THÍ NGHIỆM KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC
VÀ CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG
Vào những năm 60 của thế kỷ XX, khi kỹ thuật tính toán và các phương pháp tính bắt đầu phát triển một cách tích cực, đã có ý kiến cho rằng chẳng bao lâu nữa sự cần thiết phải làm thí nghiệm đối với cơ học môi trường liên tục sẽ không còn nữa vì mọi việc đều có thể tính trên máy tính. Tuy nhiên, cho dù kỹ thuật tính toán có thành công đến mấy, thì vẫn chưa một ai trù tính rằng bây giờ cũng như trong trong lai gần sẽ bỏ được việc làm thí nghiệm. Các tính toán chi tiết chuyển động của chất khí hay chất lỏng vẫn không thể thực hiện được ngay cả trên các siêu máy tính: để tính toán được vẫn phải đơn giản hóa bài toán, đôi khi còn đơn giản hóa khá nhiều. Để xác nhận sự đúng đắn của những tính toán đã được đơn giản hóa như thế ta lại cần tới thí nghiệm. Do đó từ bỏ việc tiến hành thí nghiệm vật lý là chưa phải lúc mặc dầu cùng với thời gian, giá của một thí nghiệm ngày càng cao lên còn giá của một tính toán trên máy tính ngày một hạ (cứ sau mỗi thời đoạn tám năm giá giảm xuống mười lần).
Mô phỏng chuyển động của một vật trong chất khí nhờ các ống khí động lực học là thuận tiện nhất. Người ta đặt vật đang được nghiên cứu vào phần chịu lực của ống, nơi tạo ra dòng không khí đều được chuyển tới từ ống thắt dần là phần ống hẹp lại. Ống thắt dần làm tăng tốc dòng không khí và làm tăng độ đồng đều của nó. Từ phần chịu lực, dòng khí rơi vào ống khuếch tán tức phần ống được loe rộng ra. Ở cuối ống khuếch tán thường đặt một quạt thông gió có mô tơ, nó sinh ra dòng chảy của không khí trong ống.
Mẫu nguyên thuỷ của các ống khí động lực học hiện đại được chế tạo năm 1897 bởi Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (l 857 - 1935) vẫn chưa có ống thắt dần và ống khuếch tán. Vào năm 1903 tại phòng Vật lý quốc gia Luân Đôn T. Stanton và vào năm 1906 tại Moskva N. E. Zhukovsky đã chế tạo được các ống khí động lực học tác dụng trực tiếp đầu tiên: không khí trong ống được lấy thẳng từ khí quyển. Năm 1909, ở Gottingen nhà bác học Đức Ludwig Prandtl (1875 - 1953) và năm 1910T. Stanton đã cải tiến kết cấu này của các ống nhờ một kênh đặc biệt đã khóa vòi phun (kênh đóng có biên dạng đặc biệt để tăng tốc dòng chất lỏng hay chất khí và làm cho nó có một hướng chọn trước) của ống khuếch tán. Kết quả là tính hiệu quả của ống tăng lên đáng kể, vì nó bảo toàn được năng lượng của dòng khí tới từ ống khuếch tán. Nhưng có lẽ, ưu điểm chính của ống khí động lực học kín như thế là ở chỗ có thể làm cho phần chịu lực của nó thành hở: không cần phải tách dòng khí đi từ vòi phun khỏi không khí ngoài trời bằng một màng không cho khí thấm qua. Điều đó làm cho khí đi tới vật thí nghiệm dễ dàng hơn - ngay trong lúc làm thí nghiệm có thể thay đổi vị trí của vật hay sự sắp xếp các đầu dò và các cảm biến cung cấp cho ta thông tin về các đặc điểm của thí nghiệm. Ý đồ mở phần chịu lực ở ống tác dụng trực tiếp (không đóng) đưa tới việc không khí sẽ lọt vào không chỉ bằng ống thắt dần từ khí quyển mà còn bằng phần chịu lực, mà điều đó không cho phép tạo ra một dòng khí đều đặn. Năm 1909, kỹ sư Pháp nổi tiếng Gustave Eiffel (1832 - 1923) đã đặt phần chịu lực hở của ống không kín vào một buồng kín; ngày nay nó được gọi là buồng Eiffel. Kết quả là đối với các ống tác dụng trực tiếp đã có khả năng tạo ra một dòng khí đều trong phần chịu lực hở.
