Όταν βγάζετε το χέρι σας από ένα κινούμενο αυτοκίνητο, γιατί κρυώνει αντί να ζεσταίνεται;

Η απώλεια θερμότητας λόγω της μεταφοράς και της εξάτμισης του ιδρώτα στο δέρμα είναι μεγαλύτερη από την επίδραση θέρμανσης λόγω της τριβής με τα μόρια του αέρα σε τόσο χαμηλή ταχύτητα.

Κάποια στιγμή στη ζωή σας, πιθανότατα έχετε κολλήσει το χέρι σας έξω από το παράθυρο του αυτοκινήτου με το οποίο ταξιδεύατε και νιώσατε ένα ανακουφιστικό κύμα ψυχρότητας στο χέρι σας. Στην πραγματικότητα, όσο πιο γρήγορα πηγαίνει το αυτοκίνητο, τόσο πιο κρύο φαίνεται.

Τις μάλλον ζεστές μέρες, αυτή η ψυχρότητα είναι στην πραγματικότητα εντελώς ανεξήγητη. Άλλωστε, όταν το χέρι σας είναι έξω, συγκρούεται συνεχώς με μόρια αέρα. Αυτή η σύγκρουση είναι υπεύθυνη για την αεροδυναμική τριβή και δεν θα έπρεπε η τριβή με τον αέρα να προκαλέσει θέρμανση και όχι ψύξη;

Επίσης, γιατί ο βραχίονάς σας κρυώνει όταν ταξιδεύετε με 60 mph (96,5 km/h), ενώ ένα διαστημόπλοιο που ταξιδεύει με 25.000 mph (40.233 km/h) είναι εξοπλισμένο με θερμική ασπίδα για προστασία από ζημιές που προκαλούνται λόγω αεροδυναμικής θέρμανσης;

Πριν περάσετε στην ουσία του θέματος, είναι σημαντικό να κατανοήσετε τα βασικά της τριβής, της σύγκρουσης και της μεταφοράς θερμότητας.

Η επιστήμη της θερμότητας και της σχετικής κίνησης

Τριβή:Δεν πρέπει να κινηθείς

Φανταστείτε ότι δύο χαρτόκουτα είναι αποθηκευμένα το ένα πάνω στο άλλο. Ξαφνικά, και τα δύο κουτιά έλκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Είναι ελαφρώς δύσκολο να τραβήξετε αυτά τα κουτιά, ειδικά αν οι συρόμενες επιφάνειες είναι οδοντωτές. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει μια δύναμη που τείνει να αντιστέκεται στη σχετική κίνηση των κουτιών καθώς κινούνται απέναντι από το άλλο.

Αυτή η δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση ονομάζεται τριβή . Προκύπτει λόγω της σύμπλεξης των οδοντωτών επιφανειών μεταξύ τους, καθώς η ώθηση δύο αλληλομανδαλώμενων επιφανειών απαιτεί μικροσκοπικές φυσικές παραμορφώσεις για να επιτραπεί περαιτέρω κίνηση.

Η τριβή μπορεί επίσης να παρατηρηθεί μέσα στη ροή του υγρού. Όπως ίσως γνωρίζετε, ένα υγρό ρέει σε στρώματα. Το κάτω στρώμα, σε επαφή με την επιφάνεια του εδάφους, κινείται πιο αργά, ενώ το ανώτερο στρώμα κινείται πιο γρήγορα. Τα στρώματα μεταξύ του επάνω και του κάτω μέρους κινούνται με αυξανόμενες ταχύτητες σε σχέση με την επάνω επιφάνεια.

Αυτή η διαφορά στις ταχύτητες των στρωμάτων έχει ως αποτέλεσμα σχετική κίνηση ανάμεσά τους, και επομένως η ανάπτυξη μιας δύναμης τριβής. Αυτή η δύναμη ονομάζεται ιξώδες στην ορολογία ρευστοδυναμικής. Στην κοινή γλώσσα, η ιξώδης δύναμη ονομάζεται επίσης έλκουσα . Ομοίως, όταν τα αέρια (όπως ο αέρας) ρέουν, αντιμετωπίζουν επίσης μια ιξώδη δύναμη σε έναν πανομοιότυπο μηχανισμό με τα υγρά.

