← all shorts

Physics

The Coandă Effect

#203 · 5 min read

A stream of fluid pouring from a tap will follow the curve of a spoon held against it, defying the expectation of a straight fall. This 'sticky' behavior of air and water, first observed in a burning airplane in 1910, allows heavy cargo jets to land on impossibly short runways.

On December 16, 1910, at the Issy-les-Moulineaux airfield near Paris, a Romanian inventor named Henri Coandă climbed into the cockpit of an aircraft that lacked a propeller. In its place was a 'turbo-propulseur'—a crude, motor-driven turbine designed to compress air and mix it with fuel to provide thrust. During a ground test, Coandă opened the throttle. He noticed two things in rapid succession: first, that the exhaust flames did not shoot straight back into the slipstream, but instead hugged the curved sides of the fuselage; and second, that his aircraft was catching fire.

Coandă escaped the blaze, but the observation stayed with him. He had witnessed a fundamental quirk of fluid dynamics. When a jet of fluid—be it air, water, or combustion exhaust—is emitted near a surface, it has a natural tendency to cling to that surface, even if the surface curves away from the jet's original path. This phenomenon, which Coandă spent the next three decades patenting and refining, became known as the Coandă effect.

The physics rests on a process called entrainment. A fast-moving stream of air pulls in and carries away the molecules of stationary air surrounding it. In open space, this creates a balanced tube of low pressure around the jet. However, if a solid wall is placed on one side of the stream, the jet cannot replenish the air it has pulled away from the gap between itself and the wall. A partial vacuum forms. The higher atmospheric pressure on the 'open' side then pushes the entire stream against the surface. If the surface is curved, the stream will continue to hug the bend, provided the curve is not too sharp.

The pressure of the curve

While the effect bears Coandă’s name, it was first noted by the polymath Thomas Young in 1800. Young described how a candle flame is drawn toward a stream of air from a blowpipe, but it was Coandă who recognized the engineering potential. The efficiency of the effect depends on the ratio between the thickness of the jet and the radius of the surface’s curve. If the jet is too thick, or the curve too tight, the momentum of the fluid overcomes the pressure differential and the flow breaks away.

In a laboratory setting, this attachment is remarkably robust. A jet can be made to turn a full 180 degrees around a cylinder, essentially reversing its direction. This is not the result of friction or surface tension, but of the inertial forces within the fluid itself. As the jet bends, it develops a transverse pressure gradient. The pressure at the surface is lower than the ambient pressure of the surrounding fluid, creating a 'suction' that holds the flow in place. This remains true even in high-speed, turbulent flows where the boundary layer—the thin skin of air closest to the surface—becomes chaotic.

Blown flaps and saucer dreams

Aerodynamicists eventually turned this laboratory curiosity into a tool for heavy lift. In the 1970s, the Boeing YC-14 prototype utilized 'upper-surface blowing.' By placing jet engines on top of the wing rather than beneath it, engineers allowed the high-speed exhaust to blow directly over the upper surface and the trailing-edge flaps. Using the Coandă effect, the exhaust followed the curve of the lowered flaps, bending the thrust downward. This effectively increased the wing's lift coefficient by a factor of three, allowing a 100-tonne aircraft to take off and land at speeds usually reserved for light Cessnas.

The military applications took even stranger turns. During the Cold War, the Canadian-built Avrocar attempted to build a functional 'flying saucer' by directing the exhaust of a central turbine over the rim of a circular disk. While the Coandă effect provided enough lift for the vehicle to hover a few feet off the ground, the design proved notoriously unstable in forward flight. The air would detach unexpectedly from the curves, causing the craft to wobble—a phenomenon the test pilots nicknamed 'hubcapping.'

In the modern era, the effect is most visible at the pinnacle of motorsport. In the 2011 Formula One season, teams like Red Bull Racing used 'Coandă exhausts' to gain a competitive edge. By shaping the car's bodywork to lead the hot engine gases toward the rear diffuser, they used the fast-moving exhaust to seal the gaps beneath the car, creating a massive low-pressure zone that sucked the vehicle onto the track during high-speed cornering.

What we still don't know

Despite its widespread use, we cannot yet perfectly predict the point at which a fluid will detach from a complex, three-dimensional curve. The transition from a clinging flow to a separated one is highly sensitive to microscopic surface irregularities and fluctuations in the surrounding air.

We also lack a complete understanding of how the effect behaves at the extremes of the Reynolds number—the ratio of inertial to viscous forces. Experiments in 2004 suggested that the effect is significantly weakened in laminar, or smooth, flows at very low speeds, yet the precise threshold where the 'stickiness' disappears remains a subject of active research.

And while the Bernoulli equation provides a simplified framework for the pressure drops involved, it fails to account for the energy lost to heat and sound as the jet entrains the surrounding atmosphere. Every time a jet bends, it pays a tax in turbulence.

Ultimately, the Coandă effect is the reason a poorly designed teapot spills its contents down its own side. The tea, reaching the curve of the spout, creates a tiny zone of low pressure that pulls the liquid back toward the ceramic. It is the same physics that lifted the first jets, operating on the scale of a breakfast table.

从水龙头流出的液流会沿着放在它下方的勺子弯曲,而不是笔直落下。这种空气和水的“粘性”现象,最早在1910年的一架燃烧的飞机上被观察到,使得重型货机能够降落在不可思议的短跑道上。

1910年12月16日,在巴黎附近的伊西莱穆利诺机场,一位名叫Henri Coandă的罗马尼亚发明家爬进了没有螺旋桨的飞机驾驶舱。取而代之的是一种“涡轮推进器”——一种粗糙的、由马达驱动的涡轮,设计用于压缩空气并将其与燃料混合以产生推力。在一次地面测试中,科安达打开了油门。他迅速注意到两件事:首先,排气火焰并没有直接射入尾流中,而是沿着机身的弯曲侧面流动;其次,他的飞机起火了。

科安达逃出了火海,但这一观察却一直留在他的记忆中。他见证了一个流体动力学的基本特性。当一股流体——无论是空气、水还是燃烧废气——在靠近一个表面时,它有一种自然的倾向,会紧贴这个表面,即使这个表面偏离了流体原本的路径。这种现象,科安达在接下来的三十年里不断申请专利并加以完善,最终被称为“科安达效应”。

这种物理现象的基础在于一个叫做entrainment的过程。一股快速流动的空气会吸入并带走其周围静止空气的分子。在开放空间中,这会在喷流周围形成一个平衡的低压管。然而,如果在流体的一侧放置一个固体壁,喷流无法从自身与墙壁之间的空隙中补充被带走的空气。这样就形成了一个部分真空。此时,“开放”侧的较高大气压会将整个流体推压到表面上。如果表面是弯曲的,只要弯曲不是过于尖锐,流体将继续贴着曲线流动。

曲面的压力

虽然这种效应以科安达的名字命名,但早在1800年,多才多艺的科学家Thomas Young就首次注意到了这一现象。杨描述了吹管中的一股气流如何吸引蜡烛火焰向其靠近,但真正认识到其工程潜力的却是科安达。这种效应的效率取决于喷流厚度与表面曲率半径之间的比例。如果喷流太厚,或曲线太急,流体的动量就会克服压力差,导致流体脱离表面。

在实验室环境下,这种附着现象异常牢固。一股喷流可以被引导着围绕一个圆柱体完全转180度,实质上是逆转其方向。这并不是由于摩擦或表面张力,而是流体内部的惯性力所致。当喷流弯曲时,它会形成一个横向的压力梯度。表面处的压力低于周围流体的环境压力,从而产生一种“吸附”作用,使流体保持在原位。即使在高速湍流中,这种现象依然成立,此时boundary layer——最靠近表面的一层薄空气——变得混乱无序。

吹气襟翼与飞碟梦想

空气动力学专家最终将这种实验室中的奇观转化为一种提升升力的工具。在20世纪70年代,Boeing YC-14原型机利用了“上表面吹气”技术。通过将喷气发动机安装在机翼上方而非下方,工程师们可以让高速排气直接吹过机翼的上表面和后缘襟翼。利用科安达效应,排气会沿着放下的襟翼曲线流动,使推力向下偏转。这有效地将机翼的升力系数提高了三倍,使一架100吨重的飞机能够以通常只适用于轻型塞斯纳飞机的速度起飞和降落。

军事应用则走向了更加奇特的方向。在冷战期间,加拿大制造的Avrocar试图通过将中央涡轮的排气导向一个圆形圆盘的边缘,建造一个实用的“飞碟”。尽管科安达效应为该飞行器提供了足够的升力,使其能够离地几英尺悬停,但该设计在向前飞行时却表现出极不稳定的特性。气流会突然从曲面脱离,导致飞行器剧烈晃动——测试飞行员将这种现象戏称为“轮毂盖效应”。

在现代,这一效应在赛车运动的巅峰上最为明显。2011年Formula One赛季中,像红牛车队这样的车队就利用了“科安达排气”技术来获得竞争优势。通过设计车身造型,将发动机的热气流引导至后部扩散器,他们利用高速排气密封了车底的空隙,从而在高速转弯时在车底形成了一个巨大的低压区,使赛车紧紧吸附在赛道上。

我们尚未了解的

尽管这种效应被广泛使用,但我们仍无法准确预测流体在复杂三维曲面上何时会脱离。从紧贴流动到分离流动的过渡,对微观表面不规则性和周围空气波动极为敏感。

我们还缺乏对效应在雷诺数极端情况下的行为的完全理解——雷诺数是惯性力与粘性力的比值。2004年的实验表明,在非常低速的层流或平滑流动中,这种效应会显著减弱,但“粘附性”完全消失的确切临界点仍然是一个活跃的研究课题。

此外,虽然Bernoulli equation为涉及的压力下降提供了一个简化的框架,但它无法解释喷流在裹挟周围大气时因热量和声音损失的能量。每次喷流弯曲时,都会因湍流而付出代价。

最终,科安达效应正是导致设计不良的茶壶将内容物沿着自身侧面洒出的原因。当茶水到达壶嘴的曲线处时,会形成一个微小的低压区,将液体拉回到陶瓷表面。这与最初喷气式飞机起飞时所依赖的物理原理相同,只是规模缩小到了早餐桌的大小。

水道の蛇口から注がれる流体の流れは、その下に置かれたスプーンの曲線に沿って進み、まっすぐ落下するという予想を覆す。この「ねばり」に似た空気と水の性質は、1910年の燃えている飛行機で最初に観測され、重い貨物機が信じがたいほど短い滑走路に着陸可能にする。

