«Красный» нагрев объекта: как реальность выходит иногда за рамки трения

У объектов, попадающих в атмосферу Земли, нагрев «до красноты» не связан с трением воздуха: главным образом, «красный нагрев» происходит из-за сжатия воздуха в передней части объекта. При этом, очень важна скорость: когда газы сжимаются, это сжатие создаёт сильное тепло.

Мы должны указать ещё и на то, что давление увеличивается быстрее, чем уменьшается объём. Это называется адиабатическим сжатием.

PV = nRT (если давление увеличивается, температура повышается) — это уравнение применимо только к идеальному газу, оно слишком упрощенно…
В его простой версии, этот закон прекрасно иллюстрирует сам принцип. Конечно, истинный расчёт гораздо сложнее. Понять принцип — это одно, а рассчитать теплозащитный экран с помощью полных уравнений  — это совсем другое.

Когда объект попадает в атмосферу, он подвергается адиабатическому сжатию;  его температура увеличивается, потому что внешняя среда обеспечивает его работой, которая увеличивает его внутреннюю энергию и, следовательно, его тепловое возбуждение.
Сжатие увеличивает трение между молекулами. На самом деле, давление и трение связаны с поверхностью, но не связаны напрямую друг с другом.
Уравнение Ван-дер-Ваальса: (P + V / a ^ 2) (Vb) = nRT — немного лучше описывает реальность.

Кроме того, температура напрямую связана со скоростью движения молекул. В воздухе при 20°C каждый атом движется в среднем по 1600 км/ч (да-да, за исключением того, что каждое смещение до столкновения с другим атомом составляет всего 10 нанометров).

Поэтому самолёт, летящий со скоростью 1600 км/ч, поражён атомами со скоростью 1600 (скорость ракеты) + 1600 (скорость каждого атома) = 3200 км/ч
Вот что отвечает за разогрев!
И на этой скорости нагрев составляет порядка 150°С.

Но ракета или шаттл, возвращающийся в атмосферу, легко разгоняется до 20 000 км/ч: разогрев гораздо важнее и его достаточно, чтобы разогреть что-либо до красноты.

Если объём не уменьшается пропорционально увеличению давления, температура будет постоянной… Существует соотношение между давлением, объёмом и температурой. Этот физический закон применяется к статической ситуации. Когда есть изменение параметра, каждый входит в область термодинамики, которая описывает обмены тепла. Закон, называемый «идеальным газом», не описывает тепло, отводимое во время сжатия, не говоря уже о том, что если вы вернётесь к первоначальному объёму, то всё равно создаёте тепло (энтропию) во время процесса сжатия + декомпрессия, это принципы термодинамики.

«В физике сжатие — это уменьшение объёма газа за счёт понижения температуры или увеличения давления»

Сжатие происходит не из-за трения, а из-за шока, созданного при прохождении звукового барьера. Более того, воздух настолько горячий, что молекулы разлагаются: происходит ионизация газа.
Это тепловыделение из-за адиабатического сжатия происходит в передней части объекта и в меньшей степени из-за простого трения воздуха.

По этой же причине у челнока иллюминаторы расположены сбоку, потому что  только там трение, которое создаёт температуры намного ниже, чем то, что претерпевает «нос», который и обеспечивают тепловыми экранами. Сжатие производит намного больше тепла, чем простое трение: удары между частицами преобразуют свою кинетическую энергию, создавая повышенные температуры.

Вспомните, как работает велосипедный насос: его согревает сжатие воздуха и, в меньшей степени, трение клапана в трубе.
Трение — это скольжение тела, а не давление на атмосферу.
Сжатие и трение генерируют тепло (энергию захвата), но это два разных эффекта.
Возьмите велосипедный насос и накачайте шину, насос нагревается, пока нет трения, это сжатие воздуха генерирует тепло.
Противоположность легко проверяется. Используйте аэрозольный баллон:  охлаждение, декомпрессия, потеря энергии.
Кстати, холодильники так работают. Снаружи компрессор сжимает газ и нагревается, отправляет этот сжатый газ, который распаковывается внутри и, таким образом, забирает энергию (охлаждает).
Трение: потирай руки друг о друга, они нагреваются — мы можем даже обжечься.

«Следы» в небе происходят из-за трения, а также из-за сжатия.
Воздух является сжимаемым, на определённой скорости он становится  вязким, следовательно, возникает трение. Чтобы резюмировать: когда мы идём, воздух  просто «течёт», но на большой скорости он становится слишком плотным — по отношению к скорости объекта или потока, он сжимает себя (как пробка на автомагистралях). Чтобы рассеять эту энергию, кроме как за счёт увеличения скорости, сжатие генерирует увеличение тепла, которое немного рассеивается потоком, отсюда и следы).

Когда вы сжимаете воздух, вы соединяете молекулы.
Воздух на таких скоростях более 400 км/ч имеет текстуру вязкой жидкости, а не газа.
Молекулы сталкиваются гораздо чаще: между молекулами происходит больший теплообмен, и последние будут двигаться быстрее (степень перемешивания молекул — само определение температуры в этом случае).

Но удары между атомами сами по себе являются трением. Это происходит как между самими молекулами, так и между молекулами и объектом (ракетой). Небольшая часть нагрева ракеты происходит за счёт тепла излучения, без какого-либо контакта с воздухом.

Во всех случаях, будь то трение или сжатие, каждый раз это удар молекулы на поверхности, который отвечает за нагрев этой поверхности (путём проводимости).

Не нужно ехать очень быстро, чтобы почувствовать сжатие и, следовательно, давление воздуха. Будет достаточно высунуть руку из окна движущейся машины.
F = 1 / 2ro x S x V 2 x C x.
Поверхность обтекается в соответствии с положением руки.
Ро плотность жидкости
V скорость
Cx коэффициент сопротивления (зависит от формы, вогнутости, выпуклости и так далее)

И только потому, что есть молекулы для трения, происходит сжатие.