 / Published by Frederick Fell, Inc., NY, 1974 (1st American Edition.)
2. "Wind Power's Beginnings (1000 BC – 1300 AD) Illustrated History of Wind Power Development". Telosnet.com. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2010-12-02. สืบค้นเมื่อ 2011-08-24.
3. Berliner, Don (1997). Aviation: Reaching for the Sky. The Oliver Press, Inc. p. 128. ISBN 1-881508-33-1.
4. Ovid; Gregory, H. (2001). The Metamorphoses. Signet Classics. ISBN 0-451-52793-3. OCLC 45393471.
5. Anderson, John David (1997). A History of Aerodynamics and its Impact on Flying Machines. New York, NY: Cambridge University Press. ISBN 0-521-45435-2.
6. Newton, I. (1726). Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Book II.
7. http://www.lib.kmutt.ac.th/st4kid/nonFlash/services/getText.jsp?id=139%5Bลิงก์เสีย%5D
8. "สำเนาที่เก็บถาวร". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2016-05-24. สืบค้นเมื่อ 2015-04-04.
9. "Hydrodynamica". Britannica Online Encyclopedia. สืบค้นเมื่อ 2008-10-30.
10. Navier, C. L. M. H. (1827). "Memoire Sur les Lois du Mouvement des fluides". Mémoires de l'Académie des Sciences. 6: 389–440.
11. Stokes, G. (1845). "On the Theories of the Internal Friction of Fluids in Motion". Transactions of the Cambridge Philosophical Society. 8: 287–305.
12. "U.S Centennial of Flight Commission – Sir George Cayley". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 20 September 2008. สืบค้นเมื่อ 2008-09-10. Sir George Cayley, born in 1773, is sometimes called the Father of Aviation. A pioneer in his field, he was the first to identify the four aerodynamic forces of flight – weight, lift, drag, and thrust and their relationship. He was also the first to build a successful human-carrying glider. Cayley described many of the concepts and elements of the modern airplane and was the first to understand and explain in engineering terms the concepts of lift and thrust.
13. Cayley, George. "On Aerial Navigation" Part 1 เก็บถาวร 2013-05-11 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, Part 2 เก็บถาวร 2013-05-11 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, Part 3 เก็บถาวร 2013-05-11 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน Nicholson's Journal of Natural Philosophy, 1809–1810. (Via NASA). Raw text. Retrieved: 30 May 2010.
14. d'Alembert, J. (1752). Essai d'une nouvelle theorie de la resistance des fluides.
15. Kirchhoff, G. (1869). "Zur Theorie freier Flussigkeitsstrahlen". Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1869 (70): 289–298. doi:10.1515/crll.1869.70.289. S2CID 120541431.
16. Rayleigh, Lord (1876). "On the Resistance of Fluids". Philosophical Magazine. 2 (13): 430–441. doi:10.1080/14786447608639132.

อ่านเพิ่ม

General aerodynamics

• Anderson, John D. (2007). Fundamentals of Aerodynamics (4th ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-125408-3. OCLC 60589123.
• Bertin, J. J.; Smith, M. L. (2001). Aerodynamics for Engineers (4th ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-064633-4. OCLC 47297603.
• Smith, Hubert C. (1991). Illustrated Guide to Aerodynamics (2nd ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-8306-3901-2. OCLC 24319048.
• Craig, Gale (2003). Introduction to Aerodynamics. Regenerative Press. ISBN 0-9646806-3-7. OCLC 53083897.

Subsonic aerodynamics

• Katz, Joseph; Plotkin, Allen (2001). Low-Speed Aerodynamics (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-66552-3. OCLC 43970751.
• Obert, Ed (2009). Aerodynamic Design of Transport Aircraft ที่กูเกิล หนังสือ. Delft; About practical aerodynamics in industry and the effects on design of aircraft. ISBN 978-1-58603-970-7.

Transonic aerodynamics

• Moulden, Trevor H. (1990). Fundamentals of Transonic Flow. Krieger Publishing Company. ISBN 0-89464-441-6. OCLC 20594163.
• Cole, Julian D; Cook, L. Pamela (1986). Transonic Aerodynamics. North-Holland. ISBN 0-444-87958-7. OCLC 13094084.

Supersonic aerodynamics

• Ferri, Antonio (2005). Elements of Aerodynamics of Supersonic Flows (Phoenix ed.). Dover Publications. ISBN 0-486-44280-2. OCLC 58043501.
• Shapiro, Ascher H. (1953). The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, Volume 1. Ronald Press. ISBN 978-0-471-06691-0. OCLC 11404735.
• Anderson, John D. (2004). Modern Compressible Flow. McGraw-Hill. ISBN 0-07-124136-1. OCLC 71626491.
• Liepmann, H. W.; Roshko, A. (2002). Elements of Gasdynamics. Dover Publications. ISBN 0-486-41963-0. OCLC 47838319.
• von Mises, Richard (2004). Mathematical Theory of Compressible Fluid Flow. Dover Publications. ISBN 0-486-43941-0. OCLC 56033096.
• Hodge, B. K.; Koenig K. (1995). Compressible Fluid Dynamics with Personal Computer Applications. Prentice Hall. ISBN 0-13-308552-X. OCLC 31662199.

