Otpor protoku je problem širokog raspona. Potrošnja goriva automobila pri velikim brzinama uglavnom dolazi od otpora zraka, a ne od otpora trenja tla. Razlog zašto se smog može "zadržati" u zraku također je otpor strujanju. Sve ovo ilustrira važnost otpora zraka.
01
Otpor diferencijalnog tlaka i otpor trenja
S gledišta sile, otpor predmeta je izravno djelovanje tekućine na njegovu površinu. Ono što je okomito na površinu objekta je tlak fluida, a otpor koji on stvara naziva se otporom diferencijalnog tlaka; ono što je paralelno s površinom objekta je viskozna sila smicanja tekućine, a otpor koji ona stvara naziva se otpor trenja. Osim ove dvije sile, nema druge sile. Stoga je ukupni otpor objekta rezultantna sila otpora razlike tlakova i otpora trenja. Otpor razlike tlaka usko je povezan s oblikom predmeta, a otpor trenja uglavnom je povezan s površinom predmeta.
Na nekim mjestima se kaže da osim otpora na razliku tlaka i otpora na trenje, postoje inducirani otpor, otpor udarnog vala itd., što je nesporazum. Zapravo, i inducirani otpor i otpor udarnog vala mogu se pripisati otporu razlike tlaka i otporu trenja (uglavnom otporu razlike tlaka).
02
oblik otpora stražnji otpor
Od davnina je poznato da će objekti koji se kreću u tekućini doživjeti otpor, a otpor je usko povezan s oblikom predmeta. Ali izvorna teorija mehanike fluida došla je do suprotnog zaključka. Na temelju Eulerovih i Bernoullijevih zakona o gibanju tekućine, ako se zanemari viskoznost tekućine, tekućina neće stvarati otpor objektima bilo kojeg oblika koji se kreću u njoj.
Čini se da je otpor u potpunosti uzrokovan viskoznošću, ali viskoznost zraka je vrlo mala, a otpor trenja koji stvara mnogo je manji od stvarno izmjerenog aerodinamičkog otpora. Ova je kontradikcija u povijesti poznata kao "D'Alembertov paradoks" jer ju je predložio francuski matematičar D'Alembert.
Tek kada je Prandtl iznio teoriju graničnog sloja, ljudi su stvarno shvatili bit otpora protoku. Otpor na razliku tlaka glavna je komponenta aerodinamičkog otpora, dok je za općenite objekte otpor na razliku tlaka uglavnom posljedica odvajanja graničnog sloja.
Rani ljudi (možda mnogi sada tako misle) na temelju nekakvog "zdravog razuma" vjerovali su da oblik prednjeg dijela predmeta određuje veličinu otpora, a otpor će biti mali ako je prednji dio oštriji . S teorijom graničnog sloja važnije je otkriti oblik stražnjeg dijela objekta. Budući da oblik stražnje strane objekta određuje gdje se granični sloj odvaja, a time i raspodjelu tlaka na površini objekta.
Obične ribe i ptice relativno su savršenog aerodinamičnog tijela, s okruglim glavama i šiljastim repovima.
03
Otpor oblika Prednji otpor
Iako je oblik stražnjeg dijela objekta odlučujući za količinu otpora, oblik prednjeg dijela također je važan. Na primjer, ako je prednja strana predmeta četvrtasta, tekućina će se rano odvojiti na oštrim uglovima, a pomno dizajnirani oblik stražnje strane izgubit će smisao. Za kamione koji trenutno voze autocestom, postignuta optimizacija oblika uglavnom je koncentrirana na prednji dio, a stražnji dio ograničen je oblikom kontejnera, tako da je učinjeno manje posla. Za objekte koji se kreću transoničnom brzinom, udarni val će generirati dodatni otpor, tako da je prednji dio dizajniran u vrlo šiljasti oblik, tako da je kut stošca udarnog vala manji kako bi se smanjio otpor.
04
Otpornost na udarni val
Kada se brzina dolaznog protoka približi ili premaši brzinu zvuka, generirat će se udarni valovi koji će donijeti dodatni otpor udarnom valu. U biti, otpor udarnog vala također je vrsta otpora razlike tlaka, koja je uzrokovana nedovoljnim povratom tlaka u stražnjoj polovici objekta zbog postojanja udarnih valova. Zanemarujući gubitak viskoznosti, kada nema udarnog vala, usporavanje protoka zraka u drugoj polovici objekta odgovara porastu tlaka Δp1; kada postoji udarni val, protok zraka djelomično gubi dio mehaničke energije prolazeći kroz udarni val, a porast tlaka Δp2 koji odgovara istom usporavanju bit će manji od Δp1. Stoga, kada postoji udarni val, tlak u stražnjoj polovici objekta je malo niži, što je izvor otpora udarnog vala. Izoštravanje prednjeg ruba predmeta može smanjiti kut udarnog stošca, čime se smanjuje gubitak uzrokovan udarnim valom, a također smanjuje otpor udarnog vala. Kada brod putuje po vodenoj površini, on će stvarati površinske valove, a također će imati otpor valova, stoga ga treba napraviti šiljastim, dok je podmornica koja putuje pod vodom zaobljena.
Korištenje gubitka energije za objašnjenje otpora udarnog vala nije dovoljno izravno. Uostalom, tlak i viskozna sila na površini objekta su čimbenici koji izravno određuju veličinu otpora. Dalje, otpor udarnog vala objašnjava se promjenom površinskog tlaka objekta.
05
Utjecaj oblika i kvalitete površine na otpor
Smanjenje otpora vječna je tema mehanike fluida. Korištenje aerodinamičkih linija može učinkovito smanjiti otpornost diferencijalnog tlaka, uglavnom zato što nema odvajanja graničnog sloja na površini dobro dizajniranog aerodinamičnog tijela, čime se smanjuje otpornost diferencijalnog tlaka.
Osim oblika, hrapavost površine predmeta također utječe na otpor. Općenito, što je glatkija površina, manji je otpor trenja, ali ponekad je površina objekta namjerno hrapava, tako da granični sloj postaje turbulentan kako bi spriječio odvajanje, čime se značajno smanjuje otpor diferencijalnog tlaka.
06
Rezimirati
Kada se analizira aerodinamički otpor objekta, mehanika fluida ima običaj podijeliti ga prema obliku sile. Otpor uzrokovan tlakom koji djeluje okomito na površinu predmeta naziva se otpor diferencijalnog tlaka, dok se otpor uzrokovan silom trenja paralelno s površinom predmeta naziva otporom trenja. Budući da na površini predmeta ne postoji druga sila osim ove dvije sile, svaka vrsta otpora je ili otpor razlike tlaka ili otpor trenja, ili oboje.
Otpor razlike tlaka uzrokovan odvajanjem protoka i otpor razlike tlaka uzrokovan udarnim valom najveći su čimbenici koji utječu na aerodinamički otpor objekata.
Podzvučni objekti niskog otpora imaju okrugle glave i šiljate repove, dok nadzvučni objekti niskog otpora imaju šiljate krajeve.
