อากาศพลศาสตร์ (จากภาษากรีกโบราณἀήρ ( aḗr ) ' อากาศ'และδυναμική ( dunamikḗ ) ' พลศาสตร์' ) คือการศึกษาการเคลื่อนที่ของอากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อได้รับผลกระทบจาก วัตถุ แข็งเช่นปีกเครื่องบิน^{[ 1 ]}เกี่ยวข้องกับหัวข้อที่ครอบคลุมในสาขาพลศาสตร์ของไหลและสาขาย่อยของพลศาสตร์ของก๊าซและเป็นสาขาการศึกษาที่สำคัญในด้านการบินคำว่าอากาศพลศาสตร์มักใช้เป็นคำพ้องความหมายกับพลศาสตร์ของก๊าซ ความแตกต่างคือ "พลศาสตร์ของก๊าซ" ใช้กับการศึกษาการเคลื่อนที่ของก๊าซทั้งหมด และไม่ได้จำกัดเฉพาะอากาศ การศึกษาอากาศพลศาสตร์อย่างเป็นทางการในความหมายสมัยใหม่เริ่มต้นในศตวรรษที่สิบแปด แม้ว่าการสังเกตแนวคิดพื้นฐานเช่นแรงต้านอากาศพลศาสตร์จะถูกบันทึกไว้ก่อนหน้านั้นมาก ความพยายามในช่วงแรกส่วนใหญ่ในด้านอากาศพลศาสตร์มุ่งเป้าไปที่การบรรลุการบินที่หนักกว่าอากาศซึ่งได้รับการสาธิตครั้งแรกโดยOtto Lilienthalในปี 1891 ^{[ 2 ]}นับตั้งแต่นั้นมา การใช้อากาศพลศาสตร์ผ่าน การวิเคราะห์ ทางคณิตศาสตร์การประมาณเชิงประจักษ์ การทดลอง ในอุโมงค์ลมและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ได้สร้างพื้นฐานที่สมเหตุสมผลสำหรับการพัฒนาการบินที่หนักกว่าอากาศและเทคโนโลยีอื่นๆ อีกมากมาย งานวิจัยล่าสุดในด้านอากาศพลศาสตร์มุ่งเน้นไปที่ประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการไหลแบบอัดได้ความปั่นป่วนและชั้นขอบเขตและมีลักษณะ เป็นการ คำนวณ มากขึ้นเรื่อยๆ

อากาศพลศาสตร์สมัยใหม่เพิ่งเริ่มต้นในศตวรรษที่สิบเจ็ด แต่แรงทางอากาศพลศาสตร์ถูกนำมาใช้ประโยชน์โดยมนุษย์มานานหลายพันปีแล้วในเรือใบและกังหันลม^{[ 3 ]}และภาพและเรื่องราวเกี่ยวกับการบินปรากฏให้เห็นตลอดประวัติศาสตร์ที่บันทึกไว้^{[ 4 ]}รวมถึง ตำนาน กรีกโบราณของอิคารัสและเดดาลัส [ ^{5 ] แนวคิด}พื้นฐานของความต่อเนื่องแรงต้านและ การ ไล่ระดับความดันปรากฏในงานของอริสโตเติลและอาร์คิมิดีส^{[ 6 ]}

ในปี ค.ศ. 1726 เซอร์ไอแซค นิวตันเป็นบุคคลแรกที่พัฒนาทฤษฎีความต้านทานอากาศ^{[ 7 ]}ทำให้เขาเป็นหนึ่งในนักอากาศพลศาสตร์คนแรกๆต่อมาในปี ค.ศ. 1738 นักคณิตศาสตร์ชาวดัตช์ - สวิส แดเนียล เบอร์นูลลี ได้เขียนหนังสือ Hydrodynamicaซึ่งอธิบายความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างความดัน ความหนาแน่น และความเร็วการไหลสำหรับการไหลที่ไม่สามารถอัดได้ ซึ่ง ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อหลักการของเบอร์นูลลีซึ่งเป็นวิธีการหนึ่งในการคำนวณแรงยกทางอากาศพลศาสตร์^{[ 8 ]}ในปี ค.ศ. 1757 เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ ได้ตีพิมพ์ สมการออยเลอร์ที่ครอบคลุมมากขึ้นซึ่งสามารถนำไปใช้กับการไหลทั้งแบบอัดได้และอัดไม่ได้ สมการออยเลอร์ได้รับการขยายเพื่อรวมผลกระทบของความหนืดในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 1800 ส่งผลให้เกิดสมการนาเวียร์-สโตกส์^{[ 9 ] [ 10 ]}สมการนาเวียร์-สโตกส์เป็นสมการควบคุมการไหลของของเหลวที่ครอบคลุมมากที่สุด แต่ยากที่จะแก้ปัญหาสำหรับการไหลรอบรูปทรงต่างๆ ยกเว้นรูปทรงที่ง่ายที่สุด