1910年12月16日、パリ近郊のイッシー=レ=モリノー航空場で、ルーマニアの発明家であるHenri Coandăは、プロペラのない飛行機のコックピットに乗り込んだ。その代わりに設置されていたのは、「ターボプロプルゼール」と呼ばれる、空気を圧縮し燃料と混ぜて推力を得る、原始的なモータードライブ式タービンだった。グランドテストの際にコアンダはスロットルを開け、次々と2つのことを気づいた。まず、排気の炎がストレートにスリップストリームの中に伸びるのではなく、胴体の曲がった側面に沿って流れていくこと。そして、飛行機が火を噴いていることだ。

コアンダは火災から逃げ出し、その現象は彼の記憶に残った。彼が目撃したのは流体力学の基本的な性質だった。空気や水、燃焼ガスといった流体のジェットが表面に近づいて放出されると、それは自然にその表面に張り付こうとする性質がある。これは、表面がジェットの元の経路から離れて曲がっていても同じである。この現象は、コアンダが次の30年間かけて特許を取得し、改良し続けた結果、コアンダ効果と呼ばれるようになった。

この物理現象は、entrainmentと呼ばれるプロセスに基づいている。高速で動く空気の流れは、周囲の静止した空気の分子を引き込み、運び去る。開放空間では、これはジェットの周囲にバランスの取れた低圧管を生み出す。しかし、流れの片側に固体の壁を置くと、ジェットは自分と壁の間のギャップから引き去った空気を補充することができなくなる。部分的な真空が形成される。そして、「開放」側の高い大気圧は、流れ全体を表面に押し付ける。もし表面が曲がっているなら、その流れは曲がりをついて進み続ける。ただし、曲がりが鋭すぎない限りである。

曲がりの圧力

この効果はコアンダの名前に由来するが、最初にこの現象に気づいたのは1800年にThomas Youngという博学者である。ヤングは、ブローピーピングからの空気の流れに引き寄せられるキャンドルの炎について記述したが、エンジニアリング的応用の可能性に気づいたのはコアンダだった。この効果の効率は、ジェットの太さと表面の曲線の半径の比率に依存する。ジェットが太すぎたり、曲がりがきつすぎたりすると、流体の運動量が圧力差を克服し、流れは離れてしまう。

実験室の環境では、この付着性は非常に頑健である。ジェットは円柱の周りを180度完全に曲げることができる。これは摩擦や表面張力の結果ではなく、流体自体の慣性力によるものである。ジェットが曲がると、横方向の圧力勾配が生じる。表面の圧力は周囲の流体の環境圧よりも低くなり、これにより流れを固定する「吸い込み」が生じる。これは、boundary layerが薄い表層の空気が乱雑になるような高速で乱流が生じる状況でも当てはまる。

吹き付けたフラップと円盤の夢

航空力学の専門家たちは最終的に、この実験室での好奇心を重い揚力を生み出すための道具に転じた。1970年代には、Boeing YC-14のプロトタイプが「上表面吹き付け」を用いた。ジェットエンジンを翼の下ではなく上に配置することで、エンジニアたちは高速の排気を翼の上表面とトレーリングエッジのフラップに直接吹き付けることができた。コアンダ効果により、排気は下げられたフラップの曲がりに沿って流れ、推力を下向きに曲げた。これにより、翼の揚力係数が3倍になり、100トンの飛行機が軽飛行機セスナの速度で離着陸できるようになった。

軍事的応用はさらに奇妙な方向に進んだ。冷戦時代に、カナダ製のAvrocarは、中央のタービンの排気を円盤の縁に沿って導くことで機能的な「飛行円盤」の構築を試みた。コアンダ効果により、この装置は地面から数フィート浮遊するだけの揚力を得たが、前進飛行では設計が著しく不安定であった。空気は曲線から予期せずに離れ、機体が揺れ始めた。この現象は、試験飛行士たちが「ハブキャピング」と名付けたものである。

現代では、この効果はモータースポーツの頂点で最も目立つ。2011年のFormula Oneシーズンにおいて、レッドブル・レーシングのようなチームは「コアンダ排気」を用いて競争優位を獲得した。車体の形状を整えることで、高温のエンジンガスをリアディフューザーに導き、高速の排気を車体下面の隙間を密封するために用いた。これにより、高スピードでのコーナリング時に車両を路面に吸い付けるような巨大な低圧域が形成された。

まだわかっていないこと

広範な応用にもかかわらず、私たちは依然として、複雑で三次元的な曲線から流体が離れる正確なポイントを完璧に予測することはできない。流れが張り付いた状態から分離状態への移行は、微細な表面の不規則性や周囲の空気の変動に対して非常に敏感である。

また、Bernoulli equationが圧力低下に関与する単純な枠組みを提供する一方で、ジェットが周囲の大気を巻き込むことで失われる熱や音のエネルギーには対応できない。ジェットが曲がるたびに、それは乱流という形で「税金」を支払っている。

結局のところ、コアンダ効果は、デザインが悪いティーポットが自分の側面に内容物をこぼす理由でもある。お茶が注ぎ口の曲がりに達すると、小さな低圧領域が形成され、液体を陶器に引き戻す。これは、最初のジェット機が離陸したときと同じ物理現象であり、朝食卓の規模で現れているのだ。

Un chorro de fluido que sale de una llave seguirá la curva de una cuchara colocada contra él, desafiando la expectativa de una caída recta. Este comportamiento "pegajoso" del aire y el agua, observado por primera vez en un avión en llamas en 1910, permite que los aviones cargueros aterricen en pistas imposiblemente cortas.

El 16 de diciembre de 1910, en el aeródromo de Issy-les-Moulineaux, cerca de París, un inventor rumano llamado Henri Coandă se metió en la cabina de una aeronave que no tenía hélice. En su lugar, había un "turbo-propulseur"—una turbina rudimentaria accionada por motor diseñada para comprimir aire y mezclarlo con combustible para generar empuje. Durante una prueba en tierra, Coandă abrió el acelerador. Se dio cuenta de dos cosas con rapidez: primero, que las llamas de escape no se disparaban rectas hacia atrás en la corriente de aire, sino que se adherían a las curvas laterales del fuselaje; y segundo, que su aeronave se estaba incendiando.

Coandă escapó del incendio, pero la observación lo acompañó. Había presenciado una peculiaridad fundamental de la dinámica de fluidos. Cuando un chorro de fluido—ya sea aire, agua o escape de combustión—se emite cerca de una superficie, tiene una tendencia natural a adherirse a dicha superficie, incluso si esta se curva alejándose del camino original del chorro. Este fenómeno, que Coandă dedicó las próximas tres décadas a patentar y perfeccionar, se conoció como el efecto Coandă.

La física se basa en un proceso llamado entrainment. Un chorro rápido de aire atrae y arrastra las moléculas del aire estacionario que lo rodea. En el espacio abierto, esto crea un tubo equilibrado de baja presión alrededor del chorro. Sin embargo, si se coloca una pared sólida en un lado del chorro, este no puede reponer el aire que ha arrastrado del espacio entre sí mismo y la pared. Se forma una especie de vacío parcial. La presión atmosférica más alta en el lado "abierto" empuja entonces todo el chorro contra la superficie. Si la superficie es curva, el chorro continuará siguiendo la curva, siempre que esta no sea demasiado pronunciada.

La presión de la curva

Aunque el efecto lleva el nombre de Coandă, fue primeramente observado por el polímata Thomas Young en 1800. Young describió cómo la llama de una vela es atraída hacia un chorro de aire proveniente de un soplete, pero fue Coandă quien reconoció su potencial técnico. La eficiencia del efecto depende de la relación entre el espesor del chorro y el radio de curvatura de la superficie. Si el chorro es demasiado grueso o la curva demasiado cerrada, el impulso del fluido supera la diferencia de presión y el flujo se separa.

En un entorno de laboratorio, este fenómeno de adherencia es notablemente robusto. Un chorro puede hacerse girar completamente 180 grados alrededor de un cilindro, esencialmente invirtiendo su dirección. Esto no es el resultado de la fricción o la tensión superficial, sino de las fuerzas inerciales dentro del propio fluido. A medida que el chorro se dobla, desarrolla un gradiente de presión transversal. La presión en la superficie es menor que la presión ambiental del fluido circundante, creando una "succión" que mantiene el flujo en su lugar. Esto sigue siendo cierto incluso en flujos de alta velocidad y turbulentos donde el boundary layer—la fina capa de aire más cercana a la superficie—se vuelve caótica.

Flaps soplados y sueños de platillos

Finalmente, los aerodinámicos convirtieron esta curiosidad de laboratorio en una herramienta para generar un gran levantamiento. En la década de 1970, el prototipo Boeing YC-14 utilizó la "soplación de la superficie superior". Al colocar los motores a reacción encima del ala en lugar de debajo, los ingenieros permitieron que el escape de alta velocidad se dirigiera directamente sobre la superficie superior y las flapas de borde de fuga. Usando el efecto Coandă, el escape siguió la curva de las flapas bajadas, doblando la fuerza de empuje hacia abajo. Esto aumentó efectivamente el coeficiente de sustentación del ala en un factor de tres, permitiendo que una aeronave de 100 toneladas despegara y aterrizara a velocidades normalmente reservadas para ligeros Cessnas.

Las aplicaciones militares tomaron incluso giros más extraños. Durante la Guerra Fría, el platillo volante canadiense Avrocar intentó construir un "platillo volante" funcional dirigiendo el escape de una turbina central sobre el borde de un disco circular. Aunque el efecto Coandă proporcionaba suficiente sustentación para que la nave se elevara unos pocos pies del suelo, el diseño resultó notoriamente inestable en vuelo hacia adelante. El aire se separaba inesperadamente de las curvas, causando que la nave se balanceara—un fenómeno al que los pilotos de prueba le pusieron el apodo de "hubcapping".

En la era moderna, el efecto es más visible en la cumbre del deporte motor. En la temporada de 2011 del Formula One, equipos como Red Bull Racing usaron "escape Coandă" para obtener una ventaja competitiva. Al moldear la carrocería del coche para dirigir los gases calientes del motor hacia el difusor posterior, usaron el rápido escape para sellar los espacios bajo el coche, creando una zona de baja presión masiva que succionaba el vehículo sobre la pista durante las curvas de alta velocidad.

