La resistència al flux és un problema ampli. El consum de combustible d'un cotxe a gran velocitat prové principalment de la resistència de l'aire en lloc de la resistència a la fricció del terra. La raó per la qual el smog es pot "suspender" a l'aire també es deu a la resistència al flux. Tot això il·lustra la importància de la resistència a l'aire.
01
Resistència diferencial de pressió i resistència a la fricció
Des del punt de vista de la força, la resistència de l'objecte és l'acció directa del fluid sobre la seva superfície. El que és perpendicular a la superfície de l'objecte és la pressió del fluid, i la resistència que genera s'anomena resistència a la pressió diferencial; el que és paral·lel a la superfície de l'objecte és la força de tall viscosa del fluid, i la resistència que genera s'anomena resistència de fricció. A part d'aquestes dues forces, no hi ha cap altra força. Per tant, la resistència total d'un objecte és la força resultant de la resistència a la diferència de pressió i la resistència a la fricció. La resistència a la diferència de pressió està estretament relacionada amb la forma de l'objecte i la resistència a la fricció està relacionada principalment amb la superfície de l'objecte.
Alguns llocs diuen que, a més de la resistència a la diferència de pressió i la resistència a la fricció, hi ha resistència induïda, resistència a les ones de xoc, etc., la qual cosa és un malentès. De fet, tant la resistència induïda com la resistència a les ones de xoc es poden atribuir a la resistència a la diferència de pressió i a la resistència a la fricció (principalment a la resistència a la diferència de pressió).
02
resistència de forma resistència posterior
Des de l'antiguitat se sap que els objectes que es mouen en un fluid experimentaran resistència, i la resistència està estretament relacionada amb la forma de l'objecte. Però la teoria original de la mecànica de fluids va arribar a la conclusió oposada. D'acord amb les lleis del moviment del fluid d'Euler i Bernoulli, si s'ignora la viscositat del fluid, el fluid no produirà resistència als objectes de qualsevol forma que es moguin en ell.
Sembla que la resistència està completament causada per la viscositat, però la viscositat de l'aire és molt petita i la resistència de fricció produïda per aquest és molt menor que la resistència aerodinàmica mesurada en realitat. Aquesta contradicció és coneguda a la història com a "Paradoxa de D'Alembert" perquè va ser proposada pel matemàtic francès D'Alembert.
No va ser fins que Prandtl va presentar la teoria de la capa límit que la gent realment es va adonar de l'essència de la resistència al flux. La resistència a la diferència de pressió és el component principal de la resistència aerodinàmica, mentre que per als objectes generals, la resistència a la diferència de pressió es deu principalment a la separació de la capa límit.
Les persones primerenques (potser moltes persones ho pensen ara) basant-se en algun tipus de "sentit comú", creien que la forma de la part frontal de l'objecte determina la mida de la resistència, i la resistència serà petita si la part frontal és més nítida. . Amb la teoria de la capa límit, és més important descobrir la forma de la part posterior de l'objecte. Perquè la forma de la part posterior de l'objecte determina on es separa la capa límit i, per tant, la distribució de la pressió a la superfície de l'objecte.
Els peixos i els ocells comuns són cossos aerodinàmics relativament perfectes, amb caps rodons i cues punxegudes.
03
Resistència de forma Resistència frontal
Tot i que la forma de la part posterior de l'objecte és decisiva per a la quantitat d'arrossegament, la forma de la part davantera també és important. Per exemple, si la part davantera de l'objecte és quadrada, el fluid es separarà aviat a les cantonades afilades i la forma acuradament dissenyada de la part posterior perdrà el seu significat. Per als camions que circulen actualment per l'autopista, l'optimització de la forma que s'ha aconseguit es concentra principalment en la part davantera, i la part posterior està limitada per la forma del contenidor, per la qual cosa s'ha fet menys feina. Per als objectes que es mouen a velocitat transònica, l'ona de xoc generarà resistència addicional, de manera que la part frontal està dissenyada en una forma molt punxeguda, de manera que l'angle del con de l'ona de xoc és més petit per reduir la resistència.
04
Resistència a les ones de xoc
Quan la velocitat del flux entrant s'acosta o supera la velocitat del so, es generaran ones de xoc, que aportaran una resistència addicional a les ones de xoc. En essència, la resistència a les ones de xoc també és una mena de resistència a la diferència de pressió, que és causada per una recuperació de pressió insuficient a la meitat posterior de l'objecte a causa de l'existència d'ones de xoc. Descuidant la pèrdua viscosa, quan no hi ha ona de xoc, la desacceleració del flux d'aire a la segona meitat de l'objecte correspon a un augment de pressió Δp1; quan hi ha una ona de xoc, el flux d'aire perd parcialment part de l'energia mecànica en passar per l'ona de xoc, i l'augment de pressió Δp2 corresponent a la mateixa desacceleració serà menor que Δp1. Per tant, quan hi ha una ona de xoc, la pressió a la meitat posterior de l'objecte és una mica més baixa, que és la font de la resistència de l'ona de xoc. Fer que la vora frontal de l'objecte sigui afilada pot reduir l'angle del con de xoc, reduint així la pèrdua causada per l'ona de xoc i també reduint la resistència a l'ona de xoc. Quan el vaixell viatja per la superfície de l'aigua, generarà ones superficials i també tindrà resistència a les ones, per la qual cosa s'ha de fer apuntat, mentre que el submarí que viatja sota l'aigua és arrodonit.
Utilitzar la pèrdua d'energia per explicar la resistència a les ones de xoc no és prou directe. Després de tot, la pressió i la força viscosa a la superfície d'un objecte són els factors que determinen directament la magnitud de la resistència. A continuació, la resistència a les ones de xoc s'explica pel canvi de la pressió superficial de l'objecte.
05
Efecte de la forma i la qualitat de la superfície sobre l'arrossegament
La reducció de la resistència és un tema etern de la mecànica de fluids. L'ús de línies aerodinàmiques pot reduir eficaçment la resistència a la pressió diferencial, principalment perquè no hi ha cap separació de capes límit a la superfície d'un cos aerodinàmic ben dissenyat, reduint així la resistència a la pressió diferencial.
A més de la forma, la rugositat superficial d'un objecte també afecta l'arrossegament. En general, com més suau sigui la superfície, menor serà la resistència de fricció, però de vegades la superfície de l'objecte és intencionadament rugosa, de manera que la capa límit es torna turbulenta per inhibir la separació, reduint així significativament la resistència diferencial de pressió.
06
Resumir
Quan s'analitza la resistència aerodinàmica d'un objecte, l'hàbit de la mecànica de fluids és dividir-lo segons la forma de força. La resistència causada per la pressió que actua verticalment a la superfície de l'objecte s'anomena resistència a la pressió diferencial, mentre que la resistència causada per la força de fricció paral·lela a la superfície de l'objecte s'anomena resistència de fricció. Com que no hi ha cap altra força que aquestes dues forces a la superfície d'un objecte, qualsevol tipus de resistència és resistència a la diferència de pressió o resistència a la fricció, o totes dues.
La resistència a la diferència de pressió causada per la separació del flux i la resistència a la diferència de pressió causada per l'ona de xoc són els factors més importants que afecten la resistència aerodinàmica dels objectes.
Els objectes subsònics de baixa resistència tenen caps rodons i cues punxegudes, mentre que els objectes supersònics de baixa resistència tenen extrems punxeguts.
