Аеродина́міка — розділ механіки суцільних середовищ, в якому метою досліджень є вивчення закономірностей руху повітряних потоків та їх взаємодії з перешкодами та рухомими тілами. Загальнішим розділом механіки є газова динаміка, в якій вивчаються потоки різних газів. Традиційно до газової динаміки відносять по суті задачі аеродинаміки при русі тіл зі швидкостями, що близькі або перевищують швидкість звуку в повітрі. При цьому важливо враховувати стисливість повітря.
Загальна характеристика Дослідження в аеромеханіці пов'язані з визначенням таких характеристик потоків як швидкість частинок середовища, густини, тиску, температури як функцій простору і часу. Після їх визначення в кожній конкретній ситуації стає можливим обчислення сил та моментів сил, що діють на тіло в потоці. Як наукова дисципліна аеродинаміка послуговується базою для вирішення широкого кола прикладних задач. Перелік практичних проблем, при вирішенні яких виникають і розв'язуються конкретні задачі аеродинаміки, досить довгий і включає не лише проблеми авіації, а й проблеми ракетобудування, наземного та морського транспорту, метеорології, екології, сільського господарства, містобудування та ін. Для одержання відповіді на питання в аеродинаміці використовуються експериментальні та теоретичні методи. Особливого значення в сучасних умовах набувають методи комп'ютерної аеродинаміки. Серед багатьох питань, на які сучасна аеромеханіка дає змістовні відповіді пізнавально найбільш цікаві, за висловом видатного вченого Т. КарманаТеодор фон Карман, Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии. — Москва-Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — 208 с. ISBN 5-93972-094-3 це питання «Чому ми можемо літати»? та «Як ми можемо літати»? Існує багато питань, на які сучасна аеродинаміка намагається дати відповіді і при обговоренні цих питань формується ряд важливих проблем сучасного природознавства. Зараз вважається, що аеродинаміка в своєму розвитку вступила в комп'ютерну епоху. У дослідників з'явилися досить потужні засоби для одержання кількісних оцінок характеристик течій в рамках вибраної математичної моделі. Однак величезний обсяг інформації, який здобувається методами комп'ютерної динаміки рідин та газів, для свого аналізу і розуміння вимагає від дослідника глибокого розуміння фізики процесів, глибинних причинно-наслідкових зв'язків. Саме ця обставина уможливила появу досить глибоких досліджень змісту понять, які, здавалося, є давно усталеними. Цікаві нові результати по аналізу основ аеродинаміки представлено вMcLean D. Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics. — Wiley,2012. — 576 p. ISBN 978-1-119-96751-4
У суспільстві існує великий інтерес, як до певних фундаментальних проблем аеродинаміки, так і до широкого кола прикладів практичного застосування знань в галузі аеродинаміки. Великий набір предметних питань з відповідями в стилі популяризації науки представлено на сайті Національного космічного агентства СШАAerodynamics Index на сайті NASA.. Ця стаття лише перший крок в представленні проблем аеродинаміки в Вікіпедії. Подальше розширення інформаційного поля має базуватися на статтях Аеродинаміка літака, Аеродинаміка крила, Підйомна сила, Аеродинамічний опір, Примежовий шар та інших.
Історичний нарис В цьому розділі відмічено лише певні важливі моменти в формуванні розуміння основних закономірностей аеродинаміки. Багата подіями історія гідромеханіки не може бути висвітлена в короткій статті. Певні важливі моменти в історії після першого польоту літака будуть відмічені в відповідних розділах.
Роздуми людини над аеродинамічними по суті проблемами, мабуть, мали місце в далекі доісторичні часи. Все починалося з природного бажання стародавньої людини повторити політ птаха в повітрі. Про це свідчить і широко відомий давньогрецький міф про Дедала та Ікара. Але перші кроки, які започаткували рух до сучасної наукової аеродинаміки, були зроблені лише в елліністичний період розвитку давньогрецької культури. Особливо слід відзначити Арістотеля, який зрозумів, що повітря має вагу. Разом з досягненнями Архімеда в розумінні сутності плавання тіл, це дійсно формувало підвалини для постановки та розв'язання проблеми польоту об'єктів, що важчі за повітря.