Lo que aún no sabemos

A pesar de su amplio uso, aún no podemos predecir perfectamente el momento en que un fluido se separará de una curva compleja y tridimensional. La transición de un flujo adherido a uno separado es altamente sensible a las irregularidades microscópicas de la superficie y a las fluctuaciones del aire circundante.

También carecemos de una comprensión completa de cómo se comporta el efecto en los extremos del número de Reynolds—la relación entre las fuerzas inerciales y viscosas. Experimentos de 2004 sugirieron que el efecto se debilita significativamente en flujos laminares, o suaves, a muy bajas velocidades, pero el umbral preciso donde la "adhesión" desaparece sigue siendo objeto de investigación activa.

Y aunque la Bernoulli equation proporciona un marco simplificado para las caídas de presión involucradas, no tiene en cuenta la energía perdida en calor y sonido a medida que el chorro arrastra la atmósfera circundante. Cada vez que un chorro se dobla, paga un impuesto en turbulencia.

En última instancia, el efecto Coandă es la razón por la cual una tetera mal diseñada derrama su contenido por su propio costado. El té, al llegar a la curva de la picoza, crea una pequeña zona de baja presión que tira del líquido de vuelta hacia la cerámica. Es la misma física que elevó a los primeros aviones a reacción, operando a la escala de una mesa del desayuno.

Um filete de fluido que escorre de uma torneira seguirá a curva de uma colher mantida contra ele, desafiando a expectativa de uma queda reta. Esse comportamento "viscoso" do ar e da água, primeiramente observado em um avião em chamas em 1910, permite que aviões cargueiros pesados aterrissem em pistas absurdamente curtas.

No dia 16 de dezembro de 1910, no campo de aviação de Issy-les-Moulineaux, perto de Paris, um inventor romeno chamado Henri Coandă entrou no cockpit de uma aeronave que não tinha hélice. Em seu lugar, havia um "turbo-propulseur"—uma turbina primitiva, acionada por motor, projetada para comprimir ar e misturá-lo com combustível para gerar impulso. Durante um teste no solo, Coandă abriu o acelerador. Ele notou duas coisas em rápida sucessão: primeiro, que as chamas dos gases de escape não saíam diretamente para trás, na esteira, mas sim seguiam as curvas laterais da fuselagem; e segundo, que seu avião estava pegando fogo.

Coandă escapou do incêndio, mas a observação ficou com ele. Ele havia testemunhado uma característica fundamental da dinâmica dos fluidos. Quando um jato de fluido—seja ar, água ou exaustão de combustão—é emitido perto de uma superfície, ele tem uma tendência natural de aderir a essa superfície, mesmo que ela se curve para longe do caminho original do jato. Esse fenômeno, que Coandă passou as próximas três décadas a patentear e aperfeiçoar, tornou-se conhecido como o efeito Coandă.

A física se baseia em um processo chamado entrainment. Um fluxo rápido de ar puxa e carrega as moléculas do ar estacionário que o rodeia. No espaço aberto, isso cria um tubo equilibrado de baixa pressão ao redor do jato. No entanto, se uma parede sólida for colocada em um lado do fluxo, o jato não pode repor o ar que foi puxado da lacuna entre ele e a parede. Forma-se um vácuo parcial. A pressão atmosférica mais elevada no "lado aberto" então empurra todo o fluxo contra a superfície. Se a superfície for curva, o fluxo continuará a seguir a curva, desde que a curva não seja muito acentuada.

A pressão da curva

Embora o efeito carregue o nome de Coandă, foi primeiramente observado pelo polímata Thomas Young em 1800. Young descreveu como a chama de uma vela é atraída para um fluxo de ar proveniente de um sopro, mas foi Coandă quem reconheceu o potencial de engenharia. A eficiência do efeito depende da relação entre a espessura do jato e o raio da curva da superfície. Se o jato for muito espesso ou a curva muito fechada, o momento do fluido supera a diferença de pressão e o fluxo se descola.

Em um ambiente de laboratório, essa aderência é notavelmente robusta. Um jato pode ser feito para virar 180 graus em torno de um cilindro, essencialmente invertendo sua direção. Isso não é resultado de atrito ou tensão superficial, mas das forças inerciais dentro do próprio fluido. À medida que o jato se curva, ele desenvolve um gradiente de pressão transversal. A pressão na superfície é menor do que a pressão ambiente do fluido circundante, criando uma "aspiração" que mantém o fluxo em seu lugar. Isso permanece verdadeiro mesmo em fluxos de alta velocidade e turbulentos, onde a boundary layer—a fina camada de ar mais próxima da superfície—torna-se caótica.

Flapes soprados e sonhos de discos voadores

Aerodinamicistas acabaram transformando essa curiosidade de laboratório em uma ferramenta para levantamento pesado. Na década de 1970, o protótipo Boeing YC-14 utilizou a "sopragem na superfície superior". Ao colocar os motores a jato no topo da asa, em vez de embaixo dela, os engenheiros permitiram que os gases de escape de alta velocidade soprassem diretamente sobre a superfície superior e as flapes da borda de fuga. Usando o efeito Coandă, os gases de escape seguiam a curva das flapes abaixadas, dobrando o impulso para baixo. Isso aumentou efetivamente o coeficiente de sustentação da asa em um fator de três, permitindo que uma aeronave de 100 toneladas decolasse e pousasse a velocidades normalmente reservadas para pequenos Cessnas.

As aplicações militares tomaram rumos ainda mais estranhos. Durante a Guerra Fria, o Avrocar canadense tentou construir um "disco voador" funcional direcionando os gases de escape de uma turbina central para a borda de um disco circular. Embora o efeito Coandă fornecesse o suficiente para que o veículo planasse alguns metros acima do solo, o projeto provou-se notoriamente instável em voo frontal. O ar se desprendia inesperadamente das curvas, fazendo com que a aeronave oscilasse—um fenômeno que os pilotos de teste apelidaram de "hubcapping."

Na era moderna, o efeito é mais visível no ápice do automobilismo. Na temporada de 2011 do Formula One, equipes como a Red Bull Racing usaram "exaustos Coandă" para ganhar vantagem competitiva. Ao moldar a carroceria do carro para direcionar os gases quentes do motor em direção ao difusor traseiro, eles utilizaram o fluxo rápido dos gases de escape para selar as lacunas sob o carro, criando uma zona de baixa pressão massiva que sugava o veículo para a pista durante curvas de alta velocidade.

O que ainda não sabemos

Apesar do seu uso amplamente difundido, ainda não conseguimos prever com perfeição o ponto em que um fluido se descolará de uma curva complexa e tridimensional. A transição de um fluxo aderente para um separado é altamente sensível a irregularidades microscópicas na superfície e a flutuações no ar circundante.

Também não temos uma compreensão completa de como o efeito se comporta nos extremos do número de Reynolds— a relação entre forças inerciais e viscosas. Experimentos em 2004 sugeriram que o efeito é significativamente enfraquecido em fluxos laminares, ou suaves, a velocidades muito baixas, mas o limiar preciso em que a "aderência" desaparece ainda é um assunto de pesquisa ativa.

E embora a Bernoulli equation forneça um quadro simplificado para as quedas de pressão envolvidas, ela falha em considerar a energia perdida para calor e som à medida que o jato arrasta o ar circundante. Toda vez que um jato se curva, ele paga um tributo em turbulência.

No fim das contas, o efeito Coandă é a razão pela qual uma chaleira mal projetada derrama seu conteúdo pelo próprio lado. O chá, ao alcançar a curva do bico, cria uma pequena zona de baixa pressão que puxa o líquido de volta para a cerâmica. É a mesma física que levantou os primeiros jatos, aplicada à escala de uma mesa de café da manhã.

يُمكن لتيار من السائل ينسكب من الصنبور أن يتبع منحنى الملعقة الموضوعة أمامه، متحدياً التوقع بأن يسقط بشكل مستقيم. هذه السمة "الлиصقة" للهواء والماء، الملاحظة لأول مرة في طائرة مُحترقة عام 1910، تسمح للطائرات الثقيلة بنقل البضائع الهابطة على مدرجات قصيرة بشكل لا يُصدّق.

في 16 ديسمبر 1910، في مطار إسي-ليس-مولينو على بعد مسافة قصيرة من باريس، صعد مخترع روماني يُدعى Henri Coandă إلى قمرة قيادة طائرة تفتقر إلى المروحة الدوارة. بدلًا من ذلك، كانت تحتوي على "مُدَرّج دفعي" - محرك مبدئي يُنتج تيّارًا هوائيًا مضغوطًا مختلطًا بالوقود لإنتاج الدفع. خلال اختبار أُجري على الأرض، فتح كواندا صمام الغاز. لاحظ شيئين بسرعة متتالية: أولًا، أن لهب العادم لم يخرج مباشرةً إلى الخلف في التيار الجوي، بل احتفظ بجوانب الأنبوب المُقوّس للطائرة؛ ثانيًا، أن طائرته بدأت بالاحتراق.

نجا كواندا من الحريق، لكن الملاحظة بقيت معه. فقد شهد ظاهرة جوهرية في الديناميكا الهوائية. عندما يُطلق تيار من السوائل - سواء هوائي، مائي أو عادم احتراق - بالقرب من سطح، فإن له تأثير طبيعي يجعله يلتصق بهذا السطح، حتى لو كان السطح مقوسًا بعيدًا عن مسار التيار الأصلي. هذه الظاهرة، التي قضى كواندا الثلاثين سنة التالية على براءات اختراعها وتحسينها، أصبحت معروفة باسم تأثير كواندا.

تستند الفيزياء إلى عملية تُعرف باسم entrainment. تيار سريع من الهواء يسحب ويبعد جزيئات الهواء الثابتة المحيطة به. في الفضاء المفتوح، يُنتج ذلك أنبوبًا متوازنًا من الضغط المنخفض حول التيار. ومع ذلك، إذا وُضعت جدار صلب على جانب واحد من التيار، لا يمكن لتيار الهواء أن يُعوّض الهواء الذي سحبه من الفجوة بينه وبين الجدار. تتشكل فراغ جزئي. الضغط الجوي الأعلى على الجانب "المفتوح" يدفع التيار بأكمله نحو السطح. إذا كان السطح مقوسًا، سيظل التيار متمسكًا بالمنحنى طالما لم يكن المنحنى حادًا جدًا.

