Cơ học chất khí

Cơ học chất khí nghiên cứu sự chuyển động của chất khí, với những khám phá đầu tiên từ George Cayley vào thế kỷ 19. Những giải pháp cho các vấn đề trong lĩnh vực này bao gồm tính toán các đặc điểm như tốc độ, áp suất, mật độ và nhiệt độ của dòng khí, dựa trên không gian và thời gian. Hiểu rõ các đặc tính này giúp tính toán chính xác hoặc gần đúng các lực và mômen lên hệ thống dòng chảy.

Môn cơ học chất khí áp dụng các phương pháp toán học và thực nghiệm. Ngành này có nhiều ứng dụng thực tiễn, chẳng hạn như là cơ sở cho việc thiết kế máy bay.

Các vấn đề trong cơ học chất khí được phân loại theo nhiều tiêu chí. Một trong số đó là phân loại theo môi trường dòng chảy, bao gồm khí động học ngoại biên và khí động học nội biên. Khí động học ngoại biên nghiên cứu sự chuyển động của khí xung quanh các vật thể rắn, ứng dụng của nó bao gồm tính toán lực nâng và lực kéo trên cánh máy bay, hay lực hãm ở đầu tên lửa. Trong khi đó, khí động học nội biên tập trung vào dòng khí qua các động cơ phản lực hoặc ống của máy điều hòa không khí.

Khí động lực học còn có thể được phân loại dựa trên tỷ lệ vận tốc của dòng khí so với vận tốc âm thanh. Nếu vận tốc dòng khí nhỏ hơn vận tốc âm thanh, được gọi là dòng khí dưới âm tốc; nếu lớn hơn, là dòng khí siêu thanh; và nếu vượt xa vận tốc âm thanh nhiều lần, là dòng khí cực siêu thanh.

Độ nhớt tạo ra một cách phân loại khác trong lĩnh vực này. Trong một số tình huống, ảnh hưởng của độ nhớt có thể không đáng kể, và dòng chảy được xem là không có độ nhớt. Ngược lại, nếu độ nhớt không thể bỏ qua, dòng chảy được gọi là dòng chảy có tính nhớt.

Xe hơi

Eduard Rumpler, một nhà thiết kế nổi tiếng và là người sáng lập ngành hàng không Đức, là người đầu tiên đưa ra mô hình khí động học cho xe hơi. Những hiểu biết giá trị từ ngành công nghiệp ôtô trong thời gian chiến tranh thế giới thứ nhất đã giúp ông thuyết phục ngành công nghiệp ôtô về lợi ích vượt trội của khí động lực học. Vào năm 1921, chiếc xe có thiết kế giống giọt nước mà ông sáng tạo đã gây ấn tượng mạnh tại triển lãm ôtô năm đó với hệ số cản gió chỉ 0,27, trong khi hệ số cản gió trung bình của các loại xe đến tận năm 1984 vẫn ở mức 0,4.

Một năm sau khi chiếc xe của Rumpler ra mắt, Paul Jaray, khi mới 33 tuổi, đã nhận được bằng sáng chế cho phát minh “xe của tương lai”. Kỹ sư trẻ người Hungary đã dành phần lớn thời gian và công sức để nghiên cứu sự cản trở của không khí, tính toán các yếu tố khí động học để thiết kế chiếc xe mà ông tin sẽ là mẫu thiết kế tiêu biểu trong tương lai.

Từ góc độ vật lý, Jaray cho rằng thiết kế đuôi xe vuông vức giống như xe ngựa hoàn toàn không hợp lý. Khi xe di chuyển, phần đuôi hình vuông sẽ tạo ra một khu vực chân không do dòng khí chuyển động hỗn loạn và xoáy. Sự chênh lệch giữa áp suất lớn ở đầu xe và áp suất chân không ở đuôi xe sẽ làm tăng đáng kể lực cản không khí, yêu cầu xe phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Để khắc phục vấn đề này, Paul Jaray đã thiết kế phần đuôi xe với những đường cong mượt mà theo hướng chuyển động, giúp dòng khí thoát ra sau xe mà không tạo ra điểm xoáy cục bộ.

Ngành công nghiệp ôtô đã bỏ qua phát minh của Paul Jaray suốt một thập kỷ, và nó có thể bị lãng quên hoàn toàn nếu không có một sự thay đổi lớn trong suy nghĩ của các kỹ sư ôtô. Vào những năm 1930-1940, đua ôtô bỗng trở thành xu hướng, một cách để các nhà sản xuất ôtô chứng tỏ tài năng sau cuộc đại suy thoái năm 1929. Dưới áp lực thành tích từ các ông chủ, các kỹ sư, thường chỉ tập trung vào các khía cạnh kỹ thuật, đã cố gắng tạo ra những chiếc xe ngày càng nhanh hơn. Tuy nhiên, tại cuộc đua Le Mans năm 1937, chiếc Adler Trumpf Rennsport Coupe với động cơ 1,7 lít đã gây ấn tượng mạnh với hai chiến thắng trước các đối thủ động cơ 2 lít. Bí quyết của Adler là: Trumpf Rennsport Coupe có công nghệ và khí động học vượt trội.

Kể từ đó, ngành công nghiệp ôtô đã có những bước tiến đáng kể. Ngày nay, tất cả các loại xe đều chú trọng đến yếu tố khí động học, giúp xe tiết kiệm nhiên liệu hơn nhiều so với trước đây.

Máy bay

Trên Trái Đất, trọng lực do lực hấp dẫn của hành tinh tạo ra, kéo mọi vật rơi xuống mặt đất. Để nâng vật thể, có thể tạo ra lực phản lực từ động cơ, như trong máy bay phản lực, giúp máy bay di chuyển nhanh trong không khí. Khi cánh máy bay chuyển động qua không khí, nó sẽ phải đối mặt với lực nâng và lực cản của không khí. Lực nâng là lực vuông góc với dòng khí, còn lực cản là lực tác động song song với dòng khí.