ในปี ค.ศ. 1799 เซอร์ จอร์จ เคย์ลีย์เป็นบุคคลแรกที่ระบุแรงทางอากาศพลศาสตร์ทั้งสี่ของการบิน ( น้ำหนักแรงยกแรงต้านและแรงขับ ) รวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงเหล่านั้น^{[ 11 ] [ 12 ]}และด้วยเหตุนี้จึงได้วางแนวทางสู่การบรรลุการบินที่หนักกว่าอากาศในศตวรรษถัดไป ในปี ค.ศ. 1871 ฟรานซิส เฮอร์เบิร์ต เวนแฮมได้สร้างอุโมงค์ลม แห่งแรก ทำให้สามารถวัดแรงทางอากาศพลศาสตร์ได้อย่างแม่นยำ ทฤษฎีแรงต้านได้รับการพัฒนาโดยฌอง เลอ รอนด์ ดาเลมเบิร์ต [ ^{13 ] กุ}สตาฟ เคิร์ชฮอฟฟ์ [ ^{14 ]}และลอร์ด เรย์ลีย์ [ ^{15 ]ใน}ปี ค.ศ. 1889 ^ชาร์ลส์ เรนาร์ดวิศวกร การบิน ชาวฝรั่งเศสเป็นบุคคลแรกที่สามารถทำนายพลังงานที่จำเป็นสำหรับการบินอย่างต่อเนื่องได้อย่างสมเหตุสมผล^{[ 16 ]}ออตโต ลิเลียนทาลบุคคลแรกที่ประสบความสำเร็จอย่างสูงในการบินร่อน ยังเป็นคนแรกที่เสนอปีก บางโค้ง ที่สามารถสร้างแรงยกสูงและแรงต้านต่ำ โดยอาศัยการพัฒนาเหล่านี้ รวมถึงการวิจัยที่ดำเนินการในอุโมงค์ลมของตนเองพี่น้องไรท์จึงบินเครื่องบินขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ลำแรกได้ในวันที่ 17 ธันวาคม พ.ศ. 2446

ในช่วงเวลาของการบินครั้งแรกFrederick W. Lanchester [ ^{17 ] Martin} KuttaและNikolai Zhukovskyได้สร้างทฤษฎีที่เชื่อมโยงการไหลเวียนของการไหลของของเหลวกับแรงยกขึ้นโดยอิสระ Kutta และ Zhukovsky ได้พัฒนาทฤษฎีปีกสองมิติขึ้นมา โดยขยายความจากงานของ Lanchester Ludwig Prandtlได้รับเครดิตในการพัฒนาคณิตศาสตร์^{[ 18 ]}ที่อยู่เบื้องหลังทฤษฎีปีกบางและเส้นยก รวมถึงการทำงานกับชั้นขอบเขต

เมื่อความเร็วของเครื่องบินเพิ่มขึ้น นักออกแบบเริ่มพบกับความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการอัดตัว ของอากาศ ที่ความเร็วใกล้ความเร็วเสียง ความแตกต่างของการไหลของอากาศภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวทำให้เกิดปัญหาในการควบคุมเครื่องบิน แรงต้านที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากคลื่นกระแทกและภัยคุกคามต่อความล้มเหลวของโครงสร้างเนื่องจากการสั่นสะเทือนของอากาศพลศาสตร์อัตราส่วนของความเร็วการไหลต่อความเร็วเสียงได้รับการตั้งชื่อว่าเลขมัค (Mach number)ตามชื่อของErnst Machซึ่งเป็นหนึ่งในคนแรกๆ ที่ศึกษาคุณสมบัติของการไหลเหนือเสียงMacquorn RankineและPierre Henri Hugoniotได้พัฒนาทฤษฎีเกี่ยวกับคุณสมบัติของการไหลก่อนและหลังคลื่นกระแทก อย่างอิสระ ในขณะที่Jakob Ackeretเป็นผู้นำงานเริ่มต้นในการคำนวณแรงยกและแรงต้านของปีกเครื่องบินเหนือเสียง^{[ 19 ]} Theodore von KármánและHugh Latimer Drydenได้แนะนำคำว่า ทราน โซนิก (transonic)เพื่ออธิบายความเร็วการไหลระหว่างเลขมัควิกฤตและมัค 1 ซึ่งแรงต้านเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของแรงต้านอากาศทำให้ผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์และนักบินมีความเห็นไม่ตรงกันว่าการบินเหนือเสียงนั้นเป็นไปได้หรือไม่ จนกระทั่ง มีการทำลาย กำแพงเสียงได้ในปี 1947 โดยใช้เครื่องบิน เบลล์ X-1