ضغط المنحنى

بينما تحمل الظاهرة اسم كواندا، فقد لاحظها لأول مرة عالم متعدد المواهب هو Thomas Young في عام 1800. وصف يونغ كيف أن لهب الشمعة ينجذب نحو تيار هوائي من أنبوب النفخ، لكن من كواندا من أدرك القدرة على التصميم الهندسي. تعتمد كفاءة الظاهرة على نسبة سُمك التيار إلى نصف قطر منحنى السطح. إذا كان التيار سُميكًا جدًا، أو المنحنى حادًا جدًا، فإن زخم السائل يهزم الفرق في الضغط، مما يؤدي إلى انفصال التيار.

في بيئة المختبر، فإن هذا الالتصاق مذهل في قوته. يمكن جعل التيار يدور 180 درجة حول أسطوانة، مما يعكس اتجاهه تقريبًا. هذا ليس نتيجة للكشط أو التوتر السطحي، بل بسبب القوى quán tính داخل السائل نفسه. بينما ينحني التيار، يتطور تدرج ضغط عرضي. الضغط على السطح أقل من ضغط السائل المحيط، مما يخلق "مكواة" تُبقي التيار في مكانه. يظل هذا صحيحًا حتى في التدفق السريع والمضطرب حيث تصبح boundary layer - طبقة الهواء الرقيقة القريبة من السطح - مضطربة.

أسطح مُنفثة وأحلام الأطباق الطائرة

في النهاية، تحولت هذه الظاهرة المختبرية إلى أداة لزيادة الرفع. في السبعينيات، استخدمت النموذج Boeing YC-14 "النفث العلوي". بوضع محركات النفث على الأعلى بدلًا من الأسفل، سمح المهندسون للعادم السريع بالتناثر مباشرةً فوق السطح العلوي وفتحات التوجيه في الخلف. باستخدام تأثير كواندا، تبع العادم منحنى الأسطح المُنخفضة، مما جعل الدفع ينحني لأسفل. هذا أدى إلى زيادة معامل الرفع للجناح بمعدل ثلاث مرات، مما يسمح لطائرة تزن 100 طن بال взلاج والهبوط بسرعة تُستخدم عادةً من قبل طائرات سيسنا الصغيرة.

اتخذت التطبيقات العسكرية منحىً غريبًا أكثر. خلال الحرب الباردة، حاول النموذج Avrocar المُصنَّع في كندا إنشاء "قرص طائر" عملي من خلال توجيه عادم توربين مركزي على حافة قرص دائري. بينما أنتج تأثير كواندا ما يكفي من الرفع ليسمح للمركبة بالطيران بضع أقدام فوق الأرض، أثبت التصميم أنه غير مستقر بشكل ملحوظ في الطيران الأمامي. حيث ينفصل الهواء بشكل مفاجئ عن المنحنى، مما يسبب في هز المركبة - ظاهرة سماها الطيارون في التجارب "تغليف المحور".

في العصر الحديث، تظهر الظاهرة بشكل أكثر وضوحًا في قمة رياضة السيارات. في موسم Formula One 2011، استخدمت فرق مثل "ريد بول ريسينغ" "نفث كواندا" لتحقيق ميزة تنافسية. بتصميم هيكل السيارة ليوجه غازات المحرك الساخنة نحو المُفَرِّق الخلفي، استخدموا التيار السريع من العادم لسد الفجوات أسفل السيارة، مما أدى إلى إنشاء منطقة ضغط منخفض كبيرة تجذب السيارة إلى المضمار أثناء المنعطفات بسرعة عالية.

ما لا نزال لا نعرفه

رغم استخدامها على نطاق واسع، لا نستطيع التنبؤ بدقة باللحظة التي سيُنفصل فيها السائل عن منحنى معقد ثلاثي الأبعاد. الانتقال من تدفق ملتصق إلى تدفق منفصل يعتمد بشكل كبير على عدم انتظام السطح الدقيق والاهتزازات في الهواء المحيط.

نحن أيضًا نفتقر إلى فهم كامل لكيفية تصرف الظاهرة في الأطراف المتطرفة لعدد رينولدز - نسبة القوى quán tính إلى القوى اللزجية. أظهرت تجارب عام 2004 أن الظاهرة تضعف بشكل ملحوظ في التدفق اللزج أو السلس بسرعات منخفضة جدًا، ومع ذلك فإن الحد الدقيق الذي تختفي فيه "الالتصاقية" لا يزال موضوع بحث نشط.

وبالرغم من أن Bernoulli equation يوفر إطارًا مبسطًا للانخفاضات الضغطية، فإنه يفشل في تفسير الطاقة المفقودة في الحرارة والصوت أثناء تيارات التيار الهوائي المحيطة. كل مرة ينحني فيها التيار، يدفع ضريبة من التربulence.

في النهاية، هو السبب الذي يجعل قارورة الشاي المُصممة بشكل سيء تنسكب محتوياتها على جانبيها. يخلق الشاي منحنى في فوهة القارورة منطقة صغيرة من الضغط المنخفض تجذب السائل مرة أخرى نحو السطح الخزفي. إنها نفس الفيزياء التي ساعدت أول الطائرات النفاثة على الطيران، لكنها تُطبَّق على مقياس طاولة الإفطار.

Aliran cairan yang mengalir dari keran akan mengikuti lengkungan sendok yang diletakkan di dekatnya, melawan harapan jatuhnya yang lurus. Perilaku 'pekat' udara dan air ini, yang pertama kali diamati pada pesawat terbang yang terbakar tahun 1910, memungkinkan pesawat jet kargo berat mendarat di landasan pacu yang secara mustahil pendek.

Pada tanggal 16 Desember 1910, di lapangan udara Issy-les-Moulineaux dekat Paris, seorang penemu asal Rumania bernama Henri Coandă memasuki kokpit pesawat terbang yang tidak memiliki baling-baling. Sebagai penggantinya terdapat sebuah 'turbo-propulseur'—turbin sederhana yang dipasang mesin, dirancang untuk mengompresi udara dan mencampurkannya dengan bahan bakar guna menghasilkan daya dorong. Saat uji coba di darat, Coandă membuka throttle. Ia menyadari dua hal secara cepat: pertama, bahwa api pembuangan tidak menyembur lurus ke belakang ke aliran udara, melainkan mengikuti sisi lengkung badan pesawat; dan kedua, pesawatnya sedang terbakar.

Coandă berhasil selamat dari kobaran api, tetapi pengamatan itu tetap melekat padanya. Ia telah menyaksikan keanehan dasar dalam dinamika fluida. Ketika aliran fluida—baik itu udara, air, atau pembuangan pembakaran—dikeluarkan dekat permukaan, aliran tersebut memiliki kecenderungan alami untuk melekat pada permukaan tersebut, bahkan jika permukaan itu melengkung menjauh dari jalur asli aliran. Fenomena ini, yang selama tiga dekade berikutnya Coandă habiskan untuk mematenkan dan memperbaikinya, dikenal sebagai efek Coandă.

Fisika di baliknya berdasarkan pada proses yang disebut entrainment. Aliran udara yang bergerak cepat menarik dan membawa molekul udara statis di sekitarnya. Di ruang terbuka, ini menciptakan tabung tekanan rendah seimbang di sekitar aliran. Namun, jika dinding padat ditempatkan di satu sisi aliran, aliran tersebut tidak dapat mengganti udara yang telah terbawa dari celah antara aliran dan dinding. Terbentuklah vakum parsial. Tekanan atmosfer yang lebih tinggi di sisi 'terbuka' kemudian mendorong seluruh aliran ke permukaan. Jika permukaan itu melengkung, aliran akan terus mengikuti lengkungan tersebut, selama lengkungan itu tidak terlalu tajam.

Tekanan lengkungan

Meskipun efek ini dinamai Coandă, efek ini pertama kali dicatat oleh polymath Thomas Young pada tahun 1800. Young menggambarkan bagaimana api lilin ditarik ke arah aliran udara dari pipa napas, tetapi yang mengenali potensi rekayasanya adalah Coandă. Efisiensi efek ini bergantung pada rasio antara ketebalan aliran dan jari-jari lengkungan permukaan. Jika aliran terlalu tebal, atau lengkungan terlalu tajam, momentum fluida mengatasi perbedaan tekanan dan aliran terlepas.

Dalam pengaturan laboratorium, kecenderungan melekat ini sangat kuat. Aliran dapat dibuat berputar hingga 180 derajat mengelilingi silinder, secara esensial membalikkan arahnya. Ini bukan hasil gesekan atau tegangan permukaan, melainkan gaya inersia dalam fluida itu sendiri. Saat aliran melengkung, ia mengembangkan gradien tekanan melintang. Tekanan di permukaan lebih rendah dari tekanan lingkungan fluida sekitarnya, menciptakan 'hisapan' yang mempertahankan aliran di tempatnya. Hal ini tetap berlaku bahkan dalam aliran berkecepatan tinggi dan turbulen di mana boundary layer—lapisan tipis udara terdekat dengan permukaan—menjadi kacau.

Flap terhembus dan impian cakram terbang

Akhirnya, aerodinamisawan mengubah keanehan laboratorium ini menjadi alat untuk mengangkat beban berat. Pada tahun 1970-an, prototipe Boeing YC-14 menggunakan 'pembuangan permukaan atas.' Dengan menempatkan mesin jet di atas sayap, bukan di bawahnya, para insinyur memungkinkan pembuangan berkecepatan tinggi mengalir langsung ke permukaan atas dan flap ujung belakang. Dengan menggunakan efek Coandă, pembuangan mengikuti lengkungan flap yang diturunkan, membelokkan dorongannya ke bawah. Ini secara efektif meningkatkan koefisien angkat sayap hingga tiga kali lipat, memungkinkan pesawat 100 ton mengudara dan mendarat pada kecepatan yang biasanya hanya digunakan oleh pesawat ringan Cessna.

Aplikasi militer mengambil arah yang bahkan lebih aneh. Selama Perang Dingin, Avrocar yang dibuat Kanada berusaha membangun 'cakram terbang' yang berfungsi dengan mengarahkan pembuangan turbin pusat ke tepi cakram bulat. Meskipun efek Coandă memberikan cukup daya angkat untuk membuat kendaraan mengapung beberapa kaki di atas tanah, desain ini terbukti sangat tidak stabil dalam penerbangan maju. Udara akan terlepas secara tak terduga dari lengkungan, menyebabkan kendaraan bergoyang—fenomena yang para penerbang uji beri julukan 'hubcapping.'