Η σχετική κίνηση των στρωμάτων είναι υπεύθυνη για την τριβή μεταξύ των στρωμάτων, που ονομάζεται επίσης ιξώδες. (Φωτογραφία :ScientificStock/Shutterstock)

Στην κίνηση που περιγράφεται παραπάνω, το κοινό νήμα είναι η ανάπτυξη μιας δύναμης αντίστασης στην κίνηση μεταξύ δύο σχετικά κινούμενων παράλληλα στρωμάτων.

Θέρμανση με τριβή

Η δύναμη τριβής είναι αποτέλεσμα δύο επιφανειών που έρχονται σε επαφή η μία με την άλλη (σύγκρουση) και κινούνται παράλληλα μεταξύ τους. Έτσι, συμβαίνει κάποια μεταφορά κινητικής ενέργειας. Μέρος αυτής της κινητικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Αυτό είναι υπεύθυνο για την αύξηση της θερμοκρασίας στη διεπαφή των δύο επιφανειών. Όταν ο αέρας χτυπά μια επιφάνεια, συμβαίνουν δύο διεργασίες.

Το πρώτο είναι η στασιμότητα ορισμένων μορίων αέρα που χτυπούν την επιφάνεια μετωπικά λόγω της γεωμετρίας της επιφάνειας. Όλη η κινητική ενέργεια του μορίου του αέρα χάνεται και παραμένουν σε ηρεμία (εξ ου και ο όρος «στάσιμο»). Αυτό οδηγεί σε αύξηση της πίεσης σε αυτή την περιοχή και ονομάζεται σημείο στασιμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου, q , στα σημεία στασιμότητας δίνεται από:

όπου,

h =συντελεστής τοπικής μεταφοράς θερμότητας (μάζα ανά μονάδα επιφάνειας ανά δευτερόλεπτο)

Hst =ενθαλπία του στρώματος ρευστού στο σημείο στασιμότητας

Hw =ενθαλπία τοίχου (θερμοδυναμικό τοίχωμα είναι μια φανταστική επιφάνεια παράλληλη προς την κατεύθυνση της ροής του ρευστού κατά μήκος της οποίας δεν πραγματοποιείται μεταφορά μάζας, μόνο μεταφορά ενέργειας. Στην περίπτωσή μας, το τοίχωμα είναι η στερεά επιφάνεια)

Tw =θερμοκρασία του τοίχου

=συντελεστής ακτινοβολίας

Η θερμική ασπίδα στο μπροστινό μέρος μιας μονάδας επανεισόδου λάμπει λόγω της αεροδυναμικής θέρμανσης που προκαλείται από την ατμοσφαιρική τριβή. (Φωτογραφία:Marc Ward/Shutterstock)

Η δεύτερη διαδικασία είναι οι συγκρούσεις με μια ματιά σε κάποια γωνία μεταξύ των μορίων του αέρα και της επιφάνειας. Τα μόρια του αέρα χτυπούν την επιφάνεια σε διάφορες γωνίες, αν και τα περισσότερα από αυτά κινούνται παράλληλα με την επιφάνεια, δημιουργώντας μια ματιά και απομακρύνονται. Η κινητική ενέργεια των μορίων παραμένει υψηλή. Η περιοχή στην επιφάνεια όπου συμβαίνει αυτό ονομάζεται περιοχή κλίσης χαμηλής πίεσης . Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου σε περιοχές βαθμίδωσης χαμηλής πίεσης δίνεται από:

όπου,

HR =ενθαλπία ανάκτησης οριακού στρώματος (το όριο είναι το στρώμα αέρα σε επαφή με την επιφάνεια. Η ανάκτηση μετρά την απώλεια πίεσης λόγω υψηλής ταχύτητας)

Οι υπόλοιποι όροι είναι ίδιοι όπως στο (i)

Το φαινόμενο θέρμανσης που οφείλεται στον αέρα (αεροδυναμική θέρμανση) είναι το άθροισμα των (i) και (ii).

