Otpor protoka je problem širokog spektra. Potrošnja goriva automobila pri velikim brzinama uglavnom dolazi od otpora zraka, a ne otpora trenja tla. Razlog zašto se smog može "ovisiti" u zraku je i otpor strujanja. Sve ovo ilustruje važnost otpora vazduha.
01
Otpor diferencijalnog pritiska i otpor trenja
Sa stanovišta sile, otpor objekta je direktno djelovanje tečnosti na njegovu površinu. Ono što je okomito na površinu objekta je pritisak fluida, a otpor koji on stvara naziva se otpor diferencijalnog pritiska; ono što je paralelno s površinom objekta je viskozna posmična sila fluida, a otpor koji njome stvara naziva se otpor trenja. Osim ove dvije sile, nema druge sile. Prema tome, ukupni otpor objekta je rezultujuća sila otpora razlike pritiska i otpora trenja. Otpor razlike pritiska usko je povezan s oblikom objekta, a otpor trenja je uglavnom povezan s površinom objekta.
Na nekim mjestima se kaže da osim otpora na razliku tlaka i otpora trenja, postoje inducirani otpor, otpor udarnim valovima itd., što je nesporazum. U stvari, i inducirani otpor i otpor udarnog talasa mogu se pripisati otpornosti na razliku pritiska i otporu na trenje (uglavnom otpor na razliku pritiska).
02
otpornost na oblik zadnji otpor
Od davnina je poznato da će objekti koji se kreću u fluidu iskusiti otpor, a otpor je usko povezan s oblikom objekta. Ali originalna teorija mehanike fluida došla je do suprotnog zaključka. Na osnovu zakona o kretanju fluida Euler i Bernoulli, ako se zanemari viskozitet fluida, fluid neće proizvoditi otpor prema objektima bilo kojeg oblika koji se kreću u njemu.
Čini se da je otpor u potpunosti uzrokovan viskoznošću, ali viskoznost zraka je vrlo mala, a otpor trenja koji proizvodi mnogo je manji od aerodinamičkog otpora koji je stvarno izmjeren. Ova kontradikcija je u istoriji poznata kao "D'Alembertov paradoks" jer ju je predložio francuski matematičar D'Alembert.
Tek kada je Prandtl iznio teoriju graničnog sloja, ljudi su zaista shvatili suštinu otpora protoka. Otpor na razliku tlaka je glavna komponenta aerodinamičkog otpora, dok je za opće objekte otpor razlike tlaka uglavnom posljedica odvajanja graničnog sloja.
Rani ljudi (možda mnogi sada tako misle) na osnovu neke vrste "zdravog razuma", vjerovali su da oblik prednjeg dijela predmeta određuje veličinu otpora, a otpor će biti mali ako je prednji dio oštriji. . Kod teorije graničnog sloja važnije je otkriti oblik stražnjeg dijela objekta. Jer oblik stražnje strane objekta određuje gdje se granični sloj odvaja, a time i raspodjelu pritiska na površini objekta.
Obične ribe i ptice su relativno savršenog aerodinamičnog tijela, okrugle glave i šiljastog repa.
03
Otpornost na oblik Prednji otpor
Iako je oblik stražnjeg dijela objekta odlučujući za količinu otpora, oblik prednje strane je također važan. Na primjer, ako je prednja strana objekta kvadratna, tekućina će se rano odvojiti na oštrim uglovima, a pažljivo dizajnirani oblik stražnjeg dijela će izgubiti svoje značenje. Za kamione koji trenutno voze na autoputu, postignuta optimizacija oblika uglavnom je koncentrisana na prednji dio, a stražnji dio ograničen je oblikom kontejnera, tako da je urađeno manje posla. Za objekte koji se kreću transzvučnom brzinom, udarni val će stvoriti dodatni otpor, tako da je prednji dio dizajniran u vrlo šiljasti oblik, tako da je ugao konusa udarnog vala manji kako bi se smanjio otpor.
04
Otpornost na udarne talase
Kada se ulazna brzina protoka približi ili premaši brzinu zvuka, generišu se udarni talasi, koji će doneti dodatnu otpornost na udarne talase. U suštini, otpor udarnog talasa je i vrsta otpora na razliku pritiska, koji je uzrokovan nedovoljnim obnavljanjem pritiska u zadnjoj polovini objekta usled postojanja udarnih talasa. Zanemarujući gubitak viskoznosti, kada nema udarnog talasa, usporavanje strujanja vazduha u drugoj polovini objekta odgovara porastu pritiska Δp1; kada postoji udarni val, protok zraka djelimično gubi dio mehaničke energije prilikom prolaska kroz udarni val, a porast tlaka Δp2 koji odgovara istom usporavanju bit će manji od Δp1. Stoga, kada postoji udarni val, pritisak u zadnjoj polovini objekta je malo manji, što je izvor otpora udarnog vala. Oštrenje prednje ivice objekta može smanjiti ugao udarnog stožca, čime se smanjuju gubici izazvani udarnim talasom, a takođe i otpor na udarni talas. Kada brod putuje po površini vode, generiraće površinske valove i također ima otpornost na valove, pa ga treba učiniti zašiljenim, dok je podmornica koja putuje pod vodom zaobljena.
Korišćenje gubitka energije za objašnjenje otpora udarnog talasa nije dovoljno direktno. Na kraju krajeva, pritisak i viskozna sila na površini objekta su faktori koji direktno određuju veličinu otpora. Zatim se otpor udarnog talasa objašnjava promjenom površinskog pritiska objekta.
05
Utjecaj oblika i kvaliteta površine na otpor
Smanjenje otpora je vječna tema mehanike fluida. Upotreba strujnih linija može efikasno smanjiti otpor diferencijalnog pritiska, uglavnom zato što nema razdvajanja graničnog sloja na površini dobro dizajniranog aerodinamičnog tela, čime se smanjuje otpor diferencijalnog pritiska.
Osim oblika, hrapavost površine objekta također utiče na otpor. Općenito, što je površina glatkija, to je manji otpor trenja, ali ponekad je površina objekta namjerno hrapava, tako da granični sloj postaje turbulentan da inhibira odvajanje, čime se značajno smanjuje otpor diferencijalnog pritiska.
06
Rezimiraj
Prilikom analize aerodinamičkog otpora objekta, navika mehanike fluida je da ga podijeli prema obliku sile. Otpor uzrokovan tlakom koji djeluje okomito na površinu predmeta naziva se otpor diferencijalnog pritiska, dok se otpor uzrokovan silom trenja paralelnom s površinom objekta naziva otporom trenja. Budući da na površini objekta nema druge sile osim ove dvije sile, bilo koja vrsta otpora je ili otpor na razliku pritiska ili otpor trenja, ili oboje.
Otpor razlike pritiska uzrokovane razdvajanjem protoka i otpor razlike pritiska uzrokovan udarnim talasom najveći su faktori koji utiču na aerodinamički otpor objekata.
Podzvučni objekti niskog otpora imaju okrugle glave i šiljaste repove, dok nadzvučni objekti niskog otpora imaju zašiljene krajeve.