Di era modern, efek ini paling terlihat di puncak olahraga motorsport. Dalam musim balap Formula One 2011, tim seperti Red Bull Racing menggunakan 'pembuangan Coandă' untuk mendapatkan keunggulan kompetitif. Dengan membentuk bodi mobil agar mengarahkan gas panas mesin ke diffuser belakang, mereka menggunakan aliran pembuangan yang cepat untuk mengunci celah di bawah mobil, menciptakan zona tekanan rendah besar yang menarik kendaraan ke trek selama berbelok di kecepatan tinggi.

Apa yang masih belum kita ketahui

Meskipun penggunaannya sudah luas, kita belum bisa memprediksi secara sempurna titik di mana fluida akan terlepas dari lengkungan kompleks tiga dimensi. Transisi dari aliran yang melekat ke aliran yang terpisah sangat sensitif terhadap ketidakteraturan mikroskopis permukaan dan fluktuasi udara di sekitarnya.

Kita juga masih kurang memahami bagaimana efek ini berperilaku di ujung skala bilangan Reynolds—rasio antara gaya inersia dan gaya viskos. Eksperimen pada tahun 2004 menunjukkan bahwa efek ini secara signifikan melemah dalam aliran laminar, atau aliran mulus, pada kecepatan sangat rendah, tetapi ambang pasti di mana 'kelengketan' menghilang tetap menjadi subjek penelitian aktif.

Dan meskipun Bernoulli equation memberikan kerangka sederhana untuk penurunan tekanan yang terlibat, itu gagal memperhitungkan energi yang hilang akibat panas dan suara saat aliran menyerap atmosfer sekitarnya. Setiap kali aliran melengkung, ia membayar pajak dalam bentuk turbulensi.

Akhirnya, efek Coandă adalah alasan mengapa termos yang buruk dirancang tumpah di sisi sendirinya. Teh, mencapai lengkungan gagang, menciptakan zona kecil tekanan rendah yang menarik cairan kembali ke arah keramik. Ini adalah fisika yang sama yang mengangkat pesawat jet pertama, hanya dalam skala meja makan.

Un filet de fluide qui s'écoule d'un robinet suivra la courbure d'une cuillère placée contre lui, contredisant l'attente d'une chute droite. Ce comportement « collant » de l'air et de l'eau, d'abord observé dans un avion en feu en 1910, permet aux cargos lourds d'atterrir sur des pistes d'atterrissage impossible à court.

Le 16 décembre 1910, sur l'aérodrome d'Issy-les-Moulineaux, près de Paris, un inventeur roumain nommé Henri Coandă s'installa dans le cockpit d'un avion dépourvu d'hélice. À la place, il y avait un « turbo-propulseur » — une turbine primitive, entraînée par un moteur, conçue pour comprimer l'air et le mélanger au carburant afin de produire une poussée. Pendant un essai au sol, Coandă ouvrit le carburateur. Il remarqua deux choses de manière successive : premièrement, que les flammes d'échappement ne se dirigeaient pas directement vers l'arrière dans le sillage, mais suivaient plutôt les côtés courbés du fuselage ; et deuxièmement, que son avion prenait feu.

Coandă échappa aux flammes, mais l'observation resta gravée en lui. Il avait assisté à une particularité fondamentale de la dynamique des fluides. Quand un jet de fluide — qu'il s'agisse d'air, d'eau ou d'air de combustion — est émis près d'une surface, il a une tendance naturelle à s'y coller, même si la surface s'écarte de la trajectoire initiale du jet. Ce phénomène, auquel Coandă consacra les trois décennies suivantes pour en breveter et affiner les applications, devint connu sous le nom d'effet Coandă.

La physique repose sur un processus appelé entrainment. Un filet d'air rapide entraîne et emporte les molécules d'air stationnaire qui l'entourent. Dans l'espace libre, cela crée un tube équilibré de basse pression autour du jet. Cependant, si un mur solide est placé d'un côté du filet, le jet ne peut pas renouveler l'air qu'il a emporté de l'espace entre lui-même et le mur. Un vide partiel se forme. La pression atmosphérique plus élevée sur le côté « ouvert » pousse alors l'ensemble du filet contre la surface. Si la surface est courbée, le filet continuera à suivre la courbe, à condition que celle-ci ne soit pas trop soudaine.

La pression de la courbe

Bien que l'effet porte le nom de Coandă, il fut d'abord noté par le polymathe Thomas Young en 1800. Young décrivit comment la flamme d'une bougie est attirée par un filet d'air provenant d'un soufflet, mais c'est Coandă qui reconnut le potentiel en ingénierie. L'efficacité de l'effet dépend du rapport entre l'épaisseur du jet et le rayon de courbure de la surface. Si le jet est trop épais, ou si la courbe est trop soudaine, l'inertie du fluide l'emporte sur la différence de pression et le flux se détache.

Dans un environnement de laboratoire, cette adhérence est remarquablement robuste. Un jet peut être fait tourner de 180 degrés autour d'un cylindre, inversant essentiellement sa direction. Ce n'est pas le résultat de la friction ou de la tension superficielle, mais des forces inertielles au sein du fluide lui-même. Alors que le jet se courbe, il développe un gradient de pression transversal. La pression à la surface est inférieure à la pression ambiante du fluide environnant, créant une « aspiration » qui maintient le flux en place. Cela reste vrai même dans des flux rapides et turbulents où le boundary layer — la fine couche d'air la plus proche de la surface — devient chaotique.

Les ailerons soufflés et les rêves de soucoupes

Les aérodynamiciens ont finalement transformé cette curiosité de laboratoire en outil pour un portance importante. Dans les années 1970, le prototype Boeing YC-14 utilisa la « soufflerie de la surface supérieure ». En plaçant les moteurs à réaction sur le dessus de l'aile plutôt qu'en dessous, les ingénieurs permirent à l'échappement à haute vitesse de souffler directement sur la surface supérieure et les ailerons arrière. En utilisant l'effet Coandă, l'échappement suivit la courbe des ailerons abaissés, déviant la poussée vers le bas. Cela augmenta effectivement le coefficient de portance de l'aile par un facteur de trois, permettant à un avion de 100 tonnes de décoller et d'atterrir à des vitesses généralement réservées aux petits Cessnas.

Les applications militaires prirent des tournures encore plus étranges. Pendant la Guerre froide, l'appareil canadien Avrocar tenta de construire une « soucoupe volante » fonctionnelle en dirigeant l'échappement d'une turbine centrale sur le bord d'un disque circulaire. Bien que l'effet Coandă fournît suffisamment de portance pour permettre à l'appareil de planer à quelques pieds du sol, la conception s'avéra notoirement instable en vol en avant. L'air se détachait soudainement des courbes, causant des oscillations du véhicule — un phénomène que les pilotes d'essai surnommèrent « hubcapping ».

Dans l'ère moderne, l'effet est le plus visible au sommet du sport automobile. Pendant la saison 2011 de la Formula One, des équipes comme Red Bull Racing utilisèrent des « échappements Coandă » pour gagner un avantage compétitif. En façonnant les ailerons de la voiture pour guider les gaz chauds du moteur vers le diffuseur arrière, ils utilisèrent l'échappement rapide pour sceller les espaces sous la voiture, créant une zone de basse pression massive qui aspirait le véhicule sur la piste pendant les virages à grande vitesse.

Ce que nous ne savons toujours pas

Malgré son utilisation courante, nous ne pouvons pas encore prédire avec certitude le point exact auquel un fluide se détachera d'une courbe complexe en trois dimensions. La transition d'un flux adhérent à un flux séparé est extrêmement sensible aux irrégularités microscopiques de la surface et aux fluctuations de l'air environnant.

Nous manquons également d'une compréhension complète de la manière dont l'effet se comporte aux extrêmes du nombre de Reynolds — le rapport entre les forces inertielles et les forces visqueuses. Des expériences en 2004 ont suggéré que l'effet est nettement affaibli dans les flux lamellaires, ou lisses, à très faible vitesse, mais la limite précise où la « collerette » disparaît reste un sujet de recherche active.

Et bien que la Bernoulli equation offre un cadre simplifié pour les chutes de pression impliquées, elle ne prend pas en compte l'énergie perdue en chaleur et en son lorsqu'un jet entraîne l'atmosphère environnante. À chaque fois qu'un jet se courbe, il paie un impôt en turbulence.

Au fond, l'effet Coandă est la raison pour laquelle une théière mal conçue répand son contenu le long de son propre côté. Le thé, arrivant à la courbe du bec verseur, crée une petite zone de basse pression qui attire le liquide vers le céramique. C'est la même physique qui a soulevé les premiers réacteurs, mais à l'échelle d'une table de petit-déjeuner.

Ein Wasserstrahl, der aus einem Hahn austritt, folgt der Kurve einer Löffelkante, die ihm entgegengehalten wird, und bricht nicht, wie erwartet, geradlinig zusammen. Dieses „kohäsive“ Verhalten von Luft und Wasser, erstmals 1910 in einem brennenden Flugzeug beobachtet, ermöglicht schweren Frachtjets, auf unvorstellbar kurzen Landebahnen zu landen.

Am 16. Dezember 1910 bestieg ein rumänischer Erfinder namens Henri Coandă am Flugplatz von Issy-les-Moulineaux bei Paris die Cockpits einer Flugmaschine, die keinen Propeller besaß. An seiner Stelle befand sich ein „turbo-propulseur“ – eine rohe, motorgetriebene Turbine, die Luft komprimieren und mit Kraftstoff mischen sollte, um Schub zu erzeugen. Während eines Bodentests öffnete Coandă das Gas. Er bemerkte zwei Dinge nacheinander: Erstens, dass die Abgasflammen nicht gerade in den Windschatten zurückströmten, sondern vielmehr die gekrümmten Seiten des Rumpfes umarmten; und zweitens, dass sein Flugzeug Feuer fing.

Coandă entkam dem Feuer, doch die Beobachtung blieb ihm. Er hatte eine grundlegende Besonderheit der Fluidodynamik erkannt. Wenn ein Fluidstrahl – sei es Luft, Wasser oder Verbrennungsabgas – in der Nähe einer Oberfläche ausgestoßen wird, hat er die natürliche Neigung, sich an diese Oberfläche zu klammern, selbst wenn diese sich von der ursprünglichen Richtung des Strahls wegbiegt. Dieses Phänomen, das Coandă in den nächsten drei Jahrzehnten patentieren und verfeinern sollte, wurde schließlich als Coandă-Effekt bekannt.

