Luft och andra gaser

Luft och andra fluider kan flöda och ändra sin form när den utsätts för små tryckförändringar eftersom den saknar starka molekylära bindningar.

Luft och andra gaser kan fylla en behållare med vilken form som helst, expandera eller komprimeras allt efter behållarens form. Eftersom luft har massa och vikt är det en kropp och som alla kroppar följer den fysikaliska lagar. Gaspelaren som vilar mot jorden har en vikt och vid havsnivån ger denna vikt ett tryck som motsvarar 1013 hPa som medelvärde. Eftersom luftpelarens höjd är begränsad varierar trycket med höjden, vid 5000 meters höjd är trycket hälften så stort som vid havsytan.

Tryck och densitet

Även om luft är mycket lätt så har den en massa som påverkas av gravitationen. Precis som andra ämnen har den vikt och eftersom den har vikt så utövar den en kraft. Eftersom det är en gas så verkar kraften lika åt alla håll och påverkar andra kroppar med något som kallas tryck.

När luft komprimeras kan mer luft få plats i en given volym under ett högre tryck. När trycket minskar expanderar luften och fyller upp en större volym. Luft vid ett lägre tryck innehåller mindre massa, d.v.s. densiteten har minskat. Densiteten är direkt proportionell mot trycket, åtminstonde upp till 100 bars tryck. Detta definieras i Boyles lag: P X V = K. Detta gäller vid konstant temperatur.

Om trycket dubblas så dubblas densiteten och om trycket halveras så halveras densiteten.

Luftfuktighet, temperatur och densitet

En temperaturökning minskar densiteten vid samma tryck och en temperatur minskning ökar densiteten vid samma tryck. Det som skrivits tidigare förutsatte att luften var helt torr. I verkligheten innehåller luft alltid en varierande mängd vattenånga. Vattenånga är lättare än luft, alltså är fuktig luft lättare än torr luft och har lägre densitet. Ju högre temperatur luft har, desto mer vattenånga kan den hålla. När det bli kallt på kvällen kondenseras vattenångan och mindre vatten hålls bunden i luften. Kall torr luft har högre densitet har högre densitet än varm och fuktig. Ni har säkert hört talas om att fordon går som bäst på kvällen när luften är lite fuktig. Fukten man känner är vattenånga som har kondenserats ur luften som nu är torrare och har högre densitet. Det är alltså inte fukten som påverkar effekten utan luftens densitet.

Bernoullis princip

För 300 år sedan förklarade den schweiziske matematikern Daniel Bernoulli hur trycket i en gas ändras med dess hastighet. Ökad hastighet ger ett minskat tryck. Ett bra sätt att visa detta är venturiröret. Venturiröret har samma diameter på inlopp som utlopp och en förträngningf på mitten. I förträngningen ökar hastigheten och trycket minskar,i utloppet minskar hastigheten och trycket ökar. Se bilden till vänster.

Flöde

Luft har viskositet och ger ett motstånd när den flödar över en yta. Detta gör att hastigheten närmast ytan bromsas upp och ett gränsskikt byggs upp. En annan sak som uppstår vid ett visköst flöde är separation. När flödet inte längre kan följa ytan uppstår separation. Separationen gör kroppen som flödet går runt större och mindre aerodynamisk. När det gäller rörflöde som i en motors kanaler så gör separationen kanalen trängre för luften som ska strömma genom den.

Gränsskikt

Bilden till vänster visar hur ett gränsskikt byggs upp när gasen flödar längs en yta. Inuti en motors kanaler är flödet fullt turbulent.

Stagnationspunkt

När flödet möter ett hinder i en kanal, t.ex. en ventilstyrning, så delar flödet sig och gasen flödar runt hindret. På hindrets framsida finns en punkt där flödet delar sig. I den punkten måste hastigheten vara noll. En sådan punkt kallas stagnationspunkt. Där hastigheten är noll är trycket högre, detta kallas för stagnationstrycket.

Skjuvning

Gaser och vätskor kallas inom fysiken för fluider. Följande text om skjuvning kommer från Wikipedia.

En fluid betraktas som kontinuerlig och fullständigt plastiskt deformerbar, det vill säga den kan stå emot skjuvspänningar. Till skillnad från en fast kropp är en fluid inte elastisk i det avseendet att den inte kan uppta dragspänningar men kan uppta tryck. En fluids "elasticitet" benämns kompressibilitet och är ett uttryck för fluidens volymändring i förhållandet till det tryck som en viss volym fluid utsätts för. En fast kropp kan stå utan väggar medan en fluid flyter ut om inte det finns stödjande sidoväggar. Kraften som verkar på en fast kropp står, enligt Hookes lag, i proportion till deformationen. En stor kraft ger med andra ord små deformationer. Hos en fluid står däremot kraften i proportion till deformationshastigheten, det vill säga små krafter ger stora deformationer.

Bilden till vänster visar vad som händer vid avlösning med en kula istället för gas. I läge A så har kulan lägesenergi och ingen hastighet. Om det inte fanns någon friktion så skulle kulan om det släpptes ha maximal kinetisk energi vid läge B och gå upp till läge D för att där stanna och ha samma lägesenergi som i läge A. All lägesenergi omvandlas till rörelseenergi och tillbaka till lägesenergi. I verkligheten kommer kulan, p.g.a. friktionen, att stanna redan i läge C. Det blir samma förhållande som vid strömning runt en cylinder. I stagnationspunkten A är hastigheten noll och trycket maximalt. Gasen accelererar under påverkan av tryckkraften och uppnår sin högsta hastighet vid B. Mellan B och D ökar trycket och strömningen bromsas upp. I det friktionsfria fallet blir den bakre stagnationspunkten D. Friktionen gör att gasen kommer att stanna redan i C. Efter hand samlas mer och mer gas vid denna punkt och strömningen tvingas att gå utanför gasanhopningen. På detta vis uppstår avlösning och en vak bildas bakom kroppen. Kroppen i detta fall kan vara en ventilstyrning eller bara en sväng i kanalen.