Ilmanvastus

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

Pyöreän ja neliskanttisen tolpan ilmanvastusvoimat ovat suuria.
Oikealla muotoilulla tilanne korjaantuu merkittävästi.

 

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:

F = ½ s v² A Cv
missä F_v on vastusvoima, s 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.
Puutavarayhdistelmien ilmanvastusvoimia on edullisinta mitata / vertailla  maantieolosuhteissa vierintäkokein ja saatujen tulosten perusteella tietokonesimuloinnein.

Vastuksen komponentit (erityisesti lentokoneessa):

• kitkavastus johtuu ilman viskooseista ominaisuuksista
• kappaleen pinnan läheisyydessä on rajakerros (lentokoneella 0,01 mm – muutama millimetri pinnasta ulospäin, maapallon ilmakehässä rajakerrosta on satoja metrejä), jossa virtaus hidastuu s.e. pinnan ja ilman välinen suhteellinen liike loppuu pinnassa
• niin kauan kuin 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 kappaleen liikkuessa ilmassa. Kappaleen virtaviivaisuus vähentää painevastusta. Tämän takia muun muassa autojen ja ammusten perää muotoillaan juohevammaksi, jotta peräpainevastus pienenee
• indusoitunut vastus riippuu siiven nostovoimasta, ja se on ominainen lentokoneille
• interferenssivastus syntyy eri pintojen yli virtaavien virtausten jälleen yhdistyessä
• loisvastus syntyy kaikista pienosista, muun muassa radioantenneista, elektroniikan jäähdytysilmanottoaukoista yms.

   

Ps. Puutavarayhdistelmän ilmanvastusvoimat ovat kuorma-automallistojen suurimmat (huonoimmat) sekä tyhjänä-, että kuormattuna ajossa. Oikealla muotoilulla ja kuorman nippuväleillä kyetään jo nyt pienentämään turhia ilmanvastuksesta aiheutuvia polttoainekuluja jopa 5-15 prosentilla. - Suomessa on vuosien varrella tehty merkittävässä määrin työtä puutavarayhdistelmän varusteitten kehittämiseksi, ja siksi tietotaito on myöskin meillä pisimmällä.