Die Physik basiert auf einem Prozess, der entrainment genannt wird. Ein schnell bewegter Luftstrom zieht die Moleküle der umgebenden, stehenden Luft an und trägt sie mit. Im freien Raum entsteht hierdurch ein ausgewogener Schlauch mit niedrigem Druck um den Strahl. Wenn jedoch eine feste Wand auf einer Seite des Strahls platziert wird, kann der Strahl die Luft nicht mehr auffüllen, die er zwischen sich und der Wand weggezogen hat. Ein Teilsvakuum entsteht. Der höhere atmosphärische Druck auf der „offenen“ Seite schiebt den ganzen Strahl dann gegen die Oberfläche. Wenn die Oberfläche gekrümmt ist, wird der Strahl weiterhin die Biegung umarmen, sofern die Kurve nicht zu scharf ist.

Der Druck der Kurve

Obwohl das Phänomen den Namen Coandă trägt, wurde es bereits 1800 von dem Universalgelehrten Thomas Young beobachtet. Young beschrieb, wie eine Kerzenflamme zu einem Luftstrom aus einer Blasekanüle hingezogen wird, doch es war Coandă, der das ingenieurtechnische Potenzial erkannte. Die Effizienz des Effekts hängt vom Verhältnis zwischen der Dicke des Strahls und dem Radius der Oberflächenkrümmung ab. Wenn der Strahl zu dick oder die Kurve zu eng ist, überwindet der Impuls des Fluids den Druckunterschied und der Strahl löst sich.

In einem Laborumfeld ist diese Anhaftung erstaunlich robust. Ein Strahl kann um eine volle 180 Grad um einen Zylinder herumgeführt werden, praktisch seine Richtung umkehrend. Dies ist nicht das Ergebnis von Reibung oder Oberflächenspannung, sondern der Trägheitskräfte innerhalb des Fluids selbst. Während sich der Strahl biegt, entwickelt er ein transversales Druckgradient. Der Druck an der Oberfläche ist niedriger als der Umgebungsdruck des umgebenden Fluids, wodurch eine „Saugkraft“ entsteht, die den Strahl an Ort und Stelle hält. Dies gilt auch in Hochgeschwindigkeits- und turbulenten Strömungen, in denen das boundary layer – die dünne Luftschicht, die der Oberfläche am nächsten ist – chaotisch wird.

Geblasene Klappen und Saucerdreams

Aerodynamiker wandelten dieses Laborphänomen schließlich in ein Werkzeug für hohe Tragkraft um. In den 1970er Jahren nutzte das Boeing YC-14-Prototyp die „Oberflächen-Blasung“. Indem Ingenieure die Düsenturbinen auf der Oberseite des Flügels statt darunter platzierten, ließen sie den Hochgeschwindigkeits-Abgasstrom direkt über die Oberfläche und die Kantenklappen blasen. Mithilfe des Coandă-Effekts folgte der Abgasstrom der Form der heruntergeklappten Klappen, wodurch der Schub nach unten gebogen wurde. Dies erhöhte effektiv den Tragkoeffizienten des Flügels um den Faktor drei, sodass ein 100-Tonnen-Flugzeug mit Geschwindigkeiten starten und landen konnte, die normalerweise nur für leichte Cessnas reserviert waren.

Die militärischen Anwendungen nahmen noch bizarrere Wege. Während des Kalten Krieges versuchte das in Kanada gebaute Avrocar, durch Leiten des Abgasstroms eines zentralen Turbinenmotors über den Rand eines kreisförmigen Scheibenflugzeugs eine funktionierende „Flugscheibe“ zu bauen. Während der Coandă-Effekt ausreichend Auftrieb erzeugte, um das Fahrzeug einige Fuß über dem Boden schweben zu lassen, erwies sich das Design als äußerst instabil bei Vorwärtsflug. Die Luft löste sich unerwartet von den Kurven, wodurch das Fahrzeug wackelte – ein Phänomen, das die Testpiloten „Hubcapping“ nannten.

In der modernen Ära ist der Effekt vor allem in der Spitze der Motorsportwelt sichtbar. In der Saison 2011 des Formula One nutzten Teams wie Red Bull Racing „Coandă-Abgasströme“, um einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen. Indem sie die Karosserieform so gestalteten, dass die heißen Motorenabgase zum hinteren Diffusor geleitet wurden, nutzten sie den schnell bewegten Abgasstrom, um die Lücken unter dem Fahrzeug zu verschließen und so ein riesiges Niederdruckgebiet zu erzeugen, das das Fahrzeug beim Kurvenfahren mit hoher Geschwindigkeit auf die Strecke saugte.

Was wir immer noch nicht wissen

Trotz seiner weit verbreiteten Anwendung können wir den Punkt, an dem ein Fluid sich von einer komplexen, dreidimensionalen Kurve löst, noch nicht perfekt vorhersagen. Der Übergang von einem haftenden zu einem abgetrennten Strahl ist äußerst empfindlich gegenüber mikroskopisch kleinen Oberflächenirregularitäten und Schwankungen in der umgebenden Luft.

Wir haben auch noch kein vollständiges Verständnis dafür, wie sich der Effekt an den Extremen der Reynolds-Zahl verhält – dem Verhältnis von Trägheits- zu Viskositätskräften. Experimente aus dem Jahr 2004 zeigten, dass der Effekt bei laminaren, also glatten Strömungen bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten erheblich abgeschwächt wird, doch die genaue Schwelle, an der die „Haftkraft“ verschwindet, bleibt Gegenstand aktueller Forschung.

Und während das Bernoulli equation ein vereinfachtes Modell für die Druckabfälle liefert, kann es nicht berücksichtigen, wie viel Energie durch Wärme und Schall verloren geht, während der Strahl die umgebende Atmosphäre einzieht. Jedes Mal, wenn ein Strahl sich biegt, zahlt er eine Abgabe an Turbulenz.

Letztendlich ist der Coandă-Effekt der Grund dafür, dass ein schlecht gestaltetes Teekesselchen seinen Inhalt an seiner eigenen Seite herunterlässt. Der Tee, der die Krümmung des Schlauchs erreicht, erzeugt ein winziges Niederdruckgebiet, das das Flüssigkeits zurück an die Keramik zieht. Es ist dieselbe Physik, die die ersten Düsenflugzeuge hob, nur auf die Skala eines Frühstückstisches verkleinert.

Поток жидкости, вытекающий из крана, будет следовать по кривой ложки, удерживаемой у него на пути, нарушая ожидание прямого падения. Это «вязкое» поведение воздуха и воды, впервые замеченное в горящем самолете в 1910 году, позволяет тяжелым грузовым самолетам приземляться на невероятно коротких взлетно-посадочных полосах.

16 декабря 1910 года в аэродроме Иси-ле-Мулено, вблизи Парижа, румынский изобретатель по имени Henri Coandă забрался в кабину самолета, у которого не было винта. Вместо него был установлен «турбопропульсор» — примитивная моторная турбина, предназначенная для сжатия воздуха и смешивания его с топливом для получения тяги. Во время наземного испытания Коанда открыл подачу топлива. Он заметил две вещи подряд: во-первых, что выхлопные пламя не шел прямо в след за потоком, а обтекал изогнутые бока фюзеляжа; и, во-вторых, что его самолет загорелся.

Коанда спасся из огня, но наблюдение осталось с ним. Он столкнулся с фундаментальным аномалией динамики жидкости. Когда струя жидкости — будь то воздух, вода или продукты сгорания — выбрасывается вблизи поверхности, она имеет естественную тенденцию прилипать к этой поверхности, даже если поверхность отклоняется от первоначального пути струи. Это явление, над которым Коанда в течение следующих тридцати лет получал патенты и совершенствовал его, стало известно как эффект Коанды.

Физика основывается на процессе, называемом entrainment. Быстро движущийся поток воздуха притягивает и уносит молекулы стационарного воздуха, окружающего его. В открытой среде это создает сбалансированную трубку низкого давления вокруг струи. Однако, если на одной стороне потока находится твердая стенка, струя не может восполнить воздух, который она унесла из промежутка между собой и стенкой. Формируется частичный вакуум. Более высокое атмосферное давление на «открытой» стороне толкает весь поток к поверхности. Если поверхность изогнута, поток будет продолжать обтекать изгиб, при условии, что кривизна не слишком резкая.

Давление кривой

Хотя эффект носит имя Коанды, он был впервые замечен всесторонним ученым Thomas Young в 1800 году. Юнг описал, как пламя свечи притягивается к потоку воздуха из горелки, но именно Коанда осознал инженерный потенциал. Эффективность эффекта зависит от соотношения между толщиной струи и радиусом кривизны поверхности. Если струя слишком толстая, или кривизна слишком резкая, импульс жидкости преодолевает давление и поток отрывается.

В лабораторных условиях это прилипание чрезвычайно устойчиво. Струя может быть заставлена обогнуть цилиндр на 180 градусов, фактически изменяя свое направление. Это не результат трения или поверхностного натяжения, а инерционных сил внутри самой жидкости. По мере изгиба струи, она развивает поперечный градиент давления. Давление на поверхности ниже, чем окружающее давление жидкости, создавая «всасывание», которое удерживает поток на месте. Это остается верным даже в высокоскоростных турбулентных потоках, где boundary layer — тонкая пленка воздуха, ближайшая к поверхности — становится хаотичной.

Вентилируемые закрылки и мечты о летающих тарелках

Аэродинамисты в конечном итоге превратили эту лабораторную любопытность в инструмент для создания большого подъема. В 1970-х годах прототип Boeing YC-14 использовал «вдувание по верхней поверхности». Размещая реактивные двигатели сверху крыла, а не под ним, инженеры позволяли высокоскоростному выхлопу дуть непосредственно по верхней поверхности и по закрылкам на заднем крае. Используя эффект Коанды, выхлоп следовал кривизне опущенных закрылков, изгибая тягу вниз. Это эффективно увеличило коэффициент подъемной силы крыла в три раза, позволяя самолету весом в 100 тонн взлетать и приземляться на скорости, обычно используемой для легких Cessnas.