Từ đó cho đến tận ngày nay, kết cấu nguyên lý của các ống khí động lực học dùng để nghiên cứu các vận tốc dưới âm vẫn không thay đổi: chúng chỉ tăng các kích thước và cải tiến các đặc điểm riêng lẻ.
Để mô phỏng sự bay trong không khí đồng nhất, bộ phận chịu lực của ống khí động lực học phải lớn hơn kích thước của vật nghiên cứu một bậc (chục lần). Nếu chúng có kích thước lớn ta phải cần đến ống khí động lực học có kích thước rất lớn tiêu thụ một lượng năng lượng lớn trong quá trình thí nghiệm.
Liệu có thể mô hình hóa quá trình dòng không khí chảy vòng qua một vật bằng cách: chế tạo một bản sao đồng dạng chính xác về mặt hình học của khí cụ bay đang nghiên cứu nhưng nhỏ hơn 100 lần chẳng hạn? Khả năng để nghiên cứu khí động lực học bài toán này sẽ tăng lên bội phần.
Nhưng liệu có cơ sở để khẳng định rằng khí cụ bay thực sẽ diễn biến y như là mô hình? Trong những cuốn phim khán giả dễ dàng phân biệt được cảnh trên trường quay nơi đang thực hiện các bản sao được thu nhỏ: các hòn đá rơi hoàn toàn không giống như các tảng đá lớn được các nhà làm phim thời sự quay được trong một trận động đất đích thực hay trong sự phun trào hùng vĩ của núi lửa; các ngôi nhà cầu cống tàu bè nhỏ xíu kiểu “mô hình đồ chơi” bị phá hỏng diễn ra hoàn toàn không giống như cảnh tượng hãi hùng khi các công trình bị hư hại trong các trận thiên tai cách đơn giản, ngay cả khi vẫn thấy có sự đồng dạng hình học, cũng không đảm bảo có sự đồng dạng về mặt vật lý.
Ta hãy tưởng tượng dòng khí chảy vòng qua một quả bóng đá và một quả bóng bàn bé xíu là hai vật đồng dạng hình học. Với các điều kiện nào ta có thể nói về sự đồng dạng vật lý của các dòng chảy quanh chúng ? Các nhân vật trong phim hoạt hình ''38 chú vẹt'' giúp ta thấy rõ điều này. Chúng không có dụng cụ để đo độ dài bởi vậy chúng đã đo chiều dài của chú Trăn bằng chú Vẹt, chú Voọc (khỉ đuôi dài) và chú Voi to. Ta hãy chọn chẳng hạn đường kính quả bóng L làm đơn vị đo, trong trường hợp này là quả bóng đá, còn trong trường hợp khác là quả bóng bàn. Nó sẽ được dùng làm ''con Vẹt''. Để làm đơn vị đo vận tốc, chẳng hạn vận tốc của ''chú Voọc'' ta sẽ chọn vận tốc của dòng khí bay tới 
(trong mỗi trường hợp vận tốc này có thể khác nhau) và cuối cùng để có đơn vị đo tỷ trọng, ví dụ đo tỷ trọng ''chú Voi to'' ta lấy tỷ trọng của dòng khí 
.
Nhờ ba chuẩn như thế, ta có thề xây dựng được một đơn vị đo nặng cho bất kỳ đại lượng có thứ nguyên nào. Chẳng hạn đơn vị gia tốc sẽ bằng 
.
Đồng dạng vật lý của dòng chảy xuất hiện nói riêng là khi mà gia tốc của các hạt không khí tương ứng trong cả hai trường hợp là đồng dạng nghĩa là giống nhau trong các đơn vị được chọn. Động lực học của hạt trong trường hợp chất lỏng nhớt được xác định bởi định luật Newton, liên hệ cường độ theo tiếp tuyến tác dụng lên phần tử chất lỏng và độ thay đổi của vận tốc v theo phương y vuông góc với chuyển động:
Ở đây 
là hệ số nhớt của chất lỏng. Nếu biểu thị theo những đơn vị riêng của bài toán (theo các ''con Vẹt'') gia tốc được sinh ra bởi lực nhớt như thế thì hoá ra là nó sẽ giống nhau trong trường hợp các quả bóng có kích thước khác nhau, nếu số Reynolds 
giống nhau.