Hypersonic aerodynamics

• Anderson, John D. (2006). Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics (2nd ed.). AIAA. ISBN 1-56347-780-7. OCLC 68262944.
• Hayes, Wallace D.; Probstein, Ronald F. (2004). Hypersonic Inviscid Flow. Dover Publications. ISBN 0-486-43281-5. OCLC 53021584.

History of aerodynamics

• Chanute, Octave (1997). Progress in Flying Machines. Dover Publications. ISBN 0-486-29981-3. OCLC 37782926.
• von Karman, Theodore (2004). Aerodynamics: Selected Topics in the Light of Their Historical Development. Dover Publications. ISBN 0-486-43485-0. OCLC 53900531.
• Anderson, John D. (1997). A History of Aerodynamics: And Its Impact on Flying Machines. Cambridge University Press. ISBN 0-521-45435-2. OCLC 228667184.

Aerodynamics related to engineering

Ground vehicles

• Katz, Joseph (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed. Bentley Publishers. ISBN 0-8376-0142-8. OCLC 181644146.
• Barnard, R. H. (2001). Road Vehicle Aerodynamic Design (2nd ed.). Mechaero Publishing. ISBN 0-9540734-0-1. OCLC 47868546.

Fixed-wing aircraft

• Ashley, Holt; Landahl, Marten (1985). Aerodynamics of Wings and Bodies (2nd ed.). Dover Publications. ISBN 0-486-64899-0. OCLC 12021729.
• Abbott, Ira H.; von Doenhoff, A. E. (1959). Theory of Wing Sections: Including a Summary of Airfoil Data. Dover Publications. ISBN 0-486-60586-8. OCLC 171142119.
• Clancy, L.J. (1975). Aerodynamics. Pitman Publishing Limited. ISBN 0-273-01120-0. OCLC 16420565.

Helicopters

• Leishman, J. Gordon (2006). Principles of Helicopter Aerodynamics (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-85860-7. OCLC 224565656.
• Prouty, Raymond W. (2001). Helicopter Performance, Stability, and Control. Krieger Publishing Company Press. ISBN 1-57524-209-5. OCLC 212379050.
• Seddon, J.; Newman, Simon (2001). Basic Helicopter Aerodynamics: An Account of First Principles in the Fluid Mechanics and Flight Dynamics of the Single Rotor Helicopter. AIAA. ISBN 1-56347-510-3. OCLC 47623950.

Missiles

• Nielson, Jack N. (1988). Missile Aerodynamics. AIAA. ISBN 0-9620629-0-1. OCLC 17981448.

Model aircraft

• Simons, Martin (1999). Model Aircraft Aerodynamics (4th ed.). Trans-Atlantic Publications, Inc. ISBN 1-85486-190-5. OCLC 43634314.

Related branches of aerodynamics

Aerothermodynamics

• Hirschel, Ernst H. (2004). Basics of Aerothermodynamics. Springer. ISBN 3-540-22132-8. OCLC 228383296.
• Bertin, John J. (1993). Hypersonic Aerothermodynamics. AIAA. ISBN 1-56347-036-5. OCLC 28422796.

Aeroelasticity

• Bisplinghoff, Raymond L.; Ashley, Holt; Halfman, Robert L. (1996). Aeroelasticity. Dover Publications. ISBN 0-486-69189-6. OCLC 34284560.
• Fung, Y. C. (2002). An Introduction to the Theory of Aeroelasticity (Phoenix ed.). Dover Publications. ISBN 0-486-49505-1. OCLC 55087733.

Boundary layers

• Young, A. D. (1989). Boundary Layers. AIAA. ISBN 0-930403-57-6. OCLC 19981526.
• Rosenhead, L. (1988). Laminar Boundary Layers. Dover Publications. ISBN 0-486-65646-2. OCLC 17619090.

Turbulence

• Tennekes, H.; Lumley, J. L. (1972). A First Course in Turbulence. The MIT Press. ISBN 0-262-20019-8. OCLC 281992.
• Pope, Stephen B. (2000). Turbulent Flows. Cambridge University Press. ISBN 0-521-59886-9. OCLC 174790280.

แหล่งข้อมูลอื่น

• NASA Beginner's Guide to Aerodynamics เก็บถาวร 2012-07-15 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Aerodynamics for Students
• Aerodynamics for Pilots
• Aerodynamics and Race Car Tuning
• Aerodynamic Related Projects เก็บถาวร 2018-12-13 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• eFluids Bicycle Aerodynamics เก็บถาวร 2009-12-15 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Application of Aerodynamics in Formula One (F1)
• Aerodynamics in Car Racing เก็บถาวร 2009-12-06 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Aerodynamics of Birds เก็บถาวร 2010-03-24 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• NASA Aerodynamics Index