Srauto pasipriešinimas yra plataus masto problema. Automobilio degalų sąnaudas dideliu greičiu daugiausia lemia oro pasipriešinimas, o ne žemės pasipriešinimas trinčiai. Priežastis, kodėl smogas gali būti „sustabdytas“ ore, yra ir srauto pasipriešinimas. Visa tai iliustruoja oro pasipriešinimo svarbą.
01
Atsparumas slėgio skirtumui ir atsparumas trinčiai
Jėgos požiūriu objekto pasipriešinimas yra tiesioginis skysčio veikimas jo paviršiuje. Tai, kas statmena objekto paviršiui, yra skysčio slėgis, o jo sukuriama varža vadinama slėgio skirtumo varža; tai, kas lygiagreti objekto paviršiui, yra skysčio klampi šlyties jėga, o jos sukuriama varža vadinama trinties pasipriešinimu. Be šių dviejų jėgų, nėra jokios kitos jėgos. Todėl bendra objekto varža yra slėgio skirtumo pasipriešinimo ir atsparumo trinčiai gaunamoji jėga. Atsparumas slėgio skirtumui yra glaudžiai susijęs su objekto forma, o atsparumas trinčiai daugiausia susijęs su objekto paviršiaus plotu.
Kai kur rašoma, kad be atsparumo slėgio skirtumui ir atsparumo trinčiai yra ir indukcinis pasipriešinimas, smūginės bangos pasipriešinimas ir pan., o tai yra nesusipratimas. Tiesą sakant, tiek sukeltas pasipriešinimas, tiek atsparumas smūginės bangos gali būti priskiriami atsparumui slėgio skirtumui ir atsparumui trinčiai (daugiausia atsparumui slėgio skirtumui).
02
formos pasipriešinimas užpakalinis pasipriešinimas
Nuo seniausių laikų buvo žinoma, kad skystyje judantys objektai patirs pasipriešinimą, o pasipriešinimas yra glaudžiai susijęs su objekto forma. Tačiau pradinė skysčių mechanikos teorija padarė priešingą išvadą. Remiantis Eulerio ir Bernulio skysčių judėjimo dėsniais, jei nepaisoma skysčio klampumo, skystis nesukels atsparumo jame judantiems bet kokios formos objektams.
Atrodo, kad pasipriešinimą visiškai lemia klampumas, tačiau oro klampumas yra labai mažas, o jo sukuriamas atsparumas trinčiai yra daug mažesnis nei išmatuotas aerodinaminis pasipriešinimas. Šis prieštaravimas istorijoje žinomas kaip „D'Alemberto paradoksas“, nes jį pasiūlė prancūzų matematikas D'Alembertas.
Tik Prandtlis iškėlė ribinio sluoksnio teoriją, kad žmonės iš tikrųjų suprato srauto pasipriešinimo esmę. Atsparumas slėgio skirtumui yra pagrindinis aerodinaminio pasipriešinimo komponentas, o bendrųjų objektų atsparumas slėgio skirtumui daugiausia atsiranda dėl ribinio sluoksnio atskyrimo.
Ankstyvieji žmonės (galbūt daug kas dabar taip galvoja), remdamiesi kažkokiu „sveiku protu“, tikėjo, kad objekto priekinės dalies forma lemia pasipriešinimo dydį, o pasipriešinimas bus mažas, jei priekinė dalis bus aštresnė. . Taikant ribinio sluoksnio teoriją, svarbiau atrasti objekto galinės dalies formą. Nes nuo objekto nugarinės dalies formos priklauso, kur atsiskiria ribinis sluoksnis, taigi ir slėgio pasiskirstymas objekto paviršiuje.
Įprastos žuvys ir paukščiai yra gana tobuli supaprastinto kūno su apvaliomis galvomis ir smailiomis uodegomis.
03
Atsparumas formai Priekinis atsparumas
Nors objekto užpakalinės dalies forma turi lemiamą reikšmę pasipriešinimo dydžiui, svarbi ir priekio forma. Pavyzdžiui, jei objekto priekinė dalis yra kvadratinė, skystis anksti atsiskirs ties aštriais kampais, o kruopščiai suprojektuota užpakalinė dalis neteks prasmės. Šiuo metu greitkeliu važiuojantiems sunkvežimiams pasiektas formos optimizavimas daugiausia koncentruojasi į priekinę dalį, o galinę dalį riboja konteinerio forma, todėl darbo atlikta mažiau. Objektams, judantiems transoniniu greičiu, smūginė banga sukurs papildomą pasipriešinimą, todėl priekinė dalis suprojektuota labai smailia forma, kad smūgio bangos kūgio kampas būtų mažesnis, kad būtų sumažintas pasipriešinimas.
