Опір потоку є широкомасштабною проблемою. Споживання палива автомобілем на високій швидкості в основному визначається опором повітря, а не опором тертя землі. Причина, по якій смог може «зависати» в повітрі, також полягає в опорі потоку. Усе це ілюструє важливість опору повітря.
01
Опір перепаду тиску та опір тертю
З точки зору сили, опір об'єкта - це пряма дія рідини на його поверхню. Те, що перпендикулярно до поверхні об'єкта, є тиском рідини, а опір, створюваний нею, називається опором диференціального тиску; те, що відбувається паралельно поверхні об’єкта, є силою в’язкого зсуву рідини, а опір, створюваний нею, називається опором тертя. Крім цих двох сил, немає іншої сили. Отже, повний опір об’єкта є результуючою силою опору різниці тисків і опору тертя. Опір різниці тиску тісно пов’язаний із формою об’єкта, а опір тертю в основному пов’язаний із площею поверхні об’єкта.
У деяких місцях сказано, що крім опору різниці тиску та опору тертю, існує індукований опір, опір ударній хвилі тощо, що є непорозумінням. Фактично, як індукований опір, так і опір ударній хвилі можна віднести до опору різниці тисків і опору тертя (головним чином опору різниці тисків).
02
опір форми задній опір
З давніх часів було відомо, що об’єкти, які рухаються в рідині, відчуватимуть опір, і опір тісно пов’язаний із формою об’єкта. Але початкова теорія механіки рідини прийшла до протилежного висновку. Виходячи із законів руху рідини Ейлера та Бернуллі, якщо знехтувати в’язкістю рідини, рідина не створюватиме опору об’єктам будь-якої форми, що рухаються в ній.
Здається, що опір повністю зумовлений в’язкістю, але в’язкість повітря дуже мала, а створюваний ним опір тертя набагато менший, ніж фактично виміряний аеродинамічний опір. Це протиріччя відоме в історії як «Парадокс Даламбера», оскільки його запропонував французький математик Даламбер.
Лише коли Прандтль висунув теорію прикордонного шару, люди дійсно усвідомили суть опору потоку. Опір різниці тиску є основним компонентом аеродинамічного опору, тоді як для загальних об’єктів опір різниці тиску в основному зумовлений розділенням граничного шару.
Ранні люди (можливо, багато хто так думає зараз) на основі якогось «здорового глузду» вважали, що форма передньої частини предмета визначає розмір опору, і опір буде малим, якщо передня частина гостріша . З теорією прикордонного шару важливіше виявити форму задньої частини об’єкта. Оскільки форма тильної сторони об’єкта визначає, де розділяється прикордонний шар і, отже, розподіл тиску на поверхні об’єкта.
Звичайні риби і птахи мають відносно ідеальні обтічні тіла, з круглими головами і загостреними хвостами.
03
Опір форми Передній опір
Хоча форма задньої частини об’єкта є вирішальною для величини опору, форма передньої частини також важлива. Наприклад, якщо передня частина об’єкта квадратна, рідина рано відокремиться в гострих кутах, а ретельно розроблена форма задньої частини втратить сенс. Для вантажівок, які зараз курсують по шосе, досягнута оптимізація форми зосереджена в основному на передній частині, а задня частина обмежена формою контейнера, тому роботи було виконано менше. Для об’єктів, що рухаються з трансзвуковою швидкістю, ударна хвиля створить додатковий опір, тому передня частина має дуже загострену форму, так що кут конуса ударної хвилі є меншим, щоб зменшити опір.
04
Стійкість до ударної хвилі
Коли швидкість вхідного потоку наближається або перевищує швидкість звуку, будуть генеруватися ударні хвилі, які створять додатковий опір ударній хвилі. По суті, опір ударній хвилі також є різновидом опору різниці тиску, який спричинений недостатнім відновленням тиску в задній половині об’єкта через існування ударних хвиль. Нехтуючи в’язкими втратами, коли ударної хвилі немає, уповільнення повітряного потоку в другій половині об’єкта відповідає підвищенню тиску Δp1; коли є ударна хвиля, повітряний потік частково втрачає частину механічної енергії при проходженні через ударну хвилю, і зростання тиску Δp2, що відповідає тому ж уповільненню, буде меншим, ніж Δp1. Тому, коли є ударна хвиля, тиск у задній половині об’єкта трохи нижчий, що є джерелом опору ударної хвилі. Гострий передній край об’єкта може зменшити кут ударного конуса, тим самим зменшуючи втрати, викликані ударною хвилею, а також зменшуючи опір ударної хвилі. Коли корабель рухається по водній поверхні, він буде генерувати поверхневі хвилі, а також матиме хвильовий опір, тому його слід зробити загостреним, а підводний човен – округлим.
Використання втрати енергії для пояснення опору ударній хвилі недостатньо прямо. Адже тиск і сила в’язкості на поверхні об’єкта є факторами, які безпосередньо визначають величину опору. Далі опір ударної хвилі пояснюється зміною поверхневого тиску об'єкта.
05
Вплив форми та якості поверхні на опір
Зменшення опору — вічна тема механіки рідини. Використання обтічних ліній може ефективно зменшити опір перепаду тиску, головним чином тому, що на поверхні добре сконструйованого обтічного тіла немає поділу граничного шару, тим самим зменшуючи опір перепаду тиску.
Окрім форми, шорсткість поверхні об’єкта також впливає на опір. Як правило, чим гладкіша поверхня, тим менший опір тертю, але іноді поверхня об’єкта навмисно шорстка, так що прикордонний шар стає турбулентним, щоб перешкоджати відриву, тим самим значно зменшуючи опір диференціального тиску.
06
Підведіть підсумки
Аналізуючи аеродинамічний опір об’єкта, механіки рідини зазвичай розподіляють його за формою сили. Опір, спричинений тиском, що діє вертикально на поверхню об’єкта, називається опором перепаду тиску, тоді як опір, спричинений силою тертя, паралельної поверхні об’єкта, називається опором тертя. Оскільки на поверхню об’єкта не діє жодна інша сила, окрім цих двох сил, будь-який вид опору є або опором різниці тиску, або опором тертя, або обома.
Опір різниці тиску, спричинений розділенням потоку, і опір різниці тиску, спричинений ударною хвилею, є найбільшими факторами, що впливають на аеродинамічний опір об’єктів.
Дозвукові об'єкти з низьким опором мають круглі голови і загострені хвости, тоді як надзвукові об'єкти з низьким опором мають загострені кінці.