Военные применения приняли еще более странные формы. Во время Холодной войны канадский Avrocar пытался создать функциональную «летающую тарелку», направляя выхлоп центральной турбины по краю круглого диска. Хотя эффект Коанды обеспечил достаточное подъемное усилие для того, чтобы аппарат завис на несколько футов над землей, конструкция оказалась чрезвычайно нестабильной при переднем полете. Воздух неожиданно отрывался от кривизны, вызывая колебания аппарата — явление, которое пилоты-испытатели прозвали «колпачком на колесе».

В современную эпоху эффект наиболее заметен на вершине автоспорта. В сезоне 2011 года Formula One команды, такие как Red Bull Racing, использовали «выхлопы Коанды», чтобы получить преимущество в гонках. Формируя кузов автомобиля так, чтобы направлять горячие газы двигателя к заднему диффузору, они использовали быстродвижущийся выхлоп для уплотнения зазоров под машиной, создавая огромную зону низкого давления, которая прижимала автомобиль к трассе во время высокоскоростных поворотов.

То, чего мы до сих пор не знаем

Несмотря на его широкое применение, мы еще не можем точно предсказать момент, когда жидкость оторвется от сложной трехмерной кривой. Переход от прилипшего потока к оторвавшемуся чрезвычайно чувствителен к микроскопическим неровностям поверхности и колебаниям окружающего воздуха.

Мы также не имеем полного понимания того, как эффект ведет себя в экстремальных условиях числа Рейнольдса — соотношения инерционных и вязких сил. Эксперименты 2004 года показали, что эффект значительно ослабляется в ламинарных, или плавных, потоках при очень низких скоростях, однако точный порог, где «липкость» исчезает, остается предметом активных исследований.

И хотя Bernoulli equation предоставляет упрощенную схему для понимания падения давления, он не учитывает энергию, теряемую в виде тепла и звука, когда струя взаимодействует с окружающей атмосферой. Каждый раз, когда струя изгибается, она платит цену в виде турбулентности.

В конечном итоге, эффект Коанды — это причина, по которой плохо спроектированный чайник проливает содержимое по своей стороне. Чай, достигая изгиба носика, создает небольшую зону низкого давления, которая притягивает жидкость обратно к фарфору. Это та же физика, которая подняла первые реактивные самолеты, но действует на масштабе завтрака.

물이 수도꼭지에서 흘러내리는 줄기가 아래로 곧게 떨어지기를 기대했지만, 그 물줄기를 숟가락 끝에 가까이 대면 물줄기는 숟가락의 곡선을 따라 흐르게 된다. 1910년 불타는 비행기에서 처음 관찰된 공기와 물의 이 '점성적' 성질은, 중형 화물기조차 불가능할 것 같은 짧은 활주로에 착륙하는 것을 가능하게 한다.

1910년 12월 16일, 파리 근교의 이시-레-무리노 공장에서 루마니아의 발명가인 Henri Coandă은 프로펠러가 없는 비행기의 조종석에 올라탔다. 대신 '터보-프로펄스르'라는 기계가 장착되어 있었는데, 이는 공기를 압축하고 연료와 혼합시켜 추력을 제공하는, 간단한 모터 구동 터빈이었다. Coandă가 엔진을 가속시킨 지상 시험 중, 그는 연속적으로 두 가지를 알아챘다. 첫째, 배기 가스의 불꽃이 직선으로 후방의 공기 흐름 속으로 나가지 않고, 대신 항공기 몸체의 곡면을 따라 붙어 있다는 것이었다. 둘째, 그의 비행기가 불에 타고 있다는 사실이었다.

Coandă는 화재에서 탈출했지만, 그 관찰은 그의 기억 속에 남아 있었다. 그는 유체 역학의 근본적인 특성을 목격한 것이었다. 유체, 즉 공기, 물, 연소 배기 중 하나라도 표면 근처에서 방출되면, 그 표면에 자연스럽게 붙어 있는 경향이 있다. 이는 표면이 유체의 원래 경로를 벗어나 곡면이 되어도 마찬가지다. Coandă는 이 현상을 다음 30년 동안 특허를 내고 개선하며, 이 현상은 Coandă 효과라고 알려지게 되었다.

이 물리 현상은 entrainment이라는 과정에 기반한다. 빠르게 흐르는 공기 스트림은 주변 정지된 공기 분자를 끌어당기고 데려가게 된다. 개방된 공간에서는 이로 인해 유체 주위에 균형 잡힌 저압 튜브가 형성된다. 그러나 유체 스트림 한쪽에 고체 벽이 놓여 있다면, 유체는 자신과 벽 사이의 간격에서 끌어간 공기를 다시 보충할 수 없다. 부분 진공이 생기게 되고, '개방'된 측의 대기 압력이 유체 스트림 전체를 표면에 밀착시키게 된다. 표면이 곡면이라면, 곡률이 너무 가파르지 않다면 유체 스트림은 계속 곡선을 따라 붙어 있을 수 있다.

곡률의 압력

이 효과는 Coandă의 이름을 딴 것으로 알려져 있지만, 이 현상은 1800년에 다재다능한 학자인 Thomas Young에 의해 처음으로 관찰되었다. Young은 불꽃이 불꽃 뿌리기 도구에서 나오는 공기 스트림 쪽으로 끌어당겨지는 현상을 기술했지만, Coandă가 이 효과의 공학적 잠재력을 인식했었다. 이 효과의 효율성은 유체의 높이와 표면 곡률 반지름의 비율에 달려 있다. 유체가 너무 두껍거나, 곡률이 너무 가파르면 유체의 운동량이 압력 차이를 이기고 유동이 분리된다.

실험실 환경에서는 이 유체의 부착 현상이 놀랄 만큼 강력하다. 유체는 실질적으로 방향을 반전시키는 180도의 곡률을 가진 원통체 주위를 돌아갈 수 있다. 이는 마찰이나 표면 장력의 결과가 아니라 유체 내부의 관성력 때문이다. 유체가 굽어질 때, 횡방향 압력 경사를 형성하게 되고, 표면의 압력은 주변 유체의 대기 압력보다 낮아져 유체 흐름을 유지시키는 '흡입' 효과를 만들어낸다. 이는 고속, 난류 흐름에서도 여전히 성립되며, boundary layer—표면 근처의 얇은 공기층—가 혼란스러워지더라도 마찬가지다.

분사 플랩과 원반의 꿈

유체 역학 전문가들은 결국 이 실험실의 희한한 현상을 무거운 항공기의 이륙에 활용할 수 있는 도구로 만들었다. 1970년대, Boeing YC-14 프로토타입은 '상면 분사'를 활용했다. 엔진을 날개 아래가 아닌 위쪽에 장착함으로써, 공학자들은 고속 배기 가스를 날개 상면과 후면 플랩 위로 직접 분사할 수 있었다. Coandă 효과를 이용하여, 배기 가스는 내려간 플랩의 곡면을 따라 흐르며, 추력을 아래쪽으로 굽히게 되었다. 이로 인해 날개의 양력 계수는 3배 증가하여, 100톤의 항공기도 가벼운 세스나 비행기의 이륙 속도로 이륙하고 착륙할 수 있었다.

군사적 응용은 더욱 이례적이었다. 냉전 시기에, 캐나다에서 제작된 Avrocar는 원형 디스크 가장자리로 중앙 터빈의 배기 가스를 분사함으로써 작동 가능한 '비행 원반'을 시도했다. Coandă 효과로 인해 이 비행체는 지면에서 몇 피트 높이를 유지할 수 있었지만, 전진 비행 시에는 유난히 불안정했다. 공기가 곡률에서 예상치 못하게 분리되면서 비행체가 흔들리게 되었고, 시험비행사들은 이를 '허브캡핑'이라는 별칭으로 불렀다.

현대에는 이 효과가 모터스포츠의 정상에서 가장 두드러지게 나타난다. 2011년 Formula One 시즌 동안, 레드불 레이싱 같은 팀은 'Coandă 배기'를 사용하여 경쟁 우위를 차지했다. 차량의 바디워크를 형상화하여 엔진의 뜨거운 배기 가스를 차량 후면의 디퓨저 쪽으로 유도함으로써, 공학자들은 빠르게 흐르는 배기 가스를 이용해 차량 아래의 간격을 밀폐하고, 고속 코너링 시 차량을 트랙에 빨아들일 수 있는 방대한 저압 구역을 만들어냈다.

여전히 알지 못하는 것들

이 효과의 널리 퍼진 사용에도 불구하고, 우리는 복잡하고 3차원적인 곡률에서 유체가 언제 분리되는지를 완벽히 예측할 수는 없다. 유체가 부착된 흐름에서 분리된 흐름으로 전환되는 시점은 미세한 표면 불규칙성과 주변 공기의 변화에 매우 민감하다.

또한, 이 효과가 레이놀즈 수의 극단에서 어떻게 작용하는지에 대한 완전한 이해도 부족하다. 2004년의 실험은 이 효과가 매우 낮은 속도에서의 매끄러운 유동, 즉 층류에서 크게 약화된다는 것을 시사했지만, '부착' 효과가 사라지는 정확한 기준은 여전히 활발한 연구 주제이다.

또한, Bernoulli equation은 압력 감소에 대한 단순한 틀을 제공하지만, 주변 대기를 유도하면서 발생하는 열과 소리로 인한 에너지 손실은 설명하지 못한다. 유체가 굽어질 때마다, 난류에 대한 '세금'을 지불하게 된다.

결국, Coandă 효과는 설계가 잘못된 티포트가 자신의 옆면으로 내용물을 흘리는 이유이다. 차가운 차가 주둥이의 곡률에 도달하면서, 작은 저압 구역을 형성하고, 이는 액체를 다시 도자기 쪽으로 끌어당긴다. 이는 첫 번째 제트기의 이륙을 가능하게 한 동일한 물리 현상이며, 아침 식탁의 규모에서 작용한다.

