Η αντίσταση ροής είναι ένα μεγάλο πρόβλημα. Η κατανάλωση καυσίμου ενός αυτοκινήτου σε υψηλή ταχύτητα προέρχεται κυρίως από την αντίσταση του αέρα και όχι από την αντίσταση τριβής του εδάφους. Ο λόγος για τον οποίο η αιθαλομίχλη μπορεί να «αιωρείται» στον αέρα οφείλεται επίσης στην αντίσταση στη ροή. Όλα αυτά δείχνουν τη σημασία της αντίστασης του αέρα.
01
Διαφορική αντίσταση πίεσης και αντίσταση τριβής
Από την άποψη της δύναμης, η αντίσταση του αντικειμένου είναι η άμεση δράση του ρευστού στην επιφάνειά του. Αυτό που είναι κάθετο στην επιφάνεια του αντικειμένου είναι η πίεση του ρευστού και η αντίσταση που δημιουργείται από αυτό ονομάζεται αντίσταση διαφορικής πίεσης. Αυτό που είναι παράλληλο στην επιφάνεια του αντικειμένου είναι η ιξώδης διατμητική δύναμη του ρευστού και η αντίσταση που δημιουργείται από αυτό ονομάζεται αντίσταση τριβής. Εκτός από αυτές τις δύο δυνάμεις, δεν υπάρχει άλλη δύναμη. Επομένως, η συνολική αντίσταση ενός αντικειμένου είναι η προκύπτουσα δύναμη της αντίστασης διαφοράς πίεσης και της αντίστασης τριβής. Η αντίσταση διαφοράς πίεσης σχετίζεται στενά με το σχήμα του αντικειμένου και η αντίσταση τριβής σχετίζεται κυρίως με την επιφάνεια του αντικειμένου.
Κάποια μέρη λένε ότι εκτός από την αντίσταση διαφοράς πίεσης και την αντίσταση τριβής, υπάρχουν προκαλούμενη αντίσταση, αντίσταση κρουστικών κυμάτων κ.λπ., κάτι που είναι παρεξήγηση. Στην πραγματικότητα, τόσο η επαγόμενη αντίσταση όσο και η αντίσταση κρουστικών κυμάτων μπορούν να αποδοθούν σε αντίσταση διαφοράς πίεσης και αντίσταση τριβής (κυρίως αντίσταση διαφοράς πίεσης).
02
αντίσταση σχήματος οπίσθια αντίσταση
Είναι γνωστό από την αρχαιότητα ότι τα αντικείμενα που κινούνται σε ένα ρευστό θα έχουν αντίσταση και η αντίσταση σχετίζεται στενά με το σχήμα του αντικειμένου. Αλλά η αρχική θεωρία της μηχανικής των ρευστών κατέληξε στο αντίθετο συμπέρασμα. Με βάση τους νόμους της κίνησης του ρευστού των Euler και Bernoulli, εάν αγνοηθεί το ιξώδες του ρευστού, το ρευστό δεν θα παράγει αντίσταση σε αντικείμενα οποιουδήποτε σχήματος που κινούνται μέσα σε αυτό.
Φαίνεται ότι η αντίσταση προκαλείται εντελώς από το ιξώδες, αλλά το ιξώδες του αέρα είναι πολύ μικρό και η αντίσταση τριβής που παράγεται από αυτόν είναι πολύ μικρότερη από την αεροδυναμική αντίσταση που μετρήθηκε στην πραγματικότητα. Αυτή η αντίφαση είναι γνωστή στην ιστορία ως «Το παράδοξο του D'Alembert» επειδή προτάθηκε από τον Γάλλο μαθηματικό D'Alembert.
Μόνο όταν ο Prandtl πρότεινε τη θεωρία του οριακού στρώματος οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν πραγματικά την ουσία της αντίστασης ροής. Η αντίσταση διαφοράς πίεσης είναι το κύριο συστατικό της αεροδυναμικής αντίστασης, ενώ για γενικά αντικείμενα, η αντίσταση διαφοράς πίεσης οφείλεται κυρίως στον διαχωρισμό του οριακού στρώματος.