Значні подальші кроки в розвитку аеродинаміки пов'язані з діяльністю видатної особистості — Леонардо да Вінчі. Він зрозумів, що саме рух крила відносно повітря є причиною виникнення підйомної сили. Він запропонував декілька проєктів орнітоптерів, пристроїв, що мали копіювати поведінку крил птахів під дією мускульної сили людини. Жоден з цих проєктів не було реалізовано. Серед інших його розробок були проєкти парашута та гелікоптера. При аналізі явища виникнення аеродинамічного опору він ввів концепцію добре обтічного тіла. Перший в історії політ людини в повітрі було здійснено в 1783 році Братами Монгольф'є на повітряній кулі, наповненій гарячим повітрям. В цей час уже було накопичено досить глибокі знання про закономірності взаємодії потоку з твердими тілами, які суттєво просували людство до створення літального апарата, важчого за повітря. Серед досягнень фундаментальної аеродинаміки відмітимо встановлену Галілеєм пропорційність між аеродинамічним опором і густиною повітря (1600 р.). Французький вчений Едм Маріот встановив пропорційність аеродинамічного опору квадрату швидкості руху тіла (1673 р.).
Значний вплив на розвиток аеродинаміки мала робота І. Ньютона по визначенню сили, що діє на тіла різної форми з боку набігаючого потоку. Досить складна, с точки зору сучасних уявлень про структуру обтікаючого потоку, задача була легко розв'язана Ньютоном на основі досить специфічної гіпотези про взаємодію частинок повітря з обтічною поверхнею. Використання цієї гіпотези для плоскої пластинки дає наступну формулу для величини сили: , де — густина повітря, — площа пластинки, -швидкість набігаючого потоку, — кут нахилу пластинки до напрямку потоку. Сила направлена перпендикулярно до пластинки. Ця формула знана як закон квадрата синуса.
Пропорційність квадрату синуса величини підйомної сили (складова сили , перпендикулярна до напрямку потоку) вказувала на практичну неможливість створення літака. З неї витікала дуже завищена оцінка площі крила і, відповідно, ваги літального апарата. Експериментальні дослідження не підтвердили формулу Ньютона, однак його авторитет був настільки високим, що на її критику мало хто відважувався. Як вказано в, багато авторів вважало, що помилковість формули Ньютона затримала розвиток авіації на багато років. Однак це не зовсім так. Не менш важливим стримуючим фактором в розвитку авіації була відсутність ефективного двигуна. Врешті-решт на початку двадцятого століття (1903 рік) в повітря піднявся літак братів Райт і розвиток авіації пішов «семимильними кроками». Розповідь про історію створення літака братами Райт представлено в фільмі https://www.youtube.com/watch?v=uB-swWvAUZI . Створенню літака та здійсненню першого польоту передував великий об'єм експериментальних досліджень. Існує численна література (швидше пропагандистського характеру) в якій відстоюється пріоритет першого польоту літака А. Ф. Можайського. Однак, серйозні дослідження, в тому числі виконані в ЦАГІ ім. М. Е. Жуковського не дають підстав довіряти свідченням підібраних журналістами свідківКривоносов Ю. И. Партийное дело о портрете и приоритете: как власти придержащие заставляли «летать» самолет А. Ф. Можайского. В кн. Легенды и мифы отечественной авиации. — Москва, Фонд содействия авиации «Русские витязи», 2009. — С.7-32.. Історія розвитку аеродинаміки, як наукової основи технічних рішень, та авіації багата великою кількістю драматичних подій, включаючи боротьбу за пріоритети. Детальний аналіз цієї історії можна знайти вAnderson J. D. A History of Aerodynamics, Cambridge University Press, 1997. — 479 p. ISBN 0-521-66955-3. Змістовний, але скорочений історичний нарис стосовно розвитку досліджень в галузі механіки рідини і газу представлено в популярному підручникуЛойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.-Л., Гостехиздат, 1950. — 676 с.. Змістовний, з великою кількістю цікавих фактів, нарис історії повітроплавання представлено в книзі відомого українського планериста Віктора ГончаренкаВ. В. Гончаренко Как люди научились летать.—Киев: Веселка,1986.—335 с.
