Prietokový odpor je rozsiahly problém. Spotreba paliva auta pri vysokej rýchlosti pochádza skôr z odporu vzduchu ako z odporu trenia zeme. Dôvodom, prečo sa smog môže „zavesiť“ vo vzduchu, je aj odpor prúdenia. To všetko ilustruje dôležitosť odporu vzduchu.
01
Odpor tlakového rozdielu a odpor trenia
Odpor predmetu je z hľadiska sily priamym pôsobením tekutiny na jeho povrch. To, čo je kolmé na povrch predmetu, je tlak tekutiny a odpor, ktorý vytvára, sa nazýva odpor diferenciálneho tlaku; čo je rovnobežné s povrchom predmetu, je viskózna šmyková sila tekutiny a odpor, ktorý vytvára, sa nazýva trecí odpor. Okrem týchto dvoch síl neexistuje žiadna iná sila. Preto je celkový odpor objektu výslednou silou odporu tlakového rozdielu a odporu trenia. Odpor tlakového rozdielu úzko súvisí s tvarom predmetu a odpor trenia súvisí najmä s povrchom predmetu.
Na niektorých miestach sa uvádza, že okrem odporu tlakového rozdielu a odporu trenia existuje aj indukovaný odpor, odpor rázovej vlny atď., čo je nedorozumenie. V skutočnosti možno indukovaný odpor aj odpor rázových vĺn pripísať odporu tlakového rozdielu a odporu trenia (hlavne odporu tlakového rozdielu).
02
tvarový odpor zadný odpor
Od staroveku je známe, že predmety pohybujúce sa v tekutine budú pociťovať odpor a tento odpor úzko súvisí s tvarom predmetu. Pôvodná teória mechaniky tekutín však dospela k opačnému záveru. Na základe zákonov pohybu tekutiny Eulera a Bernoulliho, ak sa ignoruje viskozita tekutiny, tekutina nebude vytvárať odpor voči objektom akéhokoľvek tvaru, ktoré sa v nej pohybujú.
Zdá sa, že odpor je úplne spôsobený viskozitou, ale viskozita vzduchu je veľmi malá a trecí odpor, ktorý vytvára, je oveľa menší ako skutočne nameraný aerodynamický odpor. Tento rozpor je v histórii známy ako „D'Alembertov paradox“, pretože ho navrhol francúzsky matematik D'Alembert.
Až keď Prandtl predložil teóriu hraničnej vrstvy, ľudia si skutočne uvedomili podstatu odporu prúdenia. Odolnosť proti tlakovému rozdielu je hlavnou zložkou aerodynamického odporu, zatiaľ čo pre všeobecné objekty je odpor tlakového rozdielu spôsobený hlavne oddelením hraničnej vrstvy.
Raní ľudia (možno si to teraz mnohí myslia) na základe akéhosi „zdravého rozumu“ verili, že tvar prednej časti objektu určuje veľkosť odporu a odpor bude malý, ak bude predná časť ostrejšia. . Pri teórii hraničnej vrstvy je dôležitejšie objaviť tvar zadnej časti objektu. Pretože tvar zadnej strany objektu určuje, kde sa oddelí hraničná vrstva a tým aj rozloženie tlaku na povrch objektu.
Bežné ryby a vtáky sú relatívne dokonalé aerodynamické telá s okrúhlymi hlavami a špicatým chvostom.
03
Odolnosť tvaru Predný odpor
Hoci tvar zadnej časti objektu je rozhodujúci pre mieru odporu, dôležitý je aj tvar prednej časti. Napríklad, ak je predná strana objektu štvorcová, tekutina sa v ostrých rohoch oddelí predčasne a starostlivo navrhnutý tvar zadnej časti stratí svoj význam. Pri nákladných vozidlách, ktoré momentálne jazdia po diaľnici, sa dosiahnutá tvarová optimalizácia sústreďuje najmä na prednú časť a zadná časť je obmedzená tvarom kontajnera, takže sa urobilo menej práce. Pre objekty pohybujúce sa transsonickou rýchlosťou bude rázová vlna generovať dodatočný odpor, takže predná časť je navrhnutá do veľmi špicatého tvaru, takže uhol kužeľa rázovej vlny je menší, aby sa znížil odpor.