เมื่อกำแพงเสียงถูกทำลายลง ความเข้าใจของนักอากาศพลศาสตร์เกี่ยวกับกระแสลมความเร็วต่ำกว่าเสียงและเหนือเสียงระดับต่ำก็พัฒนาขึ้นอย่างมากสงครามเย็นกระตุ้นให้เกิดการออกแบบเครื่องบินสมรรถนะสูงที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณเริ่มต้นจากการพยายามแก้ปัญหาคุณสมบัติการไหลรอบวัตถุที่ซับซ้อน และเติบโตอย่างรวดเร็วจนถึงจุดที่สามารถออกแบบเครื่องบินทั้งลำได้โดยใช้ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ โดยมีการทดสอบในอุโมงค์ลมตามด้วยการทดสอบการบินเพื่อยืนยันการคาดการณ์ของคอมพิวเตอร์ ความเข้าใจเกี่ยวกับ อากาศ พลศาสตร์ความเร็วเหนือเสียงและความเร็วสูงมากได้พัฒนาขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1960 และเป้าหมายของนักอากาศพลศาสตร์ได้เปลี่ยนจากการศึกษาพฤติกรรมของการไหลของของเหลวไปสู่การออกแบบยานพาหนะให้มีปฏิสัมพันธ์กับการไหลของของเหลวได้อย่างคาดการณ์ได้ การออกแบบอากาศยานสำหรับสภาวะความเร็วเหนือเสียงและความเร็วสูงมาก รวมถึงความต้องการปรับปรุงประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ของอากาศยานและระบบขับเคลื่อนในปัจจุบัน ยังคงเป็นแรงผลักดันให้เกิดการวิจัยใหม่ๆ ในด้านอากาศพลศาสตร์ ในขณะเดียวกัน งานวิจัยเกี่ยวกับปัญหาสำคัญในทฤษฎีอากาศพลศาสตร์พื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับความปั่นป่วนของการไหล และการมีอยู่และความเป็นเอกลักษณ์ของคำตอบเชิงวิเคราะห์สำหรับสมการนาเวียร์-สโตกส์ ก็ยังคงดำเนินต่อไป

การทำความเข้าใจการเคลื่อนที่ของอากาศรอบวัตถุ (มักเรียกว่าสนามการไหล) ช่วยให้สามารถคำนวณแรงและโมเมนต์ที่กระทำต่อวัตถุได้ ในปัญหาอากาศพลศาสตร์หลายๆ ปัญหา แรงที่สนใจคือแรงพื้นฐานของการบิน ได้แก่แรงยก แรงต้านแรงขับและน้ำหนัก ในบรรดาแรงเหล่านี้ แรงยก และแรงต้านเป็นแรงทางอากาศพลศาสตร์ กล่าวคือ แรงที่เกิดจากการไหลของอากาศเหนือวัตถุแข็ง การคำนวณปริมาณเหล่านี้มักตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าสนามการไหลมีพฤติกรรมเป็นแบบต่อเนื่อง สนามการไหลแบบต่อเนื่องมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติ เช่นความเร็วการไหลความดันความหนาแน่นและอุณหภูมิซึ่งอาจเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งและเวลา คุณสมบัติเหล่านี้อาจวัดได้โดยตรงหรือโดยอ้อมในการทดลองอากาศพลศาสตร์ หรือคำนวณโดยเริ่มจากสมการสำหรับการอนุรักษ์มวลโมเมนตัมและพลังงานในการไหลของอากาศ ความหนาแน่น ความเร็วการไหล และคุณสมบัติเพิ่มเติมอีกอย่างหนึ่งคือความหนืดถูกนำมาใช้ในการจำแนกประเภทของสนามการไหล

ความเร็วการไหลถูกนำมาใช้ในการจำแนกประเภทการไหลตามช่วงความเร็ว การไหลแบบซับโซนิก คือการไหลที่ความเร็วของอากาศต่ำกว่าความเร็วเสียงในบริเวณนั้นเสมอ การไหลแบบทรานโซนิก ครอบคลุมทั้งบริเวณการไหลแบบซับโซนิกและบริเวณที่ความเร็วการไหลในบริเวณนั้นสูงกว่าความเร็วเสียง การไหลแบบซูเปอร์โซนิก คือการไหลที่ความเร็วการไหลสูงกว่าความเร็วเสียงในทุกจุด การจำแนกประเภทที่สี่ คือ การไหลแบบไฮเปอร์โซนิก หมายถึงการไหลที่ความเร็วการไหลสูงกว่าความเร็วเสียงมาก นักอากาศพลศาสตร์มีความเห็นไม่ตรงกันเกี่ยวกับคำจำกัดความที่แน่นอนของการไหลแบบไฮเปอร์โซนิก

การไหลแบบอัดได้นั้นคำนึงถึงความหนาแน่นที่เปลี่ยนแปลงไปภายในกระแสการไหล การไหลที่ความเร็วต่ำกว่าเสียงมักถูกจำลองให้เป็นแบบอัดไม่ได้ กล่าวคือ ความหนาแน่นถือว่าคงที่ การไหลที่ความเร็วใกล้เคียงเสียงและเหนือเสียงนั้นเป็นการไหลแบบอัดได้ และการคำนวณที่ละเลยการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นในสนามการไหลเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง

ความหนืดเกี่ยวข้องกับแรงเสียดทานในกระแสการไหล ในบางสภาวะการไหล ผลกระทบจากความหนืดมีขนาดเล็กมาก และวิธีการประมาณค่าอาจละเลยผลกระทบจากความหนืดได้อย่างปลอดภัย การประมาณค่าเหล่านี้เรียกว่าการไหลแบบไม่หนืด ส่วนการไหลที่ไม่ได้ละเลยความหนืดเรียกว่าการไหลแบบหนืด สุดท้ายนี้ ปัญหาทางด้านอากาศพลศาสตร์ยังสามารถจำแนกได้ตามสภาพแวดล้อมการไหล อากาศพลศาสตร์ภายนอกคือการศึกษาการไหลรอบวัตถุแข็งที่มีรูปร่างต่างๆ (เช่น รอบปีกเครื่องบิน) ในขณะที่อากาศพลศาสตร์ภายในคือการศึกษาการไหลผ่านช่องภายในวัตถุแข็ง (เช่น ผ่านเครื่องยนต์ไอพ่น)

แตกต่างจากของเหลวและของแข็ง ก๊าซประกอบด้วยโมเลกุล ที่ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งครอบครองปริมาตรเพียงส่วนน้อยของปริมาตรทั้งหมดที่ก๊าซนั้นครอบครอง ในระดับโมเลกุล สนามการไหลประกอบด้วยการชนกันของโมเลกุลก๊าซแต่ละตัวจำนวนมาก และการชนกับพื้นผิวของแข็ง อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานด้านอากาศพลศาสตร์ส่วนใหญ่ ลักษณะโมเลกุลที่ไม่ต่อเนื่องของก๊าซมักถูกละเลย และสนามการไหลจะถูกสมมติว่ามีพฤติกรรมเหมือนของไหลต่อเนื่องสมมติฐานนี้ทำให้สามารถกำหนดคุณสมบัติของของไหล เช่น ความหนาแน่นและความเร็วการไหลได้ทุกที่ภายในของไหล

ความถูกต้องของสมมติฐานความต่อเนื่องขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของก๊าซและการใช้งานที่เกี่ยวข้อง สำหรับสมมติฐานความต่อเนื่องที่จะถูกต้อง ความยาว เส้นทางอิสระเฉลี่ยต้องน้อยกว่าขนาดความยาวของการใช้งานที่เกี่ยวข้องมาก ตัวอย่างเช่น การใช้งานด้านอากาศพลศาสตร์จำนวนมากเกี่ยวข้องกับเครื่องบินที่บินในสภาพบรรยากาศ ซึ่งความยาวเส้นทางอิสระเฉลี่ยอยู่ในระดับไมโครเมตร และตัวเครื่องบินมีขนาดใหญ่กว่าหลายเท่า ในกรณีเหล่านี้ ขนาดความยาวของเครื่องบินมีตั้งแต่ไม่กี่เมตรถึงไม่กี่สิบเมตร ซึ่งใหญ่กว่าความยาวเส้นทางอิสระเฉลี่ยมาก สำหรับการใช้งานดังกล่าว สมมติฐานความต่อเนื่องจึงสมเหตุสมผล สมมติฐานความต่อเนื่องมีความถูกต้องน้อยกว่าสำหรับกระแสที่มีความหนาแน่นต่ำมาก เช่น กระแสที่ยานพาหนะพบเจอที่ระดับความสูงมาก (เช่น 300,000 ฟุต/90 กม.) ^{[ 6 ]}หรือดาวเทียมในวงโคจรต่ำของโลกในกรณีเหล่านี้กลศาสตร์เชิงสถิติเป็นวิธีการแก้ปัญหาที่แม่นยำกว่าอากาศพลศาสตร์แบบต่อเนื่อง เลขKnudsenสามารถใช้เป็นแนวทางในการเลือกใช้ระหว่างกลศาสตร์เชิงสถิติและการกำหนดสูตรต่อเนื่องของอากาศพลศาสตร์ได้

การสมมติว่าของเหลวเป็นของต่อเนื่องทำให้สามารถแก้ปัญหาในด้านอากาศพลศาสตร์ได้โดยใช้กฎการอนุรักษ์ของพลศาสตร์ของไหลโดยใช้หลักการอนุรักษ์สามประการดังนี้:

การอนุรักษ์มวล

หลักการอนุรักษ์มวลระบุว่ามวลจะไม่ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลายภายในกระแสการไหล สูตรทางคณิตศาสตร์ของหลักการนี้เรียกว่า สมการความต่อเนื่อง ของมวล

