Съпротивлението на потока е широкообхватен проблем. Разходът на гориво на автомобил при висока скорост идва главно от съпротивлението на въздуха, а не от съпротивлението на триене на земята. Причината, поради която смогът може да бъде "увиснал" във въздуха, също се дължи на съпротивлението на потока. Всичко това илюстрира важността на въздушното съпротивление.
01
Съпротивление на диференциално налягане и съпротивление на триене
От гледна точка на силата, съпротивлението на обекта е прякото действие на течността върху неговата повърхност. Това, което е перпендикулярно на повърхността на обекта, е налягането на течността, а съпротивлението, генерирано от него, се нарича съпротивление на диференциално налягане; това, което е успоредно на повърхността на обекта, е вискозната сила на срязване на течността, а генерираното от нея съпротивление се нарича съпротивление на триене. Освен тези две сили, няма друга сила. Следователно общото съпротивление на даден обект е резултантната сила на съпротивлението на разликата в налягането и съпротивлението на триене. Съпротивлението на разликата в налягането е тясно свързано с формата на обекта, а съпротивлението на триене е свързано главно с повърхността на обекта.
На някои места се казва, че в допълнение към устойчивостта на разликата в налягането и устойчивостта на триене има предизвикано съпротивление, устойчивост на ударна вълна и т.н., което е недоразумение. Всъщност както индуцираното съпротивление, така и съпротивлението на ударна вълна могат да бъдат приписани на устойчивост на разлика в налягането и устойчивост на триене (основно устойчивост на разлика в налягането).
02
съпротивление на формата задно съпротивление
От древни времена е известно, че обекти, движещи се във течност, ще изпитват съпротивление, а съпротивлението е тясно свързано с формата на обекта. Но първоначалната теория на механиката на флуидите стигна до обратното заключение. Въз основа на законите за движение на течността на Ойлер и Бернули, ако вискозитетът на течността се пренебрегне, течността няма да създаде съпротивление на обекти с каквато и да е форма, движещи се в нея.
Изглежда, че съпротивлението е изцяло причинено от вискозитета, но вискозитетът на въздуха е много малък и създаденото от него съпротивление на триене е много по-малко от действително измереното аеродинамично съпротивление. Това противоречие е известно в историята като "Парадоксът на Д'Аламбер", защото е предложено от френския математик Д'Аламбер.
Едва когато Prandtl представи теорията за граничния слой, хората наистина осъзнаха същността на съпротивлението на потока. Устойчивостта на разликата в налягането е основният компонент на аеродинамичното съпротивление, докато за общите обекти устойчивостта на разликата в налягането се дължи главно на разделянето на граничния слой.
Ранните хора (може би много хора мислят така сега) въз основа на някакъв вид "здрав разум" вярваха, че формата на предната част на обекта определя размера на съпротивлението и съпротивлението ще бъде малко, ако предната част е по-остра . С теорията на граничния слой е по-важно да се открие формата на задната част на обекта. Тъй като формата на гърба на обекта определя къде се разделя граничният слой и по този начин разпределението на налягането върху повърхността на обекта.
Обикновените риби и птици са с относително перфектни опростени тела, с кръгли глави и заострени опашки.
03
Съпротивление на формата Предно съпротивление
Въпреки че формата на задната част на обекта е решаваща за степента на съпротивление, формата на предната част също е важна. Например, ако предната част на обекта е квадратна, течността ще се отдели рано в острите ъгли и внимателно проектираната форма на задната част ще загуби значението си. За камионите, които в момента се движат по магистралата, постигнатата оптимизация на формата е съсредоточена главно върху предната част, а задната част е ограничена от формата на контейнера, така че е свършена по-малко работа. За обекти, движещи се с трансзвукова скорост, ударната вълна ще генерира допълнително съпротивление, така че предната част е проектирана в много заострена форма, така че ъгълът на конуса на ударната вълна да е по-малък, за да се намали съпротивлението.
04
Устойчивост на ударна вълна
Когато скоростта на входящия поток се доближи или надвиши скоростта на звука, ще се генерират ударни вълни, които ще донесат допълнителна устойчивост на ударна вълна. По същество устойчивостта на ударна вълна също е вид устойчивост на разлика в налягането, която се причинява от недостатъчно възстановяване на налягането в задната половина на обекта поради съществуването на ударни вълни. Пренебрегвайки вискозната загуба, когато няма ударна вълна, забавянето на въздушния поток във втората половина на обекта съответства на повишаване на налягането Δp1; когато има ударна вълна, въздушният поток губи частично част от механичната енергия при преминаване през ударната вълна и повишаването на налягането Δp2, съответстващо на същото забавяне, ще бъде по-малко от Δp1. Следователно, когато има ударна вълна, налягането в задната половина на обекта е малко по-ниско, което е източникът на съпротивлението на ударната вълна. Правенето на предния ръб на обекта остър може да намали ъгъла на ударния конус, като по този начин намали загубата, причинена от ударната вълна, и също така намали съпротивлението на ударната вълна. Когато корабът се движи по водната повърхност, той ще генерира повърхностни вълни и ще има съпротивление на вълните, така че трябва да бъде направен заострен, докато подводницата, пътуваща под водата, е заоблена.
Използването на загуба на енергия за обяснение на устойчивостта на ударна вълна не е достатъчно директно. В края на краищата, налягането и вискозната сила върху повърхността на обекта са факторите, които директно определят големината на съпротивлението. След това устойчивостта на ударна вълна се обяснява с промяната на повърхностното налягане на обекта.
05
Влияние на формата и качеството на повърхността върху съпротивлението
Намаляването на съпротивлението е вечна тема на механиката на течностите. Използването на обтекаеми линии може ефективно да намали устойчивостта на диференциално налягане, главно защото няма разделяне на граничния слой на повърхността на добре проектирано обтекаемо тяло, като по този начин се намалява съпротивлението на диференциално налягане.
В допълнение към формата, грапавостта на повърхността на обекта също влияе върху съпротивлението. Като цяло, колкото по-гладка е повърхността, толкова по-малко е съпротивлението на триене, но понякога повърхността на обекта е умишлено грапава, така че граничният слой става турбулентен, за да попречи на разделянето, като по този начин значително намалява съпротивлението на разликата в налягането.
06
Обобщете
Когато анализира аеродинамичното съпротивление на обект, навикът на механиката на флуидите е да го разделя според формата на силата. Съпротивлението, причинено от налягането, действащо вертикално върху повърхността на обекта, се нарича съпротивление на диференциално налягане, докато съпротивлението, причинено от силата на триене, успоредна на повърхността на обекта, се нарича съпротивление на триене. Тъй като върху повърхността на даден обект няма друга сила освен тези две сили, всеки вид съпротивление е или съпротивление на разликата в налягането, или съпротивление на триене, или и двете.
Съпротивлението на разликата в налягането, причинено от разделяне на потока, и съпротивлението на разликата в налягането, причинено от ударна вълна, са най-големите фактори, влияещи върху аеродинамичното съпротивление на обектите.
Дозвуковите обекти с ниско съпротивление имат кръгли глави и заострени опашки, докато свръхзвуковите обекти с ниско съпротивление имат заострени краища.