Фундаментальні концепції аеродинаміки Розуміння закономірностей обтікання тіла потоком формується на встановленні зв'язків між силами та моментами, що діють на тіло з формою самого тіла, його орієнтацією відносно набігаючого потоку та властивостями збуреного потоку (розподіл в просторі та зміни в часі швидкостей, тиску, густини, температури). На малюнку приведено лише головні вектори сил, що діють на тіло в потоці. Тут показано чотири сили: сила тяги, що генерується рушієм, сила опору з боку повітря, підйомна сила та сила ваги. Слід мати на увазі, що для літальних апаратів лінії дії вказаних чотирьох сил не перетинаються в одній точці. Тому при аналізі аеродинаміки конкретних конструкцій велике значення мають величини моментів сил, які обчислюються, наприклад, відносно центру мас літального апарата. Для оцінки властивостей руху, а, особливо, для ефективного керування рухом, слід брати до уваги фактичний розподіл тиску по поверхні тіла. При вирішені задачі по визначенню вказаних характеристик фізичних полів гіпотетично можна сподіватися на використання експериментальної техніки. Саме такий шлях використано братами Райт при створенні першого літака. Відсутність глибокого розуміння закономірностей аеродинаміки вони компенсували великим обсягом виконаних експериментів.
Однак, як показав історичний досвід, значно швидше і ефективніше необхідні знання формуються на основі результатів математичного моделювання з використанням відповідних моделей повітряного середовища. Практично використовуються різні моделі в залежності від умов обтікання. В основі практично всіх моделей лежить припущення про можливість заміни реального середовища певним континуумом, тобто суцільним середовищем. Така заміна з великим успіхом використовується в багатьох розділах фізики. Цікава оцінка методичної ефективності гіпотези суцільного середовища дана Л. Й. МандельштамомМандельштам Л. И. Лекции по теории колебаний.. — М.: Наука, 1972. — 470 с.. Викладаючи результат Дебая по оцінці теплоємності кристала, одержаний з використанням моделі суцільного середовища він зауважив «Він (Дебай) зробив явно невірну, але геніальну річ.» (Лекція 29).
Що стосується об'єктів, що обтікаються потоком повітря, то в величезній більшості випадків вони розглядаються як абсолютно тверді тіла, що не деформуються під дією аеродинамічних сил. Однак випадки, коли слід враховувати деформації тіл під впливом аеродинамічних сил досить важливі. Тут слід вказати не лише на очевидний факт коливання полотнища прапора під дією вітру. Набагато важливішим є явище флатеру, з яким пов'язано виникнення дуже небезпечних коливань крила літака при певних швидкостях польоту. Гіпотеза про недеформовність поверхні обтічного тіла дає можливість чітко записати умови на його поверхні при математичному моделюванні в задачах аеродинаміки.
При дослідженні потоків газу чи рідини вивчають розподіл та зміни в просторі-часі таких характеристик як швидкість, густина, тиск, температура. Що стосується способів опису руху середовища, то в механіці суцільного середовища розрізняють два підходи, які пов'язують з іменами Ейлера та ЛагранжаСедов Л. И. Механика сплошной среды, т. 1. — М.: Наука, 1970. — 492 с.. Згідно Ейлерового підходу об'єктом дослідження є кінематичні характеристики потоку в певних вибраних точках об'єму, зайнятого потоком. В цьому випадку координати точки фіксуються і розглядається зміна в часі вектора швидкості. В підході Лагранжа прослідковується історія руху певної точки середовища в часі. Такий опис руху природно використовувати при записі основних фізичних законів, які пов'язані з рухом матеріальної точки. Між характеристиками потоку по Лагранжу та Ейлеру є взаємно однозначна відповідність.