مقاومت جریان یک مشکل گسترده است. مصرف سوخت خودرو در سرعت بالا عمدتاً از مقاومت هوا ناشی می شود تا مقاومت در برابر اصطکاک زمین. دلیل اینکه مه دود می تواند در هوا "معلق" شود نیز به دلیل مقاومت در برابر جریان است. همه اینها اهمیت مقاومت هوا را نشان می دهد.
01
مقاومت دیفرانسیل فشار و مقاومت اصطکاکی
از نقطه نظر نیرو، مقاومت جسم، عمل مستقیم سیال بر روی سطح آن است. آنچه بر سطح جسم عمود است فشار سیال است و مقاومت ایجاد شده توسط آن را مقاومت فشار تفاضلی می نامند. آنچه با سطح جسم موازی است نیروی برشی چسبناک سیال است و مقاومت ایجاد شده توسط آن را مقاومت اصطکاکی می نامند. غیر از این دو نیرو، نیروی دیگری وجود ندارد. بنابراین، مقاومت کلی یک جسم، نیروی حاصل از مقاومت اختلاف فشار و مقاومت اصطکاک است. مقاومت اختلاف فشار ارتباط نزدیکی با شکل جسم دارد و مقاومت اصطکاک عمدتاً به سطح جسم مربوط می شود.
بعضی جاها می گویند که علاوه بر مقاومت اختلاف فشار و مقاومت در برابر اصطکاک، مقاومت القایی، مقاومت در برابر موج ضربه و ... وجود دارد که یک سوء تفاهم است. در واقع، هم مقاومت القایی و هم مقاومت موج ضربه ای را می توان به مقاومت اختلاف فشار و مقاومت اصطکاک (عمدتاً مقاومت در برابر اختلاف فشار) نسبت داد.
02
مقاومت به شکل مقاومت خلفی
از زمان های قدیم شناخته شده است که اجسامی که در یک سیال حرکت می کنند مقاومت را تجربه می کنند و مقاومت ارتباط نزدیکی با شکل جسم دارد. اما نظریه اولیه مکانیک سیالات به نتیجه معکوس رسید. بر اساس قوانین حرکت سیال اویلر و برنولی، اگر ویسکوزیته سیال نادیده گرفته شود، سیال در برابر اجسام به هر شکلی که در آن حرکت می کنند مقاومتی ایجاد نمی کند.
به نظر می رسد که مقاومت کاملاً ناشی از ویسکوزیته است، اما ویسکوزیته هوا بسیار کوچک است و مقاومت اصطکاکی تولید شده توسط آن بسیار کمتر از مقاومت آیرودینامیکی اندازه گیری شده در واقع است. این تناقض در تاریخ به «پارادوکس دالامبر» معروف است، زیرا توسط ریاضیدان فرانسوی دالامبر مطرح شد.
تا زمانی که پراندل نظریه لایه مرزی را مطرح کرد، مردم واقعاً به ماهیت مقاومت در برابر جریان پی بردند. مقاومت اختلاف فشار جزء اصلی مقاومت آیرودینامیکی است، در حالی که برای اجسام عمومی، مقاومت اختلاف فشار عمدتاً به دلیل جداسازی لایه مرزی است.
افراد اولیه (شاید خیلی ها اکنون چنین فکر می کنند) بر اساس نوعی "عقل سلیم" معتقد بودند که شکل قسمت جلوی جسم تعیین کننده اندازه مقاومت است و اگر قسمت جلویی تیزتر باشد مقاومت کوچک خواهد بود. . با نظریه لایه مرزی، کشف شکل پشت جسم مهمتر است. زیرا شکل پشت جسم تعیین کننده محل جدا شدن لایه مرزی و در نتیجه توزیع فشار بر روی سطح جسم است.
ماهیها و پرندگان معمولی بدنهای صاف و نسبتاً کاملی با سرهای گرد و دمهای نوک تیز دارند.
03
مقاومت شکل مقاومت جلو
اگرچه شکل پشت جسم برای میزان کشش تعیین کننده است، شکل جلو نیز مهم است. به عنوان مثال، اگر جلوی جسم مربع باشد، مایع در گوشه های تیز زود جدا می شود و شکل طراحی شده با دقت عقب معنای خود را از دست می دهد. برای کامیون هایی که در حال حاضر در بزرگراه تردد می کنند، بهینه سازی شکل که به دست آمده است عمدتاً در قسمت جلو متمرکز است و قسمت عقب با شکل کانتینر محدود شده است، بنابراین کار کمتری انجام شده است. برای اجسامی که با سرعت فراصوتی حرکت می کنند، موج ضربه ای مقاومت بیشتری ایجاد می کند، بنابراین قسمت جلویی به شکل بسیار نوک تیز طراحی شده است، به طوری که زاویه مخروطی موج ضربه کوچکتر برای کاهش مقاومت است.