04
Atsparumas smūgio bangoms
Kai įeinančio srauto greitis artėja arba viršija garso greitį, bus generuojamos smūginės bangos, kurios atneš papildomą smūgio bangos pasipriešinimą. Iš esmės smūginės bangos pasipriešinimas taip pat yra tam tikras slėgio skirtumo pasipriešinimas, kurį sukelia nepakankamas slėgio atkūrimas galinėje objekto pusėje dėl smūgio bangų buvimo. Neatsižvelgiant į klampumo praradimą, kai nėra smūginės bangos, oro srauto lėtėjimas antroje objekto pusėje atitinka slėgio padidėjimą Δp1; Kai yra smūginė banga, oro srautas, eidamas per smūgio bangą, iš dalies praranda dalį mechaninės energijos, o slėgio padidėjimas Δp2, atitinkantis tą patį lėtėjimą, bus mažesnis nei Δp1. Todėl, kai yra smūgio banga, slėgis galinėje objekto pusėje yra šiek tiek mažesnis, o tai yra smūgio bangos pasipriešinimo šaltinis. Jei objekto priekinis kraštas yra aštrus, gali sumažėti smūgio kūgio kampas, taip sumažinant smūgio bangos sukeliamus nuostolius, taip pat sumažinant smūgio bangos pasipriešinimą. Kai laivas plaukia vandens paviršiumi, jis generuos paviršines bangas ir turės bangų pasipriešinimą, todėl jis turėtų būti smailus, o povandeninis laivas yra apvalus.
Energijos nuostolių panaudojimas smūginės bangos pasipriešinimui paaiškinti nėra pakankamai tiesioginis. Juk slėgis ir klampi jėga objekto paviršiuje yra tie veiksniai, kurie tiesiogiai lemia pasipriešinimo dydį. Toliau smūginės bangos pasipriešinimas paaiškinamas objekto paviršiaus slėgio pokyčiu.
05
Formos ir paviršiaus kokybės įtaka pasipriešinimui
Atsparumo mažinimas yra amžina skysčių mechanikos tema. Paprastų linijų naudojimas gali veiksmingai sumažinti diferencinio slėgio pasipriešinimą, daugiausia dėl to, kad gerai suprojektuoto supaprastinto korpuso paviršiuje nėra ribinio sluoksnio atskyrimo, taip sumažinant slėgio skirtumo pasipriešinimą.
Be formos, objekto paviršiaus šiurkštumas taip pat turi įtakos pasipriešinimui. Paprastai kuo lygesnis paviršius, tuo mažesnis atsparumas trinčiai, tačiau kartais objekto paviršius yra tyčia šiurkštus, todėl ribinis sluoksnis tampa turbulentinis, kad būtų užkirstas kelias atsiskyrimui ir taip žymiai sumažėja slėgio skirtumo pasipriešinimas.
06
Apibendrinti
Analizuojant objekto aerodinaminį pasipriešinimą, skysčių mechanikos įprotis yra padalinti jį pagal jėgos formą. Atsparumas, kurį sukelia vertikaliai objekto paviršių veikiantis slėgis, vadinamas diferenciniu slėgio pasipriešinimu, o pasipriešinimas, kurį sukelia lygiagreti objekto paviršiui trinties jėga – trinties varža. Kadangi objekto paviršiuje nėra kitos jėgos, išskyrus šias dvi jėgas, bet koks pasipriešinimas yra atsparumas slėgio skirtumui arba atsparumas trinčiai, arba abu.
Slėgio skirtumo varža, kurią sukelia srauto atskyrimas, ir slėgio skirtumo varža, kurią sukelia smūginė banga, yra didžiausi veiksniai, turintys įtakos objektų aerodinaminei varžai.
Ikigarsinio mažo pasipriešinimo objektai turi apvalias galvas ir smailias uodegas, o viršgarsinio mažo pasipriešinimo objektai turi smailius galus.
