Ilmanvastus

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

Kappaleen aiheuttama ilmanvastus riippuu monen muun tekijän ohella ilmanvastuskertoimesta. Tasaisen pyöreän levyn ilmanvastuskerroin ilmavirtauksessa kohtisuoraan levyä vastaan on noin 1,17.

Ilmanvastuksella on paljon merkitystä varsinkin suurissa nopeuksissa, sillä 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:

${\displaystyle \mathbf {F} _{v}={1 \over 2}\rho v^{2}AC_{v}}$

missä F_v on vastusvoima, ρ ilman tiheys, v kappaleen nopeus, A kappaleen poikkipinta-ala liikettä kohtisuorassa suunnassa ja C_v ilmanvastuskerroin (niin sanottu muotokerroin), jonka arvo riippuu kappaleen muodosta, eli geometriasta. Kaava pätee, kun kappaleen nopeus on äänen nopeutta pienempi. Erilaisten kappaleiden ilmanvastuskerroin voidaan määritellä kokeellisesti tuulitunnelissa.

Vastuksen komponentit (erityisesti lentokoneessa):

• ilmanvastus 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.