Az áramlási ellenállás széles körű probléma. A nagy sebességű autók üzemanyag-fogyasztása elsősorban a légellenállásból, nem pedig a talajsúrlódási ellenállásból adódik. A szmog „felfüggesztése” a levegőben is az áramlási ellenállásnak köszönhető. Mindezek jól mutatják a légellenállás fontosságát.
01
Nyomáskülönbség-ellenállás és súrlódási ellenállás
Az erő szempontjából a tárgy ellenállása a folyadék közvetlen hatása a felületére. Ami a tárgy felületére merőleges, az a folyadék nyomása, az általa keltett ellenállást pedig nyomáskülönbség-ellenállásnak nevezzük; ami párhuzamos a tárgy felületével, az a folyadék viszkózus nyíróereje, az általa keltett ellenállást pedig súrlódási ellenállásnak nevezzük. Ezen a két erőn kívül nincs más erő. Ezért egy tárgy teljes ellenállása a nyomáskülönbség-ellenállás és a súrlódási ellenállás eredő ereje. A nyomáskülönbség-ellenállás szorosan összefügg a tárgy alakjával, a súrlódási ellenállás pedig főként a tárgy felületével.
Egyes helyeken azt mondják, hogy a nyomáskülönbség-ellenállás és a súrlódási ellenállás mellett van indukált ellenállás, lökéshullám-ellenállás stb., ami félreértés. Valójában mind az indukált ellenállás, mind a lökéshullám-ellenállás a nyomáskülönbség-ellenállásnak és a súrlódási ellenállásnak (főleg a nyomáskülönbség-ellenállásnak) tulajdonítható.
02
alakellenállás hátsó ellenállás
Ősidők óta ismert, hogy a folyadékban mozgó tárgyak ellenállást tapasztalnak, és az ellenállás szorosan összefügg a tárgy alakjával. A folyadékmechanika eredeti elmélete azonban az ellenkező következtetésre jutott. Euler és Bernoulli folyadékmozgási törvényei alapján, ha a folyadék viszkozitását figyelmen kívül hagyjuk, a folyadék nem fog ellenállni a benne mozgó bármilyen alakú tárgyaknak.
Úgy tűnik, hogy az ellenállást teljes mértékben a viszkozitás okozza, de a levegő viszkozitása nagyon kicsi, és az általa keltett súrlódási ellenállás sokkal kisebb, mint a ténylegesen mért aerodinamikai ellenállás. Ezt az ellentmondást a történelem "D'Alembert-paradoxonként" ismeri, mert D'Alembert francia matematikus javasolta.
Az emberek csak akkor ismerték fel igazán az áramlási ellenállás lényegét, amíg Prandtl elő nem terjesztette a határréteg-elméletet. A nyomáskülönbség-ellenállás az aerodinamikai ellenállás fő összetevője, míg az általános tárgyaknál a nyomáskülönbség-ellenállás főként a határréteg-leválásnak köszönhető.
A korai emberek (ma már talán sokan így gondolják) valamiféle "józan ész" alapján azt hitték, hogy a tárgy elülső részének formája határozza meg az ellenállás nagyságát, és az ellenállás kicsi lesz, ha az elülső rész élesebb. . A határréteg-elméletnél fontosabb az objektum hátsó részének alakjának felfedezése. Ugyanis az objektum hátoldalának formája határozza meg, hogy hol válik el a határréteg és így a nyomáseloszlás a tárgy felületén.
A közönséges halak és madarak viszonylag tökéletes, áramvonalas testek, kerek fejjel és hegyes farokkal.
03
Alakellenállás Elülső ellenállás
Bár az objektum hátuljának formája meghatározó a légellenállás mértékében, az előlap formája is fontos. Például, ha az objektum eleje négyzet alakú, akkor az éles sarkoknál korán elválik a folyadék, és a hátsó rész gondosan megtervezett formája értelmét veszti. A jelenleg autópályán közlekedő teherautóknál az elért formaoptimalizálás elsősorban az első részre koncentrálódik, a hátsó részt pedig a konténer formája korlátozza, így kevesebb munka történt. A transzonikus sebességgel mozgó tárgyaknál a lökéshullám további ellenállást generál, ezért az elülső részt nagyon hegyesre tervezték, így a