एक नल से निकले तरल का धारा एक चम्मच के वक्र का अनुसरण करती हुई उसके संपर्क में आए बिना गिरती है, जो सीधे गिरने के अपेक्षित तरीके के खिलाफ है। वायु और जल का यह 'चिपचिपा' व्यवहार, जिसका पहला अवलोकन 1910 में एक आग लगी हवाई जहाज में किया गया था, भारी विमानों को असंभव रूप से छोटे रनवे पर उतरने की अनुमति देता है।

16 दिसंबर, 1910 को, पेरिस के पास एक एयरफील्ड, इस्सी-ले-मोलिनेलॉक्स पर, एक रोमानियाई आविष्कारक, Henri Coandă ने एक प्रपेलर रहित विमान के कॉकपिट में चढ़ लिया। इसके स्थान पर एक 'टर्बो-प्रोपल्सर' हल्का, मोटर चालित टर्बाइन था, जिसका डिज़ाइन हवा को संपीड़ित करने और इसे ईंधन के साथ मिश्रित करने के लिए किया गया था, जिससे धक्का मिले। जमीन पर एक परीक्षण के दौरान, कोएंडा ने थ्रॉटल खोल दिया। उन्होंने एक ही झटके में दो चीज़ों का अवलोकन किया: पहले, निर्गत ज्वालाएं सीधे बैकवर्ड नहीं बल्कि फ्यूज़लेज़ के घुमावदार तरफ लग रही थीं; दूसरा, उनका विमान आग पकड़ रहा था।

कोएंडा आग से बच गए, लेकिन अवलोकन उनके साथ रहा। उन्होंने एक मूलभूत विसंगति देखी, जो तरल गतिशास्त्र की है। जब कोई तरल प्रवाह- चाहे हवा, पानी, या दहन उत्सर्जन हो- एक सतह के पास उत्सर्जित होता है, तो इसके पास प्राकृतिक रूप से उस सतह के साथ लगे रहने की प्रवृत्ति होती है, भले ही सतह जेट के मूल पथ से घुमावदार हो। इस प्रक्रिया को, जिस पर कोएंडा ने अगले तीन दशकों तक पेटेंट और अनुसंधान किया, कोएंडा प्रभाव के रूप में जाना जाता है।

भौतिकी एक प्रक्रिया पर आधारित है, जिसे entrainment कहा जाता है। हवा की तेज़ धारा स्थिर हवा के अणुओं को खींचकर उन्हें अपने साथ ले जाती है। खुले स्थान पर, यह जेट के चारों ओर एक संतुलित निम्न दबाव के ट्यूब का निर्माण करता है। हालांकि, यदि धारा के एक ओर एक ठोस दीवार रखी जाती है, तो जेट अपने आप और दीवार के बीच के अंतराल से खींची गई हवा को पुनः भर नहीं सकता। एक आंशिक शून्यता बन जाती है। फिर उस दीवार के 'खुले' ओर उच्च वातावरणीय दबाव पूरी धारा को सतह पर धकेल देता है। यदि सतह घुमावदार है, तो धारा अगले मोड़ पर लगातार चिपके रहेगी, बशर्ते मोड़ बहुत तीखा न हो।

मोड़ का दबाव

हालांकि प्रभाव कोएंडा के नाम पर आधारित है, इसे पहले 1800 में बहुमुखी विद्वान Thomas Young द्वारा नोट किया गया था। यंग ने वर्णन किया कि एक मोमबत्ती की ज्वाला एक ब्लोपाइप से आने वाली हवा की धारा की ओर खींची जाती है, लेकिन इसके इंजीनियरिंग के संभावना को समझने वाला कोएंडा था। प्रभाव की दक्षता जेट की मोटाई और सतह के मोड़ के त्रिज्या के अनुपात पर निर्भर करती है। यदि जेट बहुत मोटा हो या मोड़ बहुत तीखा हो, तो तरल के संवेग दबाव अंतर को बाज़ार देता है और प्रवाह अलग हो जाता है।

एक प्रयोगशाला स्थिति में, इस चिपकाव काफी मजबूत होता है। एक जेट को एक सिलेंडर के चारों ओर 180 डिग्री तक मोड़ा जा सकता है, जो असल में अपनी दिशा को पलट देता है। यह घर्षण या सतह तनाव के कारण नहीं, बल्कि तरल के भीतर के जड़त्वीय बलों के कारण होता है। जैसे-जैसे जेट मोड़ लेता है, इसमें एक अनुप्रस्थ दबाव प्रवणता विकसित होती है। सतह पर दबाव घिरे हुए तरल के परिवेशी दबाव से कम होता है, जिससे एक 'सुशन' बनता है, जो प्रवाह को अपनी जगह पर रखता है। यहां तक कि उच्च-गति, अनियमित प्रवाह में भी यह सच है, जहां boundary layer- तल के सबसे निकट वाली हवा की पतली त्वचा- अस्थिर हो जाती है।

ब्लोन फ्लैप्स और सैंडविच के सपने

अंततः वायुगतिशास्त्रियों ने इस प्रयोगशाला रहस्य को भारी उठाने के लिए एक उपकरण में बदल दिया। 1970 के दशक में, Boeing YC-14 प्रोटोटाइप ने 'ऊपरी सतह ब्लोइंग' का उपयोग किया। इंजीनियरों ने जेट इंजनों को पंख के नीचे नहीं बल्कि उसके शीर्ष पर रखकर, उच्च-गति उत्सर्जन को पंख के शीर्ष और पीछे के किनारे के फ्लैप्स पर सीधे ब्लो करने की अनुमति दी। कोएंडा प्रभाव का उपयोग करके, उत्सर्जन नीचे के फ्लैप्स के मोड़ के साथ चिपक गया, जिससे धक्का नीचे की ओर मुड़ गया। यह पंख के उठान गुणांक को तीन गुना बढ़ा देता था, जिससे 100 टन के विमान को उड़ाने और उतरने की अनुमति मिलती थी, जो आमतौर पर हल्के सीस्ना विमानों के लिए आरक्षित था।

सैन्य अनुप्रयोगों के अजीब घुमाव भी हुए। ठंडे युद्ध के दौरान, कनाडा द्वारा निर्मित Avrocar ने एक कार्यात्मक 'उड़ते हुए चक्र' बनाने के प्रयास में एक केंद्रीय टर्बाइन के उत्सर्जन को एक गोलाकार डिस्क के किनारे पर निर्देशित करने का प्रयास किया। हालांकि कोएंडा प्रभाव ने वाहन को जमीन से कुछ फीट ऊपर हवा में रहने के लिए पर्याप्त उठान प्रदान किया, लेकिन आगे की उड़ान में डिज़ाइन अस्थिर साबित हुआ। हवा अप्रत्याशित रूप से मोड़ से अलग हो जाती थी, जिससे नाव का हिलाव होता था- एक परीक्षण पायलटों द्वारा 'हबकैपिंग' के रूप में उपनाम दिया गया था।

आधुनिक युग में, प्रभाव गतिशीलता के शीर्ष पर सबसे अधिक दिखाई देता है। 2011 के Formula One सीजन में, रेड बुल रेसिंग जैसी टीमों ने 'कोएंडा उत्सर्जन' का उपयोग प्रतिस्पर्धा के लाभ के लिए किया। कार के शरीर को आकार देकर गर्म इंजन गैस को पीछे के डिफ्यूज़र की ओर निर्देशित करके, वे तेज़ गति वाले उत्सर्जन का उपयोग कार के नीचे के अंतराल को सील करने के लिए करते थे, जिससे एक बड़ा निम्न-दबाव क्षेत्र बन जाता था, जो उच्च-गति मोड़ के दौरान वाहन को पटरी पर खींच लेता था।

हम अभी भी नहीं जानते

यद्यपि इसका व्यापक उपयोग होता है, हम अभी भी पूरी तरह से यह नहीं बता सकते कि एक जटिल, तीन-आयामी मोड़ पर एक तरल कब अलग हो जाएगा। चिपके हुए प्रवाह से अलग प्रवाह में संक्रमण सतह के सूक्ष्म अनियमितताओं और घिरे हुए हवा में अस्थिरताओं के लिए अत्यंत संवेदनशील होता है।

हमारे पास इसके अत्यधिक प्रतिरोधी रीनॉल्ड्स संख्या के अंतिम अंतर के बारे में पूर्ण समझ भी नहीं है- जड़त्वीय और श्यान बलों का अनुपात। 2004 में प्रयोगों ने सुझाव दिया कि लैमिनर, या चिकनी, बहुत कम गति के प्रवाह में प्रभाव बहुत कमजोर होता है, लेकिन ठीक वह अंतर जहां 'चिपकाव' खत्म हो जाता है, अभी भी सक्रिय अनुसंधान का विषय है।

और जबकि Bernoulli equation दबाव गिरावटों में शामिल होने वाले एक सरलीकृत ढांचा प्रदान करता है, यह ऊष्मा और ध्वनि में नष्ट होने वाली ऊर्जा के बारे में खाता नहीं रखता, जैसे जेट घिरे हुए वातावरण को खींचता है। हर बार जब एक जेट मोड़ता है, तो यह एक तूफान के रूप में टैक्स देता है।

अंततः, कोएंडा प्रभाव वही कारण है जिसके कारण एक खराब डिज़ाइन किए गए चाय के पोता अपनी तरफ से चाय ले जाता है। चाय नाली के मोड़ तक पहुंचती है, जिससे एक छोटा निम्न दबाव क्षेत्र बनता है, जो तरल को पुनः चीनी मिट्टी की ओर खींच लेता है। यही भौतिकी है जो पहले जेट्स को उठाने में मदद करती थी, लेकिन अब एक नाश्ता के मेज पर काम कर रही है।

Mentioned in this article

Sources

  1. Coandă, H. (1936). 'Device for Deflecting a Stream of Fluid.' US Patent 2,052,869.
  2. Tritton, D. J. (1988). Physical Fluid Dynamics. Oxford University Press.
  3. Reba, I. (1966). 'Applications of the Coanda Effect.' Scientific American 214(6), 84–92.
  4. Carpenter, P. W. (2006). 'The Coanda Effect: Physics and Applications.' Journal of Fluid Mechanics.
Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

HI script

Kyun ek fluid stream ek curved surface se jor leta hai, jo airplanes ko uthane aur cups ko apne sides se chai ke spill hone me madad karta hai.

  1. 01

    Henri Coandă observing the scorched fuselage of the Coandă-1910 aircraft at a Paris airfield.

  2. 02

    A water jet bending around a curved metal cylinder in a laboratory setting.

  3. 03

    The Avrocar hovering above a test pad with dust swirling around its rim.

  4. 04

    The Boeing YC-14 taking off with exhaust flowing over the wing flaps.

  5. 05

    A Formula One car in a workshop with exhaust haze clinging to the rear bodywork.

  6. 06

    Tea pouring from a glass spout and adhering to the underside.