Průtokový odpor je široký problém. Spotřeba paliva automobilu při vysoké rychlosti pochází především z odporu vzduchu spíše než z třecího odporu země. Důvodem, proč může být smog „zavěšen“ ve vzduchu, je také odpor proudění. To vše ilustruje důležitost odporu vzduchu.
01
Tlakový diferenciální odpor a třecí odpor
Z hlediska síly je odpor předmětu přímé působení tekutiny na jeho povrch. To, co je kolmé k povrchu předmětu, je tlak tekutiny a odpor, který vytváří, se nazývá odpor diferenciálního tlaku; co je rovnoběžné s povrchem předmětu, je viskózní smyková síla tekutiny a odpor, který vytváří, se nazývá třecí odpor. Kromě těchto dvou sil neexistuje žádná jiná síla. Proto je celkový odpor předmětu výslednou silou odporu tlakového rozdílu a odporu tření. Odpor tlakového rozdílu úzce souvisí s tvarem předmětu a odpor tření souvisí především s povrchem předmětu.
Někde se uvádí, že kromě odporu tlakového rozdílu a odporu tření existuje indukovaný odpor, odpor rázové vlny atd., což je nedorozumění. Ve skutečnosti lze indukovaný odpor i odpor rázové vlny připsat odporu tlakového rozdílu a odporu tření (hlavně odporu tlakového rozdílu).
02
tvarový odpor zadní odpor
Od starověku je známo, že předměty pohybující se v tekutině budou pociťovat odpor a odpor úzce souvisí s tvarem předmětu. Původní teorie mechaniky tekutin ale dospěla k opačnému závěru. Na základě zákonů pohybu tekutiny Eulera a Bernoulliho, pokud je viskozita tekutiny ignorována, tekutina nevytváří odpor vůči objektům jakéhokoli tvaru, které se v ní pohybují.
Zdá se, že odpor je zcela způsoben viskozitou, ale viskozita vzduchu je velmi malá a třecí odpor, který vytváří, je mnohem menší než aerodynamický odpor ve skutečnosti naměřený. Tento rozpor je v historii znám jako „D'Alembertův paradox“, protože jej navrhl francouzský matematik D'Alembert.
Teprve když Prandtl předložil teorii hraniční vrstvy, lidé si skutečně uvědomili podstatu odporu proudění. Odolnost proti tlakovému rozdílu je hlavní složkou aerodynamického odporu, zatímco u obecných objektů je odpor tlakového rozdílu způsoben především oddělením hraniční vrstvy.
Raní lidé (možná si to nyní mnozí myslí) na základě jakéhosi „selského rozumu“ věřili, že tvar přední části předmětu určuje velikost odporu a odpor bude malý, pokud bude přední část ostřejší. . S teorií hraniční vrstvy je důležitější objevit tvar zadní části objektu. Protože tvar zadní strany předmětu určuje, kde se odděluje mezní vrstva a tím i rozložení tlaku na povrchu předmětu.
Běžné ryby a ptáci jsou relativně dokonalá aerodynamická těla s kulatými hlavami a špičatými ocasy.
03
Odolnost tvaru Přední odpor
I když je pro velikost odporu rozhodující tvar zadní části objektu, důležitý je také tvar přední části. Pokud je například přední strana předmětu čtvercová, tekutina se v ostrých rozích brzy oddělí a pečlivě navržený tvar zadní části ztratí svůj význam. U kamionů, které v současnosti jezdí po dálnici, se dosažená tvarová optimalizace soustředí především na přední část a zadní část je omezena tvarem kontejneru, takže bylo odvedeno méně práce. U objektů pohybujících se transsonickou rychlostí bude rázová vlna generovat dodatečný odpor, takže přední část je navržena do velmi špičatého tvaru, takže úhel kužele rázové vlny je menší, aby se snížil odpor.
04
Odolnost proti rázové vlně
Když se rychlost příchozího proudu přiblíží nebo překročí rychlost zvuku, budou generovány rázové vlny, které přinesou dodatečný odpor rázové vlny. Odolnost rázové vlny je v podstatě také druhem tlakové diference odolnosti, která je způsobena nedostatečným obnovením tlaku v zadní polovině objektu v důsledku existence rázových vln. Zanedbáme-li ztrátu viskozity, kdy nedochází k rázové vlně, odpovídá zpomalení proudění vzduchu v druhé polovině objektu nárůstu tlaku Δp1; když dojde k rázové vlně, proud vzduchu při průchodu rázovou vlnou částečně ztratí část mechanické energie a nárůst tlaku Δp2 odpovídající stejnému zpomalení bude menší než Δp1. Proto při rázové vlně je tlak v zadní polovině objektu o něco nižší, což je zdrojem odporu rázové vlny. Zostření přední hrany předmětu může snížit úhel rázového kužele, čímž se sníží ztráta způsobená rázovou vlnou a také se sníží odpor rázové vlny. Když loď cestuje po vodní hladině, bude generovat povrchové vlny a má také vlnový odpor, takže by měla být zašpičatělá, zatímco ponorka, která se pohybuje pod vodou, je zaoblená.
Použití ztráty energie k vysvětlení odporu rázové vlny není dostatečně přímé. Tlak a viskózní síla na povrchu předmětu jsou totiž faktory, které přímo určují velikost odporu. Dále je odpor rázové vlny vysvětlen změnou povrchového tlaku předmětu.
05
Vliv tvaru a kvality povrchu na brzdu
Snižování odporu je věčným tématem mechaniky tekutin. Použití proudnic může účinně snížit diferenční tlakový odpor, především proto, že nedochází k oddělení mezní vrstvy na povrchu dobře navrženého proudnicového tělesa, čímž se snižuje diferenční tlakový odpor.
Kromě tvaru ovlivňuje odpor také drsnost povrchu objektu. Obecně platí, že čím hladší je povrch, tím menší je třecí odpor, ale někdy je povrch předmětu záměrně drsný, takže se mezní vrstva stává turbulentní, aby se zabránilo separaci, čímž se výrazně sníží tlakový diferenciální odpor.
06
Shrnout
Při analýze aerodynamického odporu předmětu je zvykem mechaniky tekutin dělit jej podle formy síly. Odpor způsobený tlakem působícím svisle na povrch předmětu se nazývá diferenční tlakový odpor, zatímco odpor způsobený třecí silou rovnoběžnou s povrchem předmětu se nazývá třecí odpor. Protože na povrchu předmětu nepůsobí žádná jiná síla než tyto dvě síly, jakýkoli druh odporu je buď odpor tlakového rozdílu nebo odpor tření, nebo obojí.
Odpor tlakového rozdílu způsobený separací proudění a odpor tlakového rozdílu způsobený rázovou vlnou jsou největšími faktory ovlivňujícími aerodynamický odpor objektů.
Podzvukové objekty s nízkým odporem mají kulaté hlavy a špičaté ocasy, zatímco nadzvukové objekty s nízkým odporem mají špičaté konce.