04
Odolnosť voči rázovej vlne
Keď sa rýchlosť prichádzajúceho prúdu priblíži alebo prekročí rýchlosť zvuku, vytvoria sa rázové vlny, ktoré prinesú dodatočný odpor rázovej vlny. Odolnosť rázových vĺn je v podstate aj druh odporu tlakového rozdielu, ktorý je spôsobený nedostatočnou obnovou tlaku v zadnej polovici objektu v dôsledku existencie rázových vĺn. Ak zanedbáme stratu viskozity, keď nie je rázová vlna, spomalenie prúdenia vzduchu v druhej polovici objektu zodpovedá nárastu tlaku Δp1; keď dôjde k rázovej vlne, prúd vzduchu pri prechode rázovou vlnou čiastočne stratí časť mechanickej energie a nárast tlaku Δp2 zodpovedajúci rovnakému spomaleniu bude menší ako Δp1. Preto pri rázovej vlne je tlak v zadnej polovici objektu o niečo nižší, čo je zdrojom odporu rázovej vlny. Ostrím predného okraja objektu sa môže znížiť uhol kužeľa nárazu, čím sa zníži strata spôsobená rázovou vlnou a tiež sa zníži odpor rázovej vlny. Keď loď cestuje po vodnej hladine, bude generovať povrchové vlny a má tiež vlnový odpor, takže by mala byť špicatá, zatiaľ čo ponorka plaviaca sa pod vodou je zaoblená.
Použitie straty energie na vysvetlenie odporu rázových vĺn nie je dostatočne priame. Koniec koncov, tlak a viskózna sila na povrchu objektu sú faktory, ktoré priamo určujú veľkosť odporu. Ďalej je odpor rázovej vlny vysvetlený zmenou povrchového tlaku objektu.
05
Vplyv tvaru a kvality povrchu na odpor
Znižovanie odporu je večnou témou mechaniky tekutín. Použitie prúdnic môže účinne znížiť odpor diferenciálneho tlaku, hlavne preto, že na povrchu dobre navrhnutého prúdnicového telesa nedochádza k žiadnemu oddeleniu hraničnej vrstvy, čím sa znižuje odpor diferenciálneho tlaku.
Drsnosť ovplyvňuje okrem tvaru aj drsnosť povrchu objektu. Všeobecne platí, že čím je povrch hladší, tým menší je trecí odpor, ale niekedy je povrch predmetu zámerne drsný, takže hraničná vrstva sa stáva turbulentnou, aby sa zabránilo separácii, čím sa výrazne zníži tlakový rozdielový odpor.
06
Zhrnúť
Pri analýze aerodynamického odporu objektu je zvykom mechaniky tekutín rozdeliť ho podľa formy sily. Odpor spôsobený tlakom pôsobiacim vertikálne na povrch predmetu sa nazýva diferenčný tlakový odpor, zatiaľ čo odpor spôsobený trecou silou rovnobežnou s povrchom predmetu sa nazýva trecí odpor. Pretože na povrchu objektu nepôsobí žiadna sila okrem týchto dvoch síl, akýkoľvek druh odporu je buď odpor tlakového rozdielu alebo odpor trenia, alebo oboje.
Odpor tlakového rozdielu spôsobený separáciou prúdenia a odpor tlakového rozdielu spôsobený rázovou vlnou sú najväčšie faktory ovplyvňujúce aerodynamický odpor predmetov.
Podzvukové objekty s nízkym odporom majú okrúhle hlavy a špicaté chvosty, zatiaľ čo nadzvukové objekty s nízkym odporom majú špicaté konce.