Số Reynolds là một trong những tiêu chuẩn đồng dạng của thí nghiệm. Để các kết quả thí nghiệm mô tả chính xác vật lý của hiện tượng được mô hình hóa, ngoài sự đồng dạng hình học thì các tiêu chuẩn đồng dạng còn phải giống nhau nữa. Ngoài số Reynolds tính đến các hiệu ứng nhớt của sự chảy vòng, quyết định sự đồng dạng của các dòng chảy còn có cả số Mach M (tỷ số vận tốc dòng chảy với vận tốc âm), tính đến các hiệu ứng của tính nén được của chất khí; số Strukhali.
Trong đó T là thời gian đặc trưng của quá trình tính đến các hiệu ứng không dừng (không ổn định); số Froude 
, trong đó g là gia tốc rơi tự do, nó quan trọng trong sự chảy vòng quanh vật bởi một chất lỏng tương đối nặng, ví dụ như nước, cùng nhiều tiêu chuẩn đồng dạng khác.
Trong thí nghiệm không thể đạt được ngay cùng lúc sự trùng khớp của tất cả các tiêu chuẩn đồng dạng, bỏi vậy người ta chú ý tới ảnh hưởng chỉ của những đại lượng quan trọng nhất. Ví dụ, với các vận tốc dưới âm đó là độ nhớt, còn ở các vận tốc lớn quan trọng hơn nhiều lại là hiệu ứng về tính nén được của chất khí.
VÒI PHUN LAVAL
Để thử các thiết bị bay siêu thanh, ống khí động lực học phải tạo ra được dòng khí chuyển động với vận tốc siêu thanh (vượt âm). Làm thế nào để chất khí có được các vận tốc lớn? Có lẽ cách đơn giản nhất là làm cho dòng kết bị hẹp lại. Nói cách khác là lấy một bình, ở đó chất khí nằm dưới áp suất lớn và lối nó với một ống có tiết diện bị thu hẹp lại, ta sẽ được cái gọi là vòi phun đơn giản. Và tiết diện lối ra càng hẹp, vận tốc của chất khí bay ra càng lớn theo định luật bảo toàn khối lượng. Tuy nhiên, trong thực tế bằng cách này chất có thể đạt được vận tốc bằng vận tốc âm thanh là cùng, vì tiếp tục thu hẹp tiết diện lối ra của vòi phun sẽ không làm tăng tốc được dòng khí.
Vấn đề là ở chỗ khi vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh, các quy luật vật lý đều thay đổi ở vận tốc siêu thanh, sự thu nhỏ diện tích tiết diện lại kéo theo sự giảm vận tốc và ngược lại. Bởi vậy để có được vận tốc siêu thanh, ta phải tăng tiết diện của ống khí động lực học ngay sau thời điểm đạt được vận tốc âm. Vòi phun Laval, được thiết kế đúng như vậy để đạt tới các vận tốc siêu thanh. Thiết bị này được gọi theo tên kỹ sư và nhà sáng chế nổi tiếng người Thụy Điển Carl Gustaf Patrik de Laval (1845 - 1913).
Vòi phun Laval hoạt động chẳng những trong các thiết bị thí nghiệm - trong các ống khí động lực học, mà còn có nhiều ứng dụng khác. Như ta đã biết, lực kéo của động cơ phản lực được xác định bởi vận tốc chảy thoát ra của chất khí, Vòi phun đơn giản chỉ tạo được vận tốc âm của quá trình thoát ra, trong khi đó vòi phun Laval có thể tạo ra các vận tốc lớn hơn nhiều, do đó tăng mạnh sức kéo của động cơ. Trong khi đó chất khí được gia tốc bởi vòi phun Laval tới vận tốc siêu thanh có thể được dùng như tác nhân tạo ra lade, vì khi được tăng tốc nhanh như thế chất khí bị làm lạnh một cách đặc biệt - chỉ bị mất năng lượng tịnh tiến của các phân tử, còn năng lượng dao động vẫn giữ nguyên thư cũ trong một thời gian nào đó. Dưới tác dụng của bức xạ cảm ứng sẽ diễn ra sự san bằng các năng lượng này, kéo theo quá trình tạo ra bức xạ cường bức như thác lũ. Các lade khí động lực học như thế, hoạt động trong dòng siêu âm, cho phép thu được bức xạ hồng ngoại kết hợp phát liên tục và mạnh mẽ.