04
مقاومت در برابر موج شوک
هنگامی که سرعت جریان ورودی به سرعت صوت نزدیک شود یا از آن فراتر رود، امواج ضربه ای ایجاد می شود که مقاومت موج ضربه ای بیشتری را به همراه خواهد داشت. در اصل، مقاومت موج ضربه ای نیز نوعی مقاومت اختلاف فشار است که به دلیل بازیابی فشار ناکافی در نیمه عقب جسم به دلیل وجود امواج ضربه ای ایجاد می شود. با نادیده گرفتن از دست دادن ویسکوز، هنگامی که موج ضربه ای وجود ندارد، کاهش سرعت جریان هوا در نیمه دوم جسم با افزایش فشار Δp1 مطابقت دارد. هنگامی که یک موج ضربه ای وجود دارد، جریان هوا تا حدی بخشی از انرژی مکانیکی را هنگام عبور از موج ضربه ای از دست می دهد و افزایش فشار Δp2 مربوط به همان کاهش سرعت کمتر از Δp1 خواهد بود. بنابراین، هنگامی که یک موج ضربه ای وجود دارد، فشار در نیمه عقب جسم کمی کمتر است که منبع مقاومت موج ضربه است. تیز کردن لبه جلوی جسم می تواند زاویه مخروط ضربه را کاهش دهد و در نتیجه تلفات ناشی از موج ضربه را کاهش دهد و همچنین مقاومت موج ضربه را کاهش دهد. هنگامی که کشتی روی سطح آب حرکت می کند، امواج سطحی تولید می کند و همچنین مقاومت موجی دارد، بنابراین باید آن را به صورت نوک تیز درآورید، در حالی که زیردریایی در حال حرکت در زیر آب گرد است.
استفاده از اتلاف انرژی برای توضیح مقاومت موج ضربه ای به اندازه کافی مستقیم نیست. از این گذشته، فشار و نیروی چسبناک روی سطح یک جسم عواملی هستند که مستقیماً میزان مقاومت را تعیین می کنند. سپس مقاومت موج ضربه ای با تغییر فشار سطحی جسم توضیح داده می شود.
05
تاثیر شکل و کیفیت سطح بر درگ
کاهش مقاومت موضوع ابدی مکانیک سیالات است. استفاده از خطوط جریان می تواند به طور موثر مقاومت فشار دیفرانسیل را کاهش دهد، عمدتاً به این دلیل که هیچ جدایی لایه مرزی در سطح بدنه ساده طراحی شده خوب وجود ندارد و در نتیجه مقاومت فشار دیفرانسیل را کاهش می دهد.
علاوه بر شکل، زبری سطح یک جسم نیز بر کشش تأثیر می گذارد. به طور کلی، هرچه سطح صاف تر باشد، مقاومت اصطکاکی کمتری دارد، اما گاهی اوقات سطح جسم به طور عمدی ناهموار است، به طوری که لایه مرزی متلاطم می شود تا از جدایی جلوگیری کند و در نتیجه مقاومت اختلاف فشار را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
06
خلاصه کنید
هنگام تجزیه و تحلیل مقاومت آیرودینامیکی یک جسم، عادت مکانیک سیالات تقسیم آن بر اساس شکل نیرو است. مقاومت ناشی از فشاری که به صورت عمودی بر روی سطح جسم وارد می شود، مقاومت فشار دیفرانسیل نامیده می شود، در حالی که مقاومت ناشی از نیروی اصطکاک موازی با سطح جسم، مقاومت اصطکاکی نامیده می شود. از آنجایی که نیرویی جز این دو نیرو بر روی سطح جسم وجود ندارد، هر نوع مقاومتی یا مقاومت در برابر اختلاف فشار یا مقاومت در برابر اصطکاک یا هر دو است.
مقاومت اختلاف فشار ناشی از جداسازی جریان و مقاومت اختلاف فشار ناشی از موج ضربه ای بزرگترین عوامل مؤثر بر مقاومت آیرودینامیکی اجسام هستند.
اجسام با مقاومت پایین مافوق صوت دارای سرهای گرد و دم نوک تیز هستند، در حالی که اجسام مافوق صوت با مقاومت کم دارای انتهای نوک تیز هستند.