การอนุรักษ์โมเมนตัม

การกำหนดหลักการนี้ในเชิงคณิตศาสตร์สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นการประยุกต์ใช้กฎข้อที่สองของนิวตันโมเมนตัมภายในกระแสการไหลจะเปลี่ยนแปลงได้ก็ต่อเมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ ซึ่งอาจรวมถึงทั้งแรงบนพื้นผิวเช่น แรงหนืด ( แรง เสียดทาน ) และแรงภายในเนื้อวัสดุเช่นน้ำหนักหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมสามารถแสดงได้ทั้งใน รูปสม การเวกเตอร์หรือแยกออกเป็นชุด สมการ สเกลาร์ สาม สมการ (ส่วนประกอบ x, y, z)

การอนุรักษ์พลังงาน

สมการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า พลังงานไม่ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลายภายในกระแสการไหล และการเพิ่มหรือลดพลังงานใดๆ ในปริมาตรของกระแสการไหลนั้นเกิดจากการถ่ายเทความร้อนหรือจากการทำงานเข้าและออกจากบริเวณที่สนใจ

สมการเหล่านี้รวมกันเรียกว่าสมการนาเวียร์-สโตกส์แม้ว่าผู้เขียนบางคนจะนิยามคำนี้ให้รวมเฉพาะสมการโมเมนตัมเท่านั้น สมการนาเวียร์-สโตกส์ไม่มีคำตอบเชิงวิเคราะห์ที่ทราบ และในพลศาสตร์อากาศสมัยใหม่จะใช้วิธี การคำนวณในการแก้ สมการ เนื่องจากในอดีตวิธีการคำนวณโดยใช้คอมพิวเตอร์ความเร็วสูงยังไม่แพร่หลาย และค่าใช้จ่ายในการคำนวณที่สูงมากในการแก้สมการที่ซับซ้อนเหล่านี้ แม้ว่าปัจจุบันจะมีคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงแล้วก็ตาม จึงมีการใช้การลดรูปสมการนาเวียร์-สโตกส์มาโดยตลอด สมการออยเลอร์เป็นชุดสมการอนุรักษ์ที่คล้ายกันซึ่งละเลยความหนืด และอาจใช้ในกรณีที่คาดว่าผลกระทบของความหนืดจะมีน้อย การลดรูปเพิ่มเติมทำให้เกิดสมการลาปลาสและ ทฤษฎี การไหลแบบศักย์นอกจากนี้สมการเบอร์นูลลีเป็นคำตอบในมิติเดียวของทั้งสมการการอนุรักษ์โมเมนตัมและพลังงาน

กฎของก๊าซอุดมคติหรือสมการสถานะ อื่นที่คล้ายกัน มักใช้ร่วมกับสมการเหล่านี้เพื่อสร้างระบบที่กำหนดซึ่งช่วยให้สามารถหาคำตอบสำหรับตัวแปรที่ไม่ทราบค่าได้^{[ 20 ]}

ปัญหาทางด้านอากาศพลศาสตร์แบ่งออกตามสภาพแวดล้อมการไหลหรือคุณสมบัติของการไหล รวมถึงความเร็วการไหล ความสามารถในการอัดตัวและความหนืด อากาศพลศาสตร์ ภายนอกคือการศึกษาการไหลรอบวัตถุแข็งที่มีรูปร่างต่างๆ การประเมินแรงยกและแรงต้านของเครื่องบินหรือคลื่นกระแทกที่เกิดขึ้นด้านหน้าหัวจรวดเป็นตัวอย่างของอากาศพลศาสตร์ภายนอก อากาศพลศาสตร์ ภายในคือการศึกษาการไหลผ่านช่องในวัตถุแข็ง ตัวอย่างเช่น อากาศพลศาสตร์ภายในครอบคลุมการศึกษาการไหลของอากาศผ่านเครื่องยนต์ไอพ่นหรือผ่านท่อ เครื่องปรับอากาศ

ปัญหาด้านอากาศพลศาสตร์ยังสามารถจำแนกได้ตามความเร็วการไหลว่าต่ำกว่า ใกล้เคียง หรือสูงกว่าความเร็วเสียงปัญหาจะเรียกว่าความเร็วต่ำกว่าเสียงหากความเร็วทั้งหมดในปัญหาต่ำกว่าความเร็วเสียง ความเร็วใกล้เคียงความเร็วเสียงหากมีทั้งความเร็วต่ำกว่าและสูงกว่าความเร็วเสียง (โดยปกติเมื่อความเร็วลักษณะเฉพาะอยู่ที่ประมาณความเร็วเสียง) ความเร็วเหนือเสียงเมื่อความเร็วการไหลลักษณะเฉพาะมากกว่าความเร็วเสียง และความเร็วสูงมากเมื่อความเร็วการไหลมากกว่าความเร็วเสียงมาก นักอากาศพลศาสตร์มีความเห็นไม่ตรงกันเกี่ยวกับคำจำกัดความที่แน่นอนของการไหลความเร็วสูงมาก คำจำกัดความอย่างคร่าวๆ ถือว่าการไหลที่มีเลขมัคมากกว่า 5 เป็นการไหลความเร็วสูง มาก ^{[ 6 ]}