Η θέρμανση με τριβή είναι υπεύθυνη για την ανάφλεξη της κόκκινης επικάλυψης φωσφόρου σε ένα σπιρτόξυλο. (Φωτογραφία :Pxhere)

Wind Chill:You Shalt Feel the Freeze

Το σώμα διατηρεί μια θερμοκρασία του πυρήνα περίπου 97oF-99oF (36,1oC – 37,2oC). Εκτός από την αιχμή του καλοκαιριού, οι θερμοκρασίες του περιβάλλοντος παραμένουν κοντά στους 30oC ή χαμηλότερες, που είναι πιο κρύες από τη θερμοκρασία του σώματός μας. Ο εξωτερικός αέρας έρχεται σε επαφή με το δέρμα και γίνεται μεταφορά θερμότητας από το σώμα (υψηλότερη θερμοκρασία) στον αέρα (χαμηλότερη θερμοκρασία). Ένα λεπτό στρώμα θερμού αέρα σχηματίζεται κοντά στο δέρμα, το οποίο παρέχει μόνωση από περαιτέρω απώλεια θερμότητας.

Ωστόσο, όταν ρέει αέρας, το ζεστό στρώμα απομακρύνεται συνεχώς από τον εισερχόμενο ψυχρότερο αέρα. Ένας συνεχής κύκλος απώλειας θερμότητας συμβαίνει όπου το σώμα χάνει θερμότητα στον περιβάλλοντα αέρα, ο οποίος στη συνέχεια απομακρύνεται από τον ψυχρότερο αέρα, για να θερμανθεί ξανά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας του δέρματος και την αίσθηση ψυχρότητας. Αυτό ονομάζεται κρύο αέρα . Επίσης, εάν υπάρχει ιδρώτας στα χέρια σας, ο αέρας που κινείται γρήγορα αυξάνει τον ρυθμό εξάτμισης από το δέρμα, με αποτέλεσμα ακόμη μεγαλύτερη απώλεια θερμότητας.

Η θερμοκρασία "Feels like" λαμβάνει υπόψη την επιπλέον ψύξη του δέρματος που προκαλείται από τους ανέμους υψηλής ταχύτητας. (Φωτογραφία:Αδριανός/Shutterstock)

Όσο πιο γρήγορα ρέει ο αέρας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ψύχρα του ανέμου.

Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου, Q δίνεται από:

όπου,

h =συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή,

A =περιοχή εκτεθειμένη σε συναγωγή,

Thot =θερμοκρασία του θερμότερου αντικειμένου,

Tcold =θερμοκρασία του ψυχρότερου αντικειμένου

Αεροδυναμική θέρμανση έναντι ψυχρής ανέμου

Έχοντας μελετήσει τα βασικά και των δύο, το προφανές ερώτημα που έρχεται στο μυαλό είναι τι συμβαίνει όταν αυτές οι δύο διαδικασίες έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους. Ποιο είναι το όριο πέρα ​​από το οποίο η ψύχρα του ανέμου δίνει τη θέση της στην αεροδυναμική θέρμανση;

Καθώς η ταχύτητα του αέρα αυξάνεται, ο ρυθμός της απώλειας θερμότητας μέσω μεταφοράς αυξάνεται και το σώμα γίνεται πιο κρύο. Αυτή η απώλεια θερμότητας συνεχίζεται σε υποηχητικές ταχύτητες (μικρότερες από την ταχύτητα του ήχου). Καθώς το υπερηχητικό όριο παραβιάζεται, το φαινόμενο θέρμανσης γίνεται πολύ πιο κυρίαρχο και σε ταχύτητες πάνω από 2,0 Mach (διπλάσια ταχύτητα του ήχου, 1534 m/h =2469 km/h), απαιτούνται θερμικές ασπίδες για προστασία από υψηλές θερμοκρασίες (400oF /204oC). Δεν υπάρχει καθολικό όριο, καθώς το αποτέλεσμα θέρμανσης εξαρτάται επίσης από τη γεωμετρία του οχήματος. Ως γενική παρατήρηση, σε ταχύτητες πάνω από 1,0 Mach (1235 km/h ή 767 m/h), η θέρμανση είναι αρκετά σημαντική ώστε να προκαλέσει ζημιά στον εκτεθειμένο ηλεκτρικό εξοπλισμό.

Επιστρέφοντας στην αρχική ερώτηση, ναι, είναι δυνατό να ζεστάνετε το χέρι σας ενώ κινείστε, αλλά θα πρέπει να κινείστε αρκετά κατάρα γρήγορα για να προκαλέσει πραγματικά αεροδυναμική θέρμανση!