Οι πρώτοι άνθρωποι (ίσως πολλοί άνθρωποι το σκέφτονται τώρα) με βάση κάποιο είδος «κοινής λογικής», πίστευαν ότι το σχήμα του μπροστινού μέρους του αντικειμένου καθορίζει το μέγεθος της αντίστασης και η αντίσταση θα είναι μικρή εάν το μπροστινό μέρος είναι πιο αιχμηρό . Με τη θεωρία του οριακού στρώματος, είναι πιο σημαντικό να ανακαλύψουμε το σχήμα του πίσω μέρους του αντικειμένου. Διότι το σχήμα του πίσω μέρους του αντικειμένου καθορίζει πού χωρίζεται το οριακό στρώμα και συνεπώς την κατανομή πίεσης στην επιφάνεια του αντικειμένου.
Τα κοινά ψάρια και τα πουλιά είναι σχετικά τέλεια γραμμωμένα σώματα, με στρογγυλά κεφάλια και μυτερές ουρές.
03
Αντίσταση σχήματος Μπροστινή αντίσταση
Αν και το σχήμα του πίσω μέρους του αντικειμένου είναι καθοριστικό για την ποσότητα έλξης, το σχήμα του μπροστινού μέρους είναι επίσης σημαντικό. Για παράδειγμα, εάν το μπροστινό μέρος του αντικειμένου είναι τετράγωνο, το υγρό θα διαχωριστεί νωρίς στις αιχμηρές γωνίες και το προσεκτικά σχεδιασμένο σχήμα του πίσω μέρους θα χάσει το νόημά του. Για τα φορτηγά που τρέχουν επί του παρόντος στον αυτοκινητόδρομο, η βελτιστοποίηση σχήματος που έχει επιτευχθεί συγκεντρώνεται κυρίως στο μπροστινό μέρος και το πίσω μέρος περιορίζεται από το σχήμα του κοντέινερ, επομένως έχει γίνει λιγότερη δουλειά. Για αντικείμενα που κινούνται με υπερηχητική ταχύτητα, το κρουστικό κύμα θα δημιουργήσει πρόσθετη αντίσταση, επομένως το μπροστινό μέρος έχει σχεδιαστεί σε πολύ μυτερό σχήμα, έτσι ώστε η γωνία κώνου του κρουστικού κύματος να είναι μικρότερη για μείωση της αντίστασης.
04
Αντοχή κρουστικών κυμάτων
Όταν η ταχύτητα εισερχόμενης ροής πλησιάσει ή υπερβεί την ταχύτητα του ήχου, θα δημιουργηθούν κρουστικά κύματα, τα οποία θα φέρουν πρόσθετη αντίσταση κρουστικών κυμάτων. Στην ουσία, η αντίσταση κρουστικών κυμάτων είναι επίσης ένα είδος αντίστασης διαφοράς πίεσης, η οποία προκαλείται από ανεπαρκή ανάκτηση πίεσης στο πίσω μισό του αντικειμένου λόγω της ύπαρξης κρουστικών κυμάτων. Παραβλέποντας την απώλεια ιξώδους, όταν δεν υπάρχει κρουστικό κύμα, η επιβράδυνση της ροής αέρα στο δεύτερο μισό του αντικειμένου αντιστοιχεί σε αύξηση πίεσης Δp1. όταν υπάρχει κρουστικό κύμα, η ροή αέρα χάνει μερικώς μέρος της μηχανικής ενέργειας όταν διέρχεται από το κρουστικό κύμα και η αύξηση της πίεσης Δp2 που αντιστοιχεί στην ίδια επιβράδυνση θα είναι μικρότερη από την Δp1. Επομένως, όταν υπάρχει κρουστικό κύμα, η πίεση στο πίσω μισό του αντικειμένου είναι λίγο χαμηλότερη, η οποία είναι η πηγή της αντίστασης του κρουστικού κύματος. Η αιχμηρή μπροστινή άκρη του αντικειμένου μπορεί να μειώσει τη γωνία του κώνου κρούσης, μειώνοντας έτσι την απώλεια που προκαλείται από το κρουστικό κύμα και επίσης μειώνοντας την αντίσταση του κρουστικού κύματος. Όταν το πλοίο ταξιδεύει στην επιφάνεια του νερού, θα δημιουργήσει επιφανειακά κύματα και επίσης θα έχει αντίσταση κυμάτων, επομένως θα πρέπει να είναι αιχμηρό, ενώ το υποβρύχιο που ταξιδεύει υποβρύχια είναι στρογγυλεμένο.
Η χρήση της απώλειας ενέργειας για να εξηγήσει την αντίσταση κρουστικών κυμάτων δεν είναι αρκετά άμεση. Εξάλλου, η πίεση και η ιξώδης δύναμη στην επιφάνεια ενός αντικειμένου είναι οι παράγοντες που καθορίζουν άμεσα το μέγεθος της αντίστασης. Στη συνέχεια, η αντίσταση κρουστικών κυμάτων εξηγείται από την αλλαγή της επιφανειακής πίεσης του αντικειμένου.
05
Επίδραση του σχήματος και της ποιότητας της επιφάνειας στην αντίσταση
Η μείωση της αντίστασης είναι ένα αιώνιο θέμα της μηχανικής των υγρών. Η χρήση γραμμών ροής μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την αντίσταση διαφορικής πίεσης, κυρίως επειδή δεν υπάρχει διαχωρισμός οριακών στρωμάτων στην επιφάνεια ενός καλά σχεδιασμένου εξορθολογισμένου σώματος, μειώνοντας έτσι την αντίσταση διαφορικής πίεσης.
Εκτός από το σχήμα, η τραχύτητα της επιφάνειας ενός αντικειμένου επηρεάζει επίσης την αντίσταση. Γενικά, όσο πιο λεία είναι η επιφάνεια, τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση τριβής, αλλά μερικές φορές η επιφάνεια του αντικειμένου είναι σκόπιμα τραχιά, έτσι ώστε το οριακό στρώμα να γίνεται τυρβώδες για να εμποδίσει τον διαχωρισμό, μειώνοντας έτσι σημαντικά τη διαφορική αντίσταση πίεσης.
06
Συνοψίζω
Κατά την ανάλυση της αεροδυναμικής αντίστασης ενός αντικειμένου, η συνήθεια της μηχανικής ρευστών είναι να τη διαιρεί ανάλογα με τη μορφή της δύναμης. Η αντίσταση που προκαλείται από την κατακόρυφη πίεση στην επιφάνεια του αντικειμένου ονομάζεται αντίσταση διαφορικής πίεσης, ενώ η αντίσταση που προκαλείται από τη δύναμη τριβής παράλληλη στην επιφάνεια του αντικειμένου ονομάζεται αντίσταση τριβής. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει άλλη δύναμη εκτός από αυτές τις δύο δυνάμεις στην επιφάνεια ενός αντικειμένου, κάθε είδους αντίσταση είναι είτε αντίσταση διαφοράς πίεσης είτε αντίσταση τριβής ή και τα δύο.
Η αντίσταση διαφοράς πίεσης που προκαλείται από το διαχωρισμό ροής και η αντίσταση διαφοράς πίεσης που προκαλείται από το κρουστικό κύμα είναι οι μεγαλύτεροι παράγοντες που επηρεάζουν την αεροδυναμική αντίσταση των αντικειμένων.
Τα υποηχητικά αντικείμενα χαμηλής αντίστασης έχουν στρογγυλές κεφαλές και μυτερές ουρές, ενώ τα υπερηχητικά αντικείμενα χαμηλής αντίστασης έχουν μυτερά άκρα.