อิทธิพลของความหนืดต่อการไหลทำให้เกิดการจำแนกประเภทที่สาม ปัญหาบางอย่างอาจพบผลกระทบจากความหนืดเพียงเล็กน้อย ในกรณีนั้นความหนืดสามารถถือว่าไม่สำคัญได้ การประมาณค่าสำหรับปัญหาเหล่านี้เรียกว่าการไหลแบบไร้ความหนืดการไหลที่ความหนืดไม่สามารถละเลยได้เรียกว่าการไหลแบบหนืด

การไหลที่ไม่สามารถอัดได้ คือการไหลที่ความหนาแน่นคงที่ทั้งในเวลาและพื้นที่ แม้ว่าของไหลจริงทั้งหมดจะสามารถอัดได้ แต่โดยทั่วไปแล้วการไหลจะถูกประมาณว่าเป็นการไหลที่ไม่สามารถอัดได้ หากผลของการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นทำให้ผลการคำนวณเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย ซึ่งมักจะเป็นเช่นนั้นเมื่อความเร็วของการไหลต่ำกว่าความเร็วเสียงอย่างมาก ผลของความสามารถในการอัดได้จะมีความสำคัญมากขึ้นที่ความเร็วใกล้เคียงหรือสูงกว่าความเร็วเสียง เลขมัค (Mach number) ใช้ในการประเมินว่าสามารถสันนิษฐานได้หรือไม่ว่าเป็นการไหลที่ไม่สามารถอัดได้ มิเช่นนั้นจะต้องรวมผลของความสามารถในการอัดได้เข้าไปด้วย

อากาศพลศาสตร์ความเร็วต่ำ (หรือความเร็วต่ำกว่าเสียง) อธิบายการเคลื่อนที่ของของไหลในกระแสที่มีความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียงมากในทุกจุดของกระแส มีการไหลความเร็วต่ำกว่าเสียงหลายสาขา แต่กรณีพิเศษเกิดขึ้นเมื่อการไหลไม่มีความหนืดไม่สามารถอัดได้และไม่มีการหมุนกรณีนี้เรียกว่าการไหลศักย์และทำให้สมการเชิงอนุพันธ์ที่อธิบายการไหลเป็นสมการพลศาสตร์ของไหล ในรูปแบบที่ง่ายขึ้น ทำให้ผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์สามารถหาคำตอบที่รวดเร็วและง่ายดายได้^{[ 21 ]}

ในการแก้ปัญหาเกี่ยวกับการไหลในความเร็วต่ำกว่าเสียง การตัดสินใจอย่างหนึ่งที่นักอากาศพลศาสตร์ต้องทำคือว่าจะรวมผลกระทบของการอัดตัวได้หรือไม่ การอัดตัวได้เป็นการอธิบายปริมาณการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นในการไหล เมื่อผลกระทบของการอัดตัวได้ต่อคำตอบมีน้อย อาจสมมติว่าความหนาแน่นคงที่ได้ ปัญหาดังกล่าวจึงเป็นปัญหาอากาศพลศาสตร์ความเร็วต่ำที่ไม่สามารถอัดตัวได้ เมื่อความหนาแน่นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ การไหลนั้นเรียกว่าสามารถอัดตัวได้ ในอากาศ ผลกระทบของการอัดตัวได้มักถูกละเลยเมื่อเลขมัคในการไหลไม่เกิน 0.3 (ประมาณ 335 ฟุต (10² เมตร) ต่อวินาที หรือ 228 ไมล์ (366 กิโลเมตร) ต่อชั่วโมง ที่ 60 °F (16 °C)) เหนือเลขมัค 0.3 การไหลของปัญหาควรได้รับการอธิบายโดยใช้อากาศพลศาสตร์ที่สามารถอัดตัวได้

ตามทฤษฎีอากาศพลศาสตร์ การไหลจะถือว่าเป็นการไหลแบบอัดได้หากความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงไปตามเส้นกระแสซึ่งหมายความว่า – ต่างจากการไหลแบบอัดไม่ได้ – การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นจะถูกนำมาพิจารณา โดยทั่วไปแล้ว กรณีนี้จะเกิดขึ้นเมื่อเลขมัคในส่วนหนึ่งหรือทั้งหมดของการไหลเกิน 0.3 ค่ามัค 0.3 นั้นค่อนข้างเป็นค่าที่กำหนดขึ้นเอง แต่ใช้เพราะการไหลของก๊าซที่มีเลขมัคต่ำกว่าค่านี้แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นน้อยกว่า 5% ยิ่งไปกว่านั้น การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นสูงสุด 5% นั้นเกิดขึ้นที่จุดหยุดนิ่ง (จุดบนวัตถุที่ความเร็วการไหลเป็นศูนย์) ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นรอบๆ ส่วนที่เหลือของวัตถุจะต่ำกว่ามาก การไหลแบบทรานโซนิก ซูเปอร์โซนิก และไฮเปอร์โซนิก ล้วนเป็นการไหลแบบอัดได้

คำว่า ทรานโซนิก (Transonic) หมายถึงช่วงความเร็วของกระแสลมที่ต่ำกว่าและสูงกว่าความเร็วเสียง ในบริเวณนั้น (โดยทั่วไปอยู่ที่Mach 0.8–1.2) โดยนิยามแล้ว คือช่วงความเร็วระหว่างเลข Mach วิกฤตซึ่งเป็นความเร็วที่บางส่วนของกระแสลมเหนือเครื่องบินกลายเป็นความเร็วเหนือเสียงและความเร็วที่สูงกว่า โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณMach 1.2ซึ่งเป็นความเร็วที่กระแสลมทั้งหมดเป็นความเร็วเหนือเสียง ระหว่างความเร็วเหล่านี้ กระแสลมบางส่วนเป็นความเร็วเหนือเสียง ในขณะที่กระแสลมบางส่วนไม่ใช่ความเร็วเหนือเสียง

ปัญหาด้านอากาศพลศาสตร์เหนือเสียง คือปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความเร็วการไหลที่มากกว่าความเร็วเสียง การคำนวณแรงยกของเครื่องบินคองคอร์ดระหว่างการบินในระดับความสูงคงที่ สามารถเป็นตัวอย่างหนึ่งของปัญหาด้านอากาศพลศาสตร์เหนือเสียงได้

การไหลแบบความเร็วเหนือเสียงมีพฤติกรรมแตกต่างจากการไหลแบบความเร็วต่ำกว่าเสียงอย่างมาก ของเหลวจะตอบสนองต่อความแตกต่างของความดัน การเปลี่ยนแปลงของความดันเป็นวิธีที่ "บอก" ให้ของเหลวตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้น เนื่องจากเสียงเป็นความแตกต่างของความดันเล็กน้อยที่แพร่กระจายผ่านของเหลวความเร็วของเสียงในของเหลวนั้นจึงถือได้ว่าเป็นความเร็วสูงสุดที่ "ข้อมูล" สามารถเดินทางในการไหลได้ ความแตกต่างนี้ปรากฏให้เห็นชัดเจนที่สุดในกรณีที่ของเหลวกระทบกับวัตถุ ด้านหน้าของวัตถุนั้น ของเหลวจะสร้างความดันหยุดนิ่ง ขึ้น เมื่อการกระทบกับวัตถุทำให้ของเหลวที่กำลังเคลื่อนที่หยุดนิ่ง ในของเหลวที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำกว่าเสียง การรบกวนของความดันนี้สามารถแพร่กระจายไปทางต้นน้ำ เปลี่ยนรูปแบบการไหลด้านหน้าของวัตถุ และทำให้เกิดความรู้สึกว่าของเหลว "รู้" ว่าวัตถุอยู่ตรงนั้นโดยการปรับการเคลื่อนไหวและไหลไปรอบๆ วัตถุนั้น อย่างไรก็ตาม ในการไหลแบบความเร็วเหนือเสียง การรบกวนของความดันไม่สามารถแพร่กระจายไปทางต้นน้ำได้ ดังนั้น เมื่อของเหลวไปถึงวัตถุในที่สุด มันจะชนกับวัตถุและบังคับให้ของเหลวเปลี่ยนคุณสมบัติของมัน – อุณหภูมิความหนาแน่นความดันและเลขมัค – ใน ลักษณะที่รุนแรงและไม่สามารถย้อนกลับได้ ซึ่งเรียกว่า คลื่นกระแทกการมีอยู่ของคลื่นกระแทก พร้อมกับผลกระทบของการอัดตัวได้ของของเหลวที่มีความเร็วการไหลสูง (ดูเลขเรย์โนลด์ ) เป็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างระบอบอากาศพลศาสตร์ความเร็วเหนือเสียงและความเร็วต่ำกว่าเสียง

ในด้านอากาศพลศาสตร์ ความเร็วไฮเปอร์โซนิกคือความเร็วที่สูงกว่าความเร็วเสียงมาก ในช่วงทศวรรษ 1970 คำนี้โดยทั่วไปหมายถึงความเร็วตั้งแต่ Mach 5 (5 เท่าของความเร็วเสียง) ขึ้นไป ระบอบไฮเปอร์โซนิกเป็นส่วนหนึ่งของระบอบความเร็วเหนือเสียง การไหลแบบไฮเปอร์โซนิกมีลักษณะเฉพาะคือ การไหลที่มีอุณหภูมิสูงหลังคลื่นกระแทก ปฏิสัมพันธ์ของความหนืด และการแตกตัวทางเคมีของก๊าซ

สภาวะการไหลที่อัดไม่ได้และอัดได้ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องมากมาย เช่น ชั้นขอบเขตและการไหลปั่นป่วน

แนวคิดเรื่องชั้นขอบเขตมีความสำคัญในปัญหาหลายอย่างทางด้านอากาศพลศาสตร์ ความหนืดและแรงเสียดทานของของเหลวในอากาศนั้นคาดว่าจะมีนัยสำคัญเฉพาะในชั้นบางๆ นี้เท่านั้น ข้อสมมติฐานนี้ทำให้การอธิบายอากาศพลศาสตร์ดังกล่าวสามารถจัดการได้ง่ายขึ้นทางคณิตศาสตร์

ในด้านอากาศพลศาสตร์ การไหลแบบปั่นป่วนมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของการไหลอย่างไม่เป็นระเบียบ ซึ่งรวมถึงการแพร่กระจายโมเมนตัมต่ำ การพาโมเมนตัมสูง และการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความดันและความเร็วการไหลทั้งในเชิงพื้นที่และเวลา การไหลที่ไม่ปั่นป่วนเรียกว่าการไหลแบบราบเรียบ

อากาศพลศาสตร์เป็นองค์ประกอบสำคัญของการออกแบบยานยนต์รวมถึงรถยนต์และรถบรรทุก บนท้องถนน ซึ่งเป้าหมายหลักคือการลดค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน ของยานยนต์ และรถแข่งซึ่งนอกจากการลดแรงต้านแล้ว เป้าหมายยังรวมถึงการเพิ่มระดับแรงกดโดย รวมอีกด้วย ^{[ 21 ]}อากาศพลศาสตร์ยังมีความสำคัญในการทำนายแรงและโมเมนต์ที่กระทำต่อเรือใบมีการนำไปใช้ในการออกแบบชิ้นส่วนทางกล เช่นหัวอ่านฮาร์ดไดรฟ์วิศวกรโครงสร้างใช้อากาศพลศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอากาศพลศาสตร์เชิงยืดหยุ่นเมื่อคำนวณ ภาระ ลมในการออกแบบอาคารขนาดใหญ่สะพานและกังหันลม

หลักอากาศพลศาสตร์ของช่องทางภายในมีความสำคัญในระบบทำความร้อน/ระบายอากาศท่อส่งก๊าซและในเครื่องยนต์รถยนต์ซึ่งรูปแบบการไหลโดยละเอียดส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์

พลศาสตร์อากาศในเมืองได้รับการศึกษาโดยนักวางผังเมืองและนักออกแบบที่ต้องการปรับปรุงสิ่งอำนวยความสะดวกในพื้นที่กลางแจ้ง หรือในการสร้างสภาพภูมิอากาศขนาดเล็กในเมืองเพื่อลดผลกระทบจากมลพิษในเมือง สาขาพลศาสตร์อากาศสิ่งแวดล้อมอธิบายถึงวิธีที่การไหลเวียนของบรรยากาศและกลศาสตร์การบินส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศ สมการพลศาสตร์อากาศถูกนำมาใช้ในการพยากรณ์อากาศเชิงตัวเลข

กีฬาที่หลักอากาศพลศาสตร์มีความสำคัญอย่างยิ่ง ได้แก่ฟุตบอลเทเบิลเทนนิสคริกเก็ตเบสบอลและกอล์ฟซึ่งผู้เล่นส่วนใหญ่สามารถควบคุมวิถีการเคลื่อนที่ของลูกบอลได้โดยใช้ " ปรากฏการณ์แม็กนัส "

• การบิน
• อากาศพลศาสตร์
• การบิน
• วิถีกระสุน
• พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ
• พลศาสตร์ของไหล
• การบินของแมลง – แมลงบินได้อย่างไร
• การออกแบบกรวยจมูก
• โครงร่างของวิศวกรรม
• ดัชนีบทความด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์

• คู่มืออากาศพลศาสตร์ของนาซาเก็บถาวร เมื่อวัน ที่15 กรกฎาคม 2012 ที่Wayback Machine
• อากาศพลศาสตร์สำหรับนักเรียน
• หลักการอากาศพลศาสตร์สำหรับนักบิน (ฉบับเก็บถาวร)
• หลักอากาศพลศาสตร์และการปรับแต่งรถแข่ง (เก็บถาวร)
• โครงการที่เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์เก็บถาวรเมื่อ 13 ธันวาคม 2018 ที่Wayback Machine
• eFluids Bicycle Aerodynamics . เก็บถาวรเมื่อ 2009-12-15 ที่Wayback Machine
• การประยุกต์ใช้หลักการอากาศพลศาสตร์ในกีฬาฟอร์มูล่าวัน (F1) (เก็บถาวร)
• หลักการอากาศพลศาสตร์ในการแข่งขันรถยนต์เก็บถาวรเมื่อ 2009-12-06 ที่Wayback Machine
• หลักอากาศพลศาสตร์ของนกเก็บถาวรเมื่อ 24 มีนาคม 2010 ที่Wayback Machine
• ดัชนีอากาศพลศาสตร์ของ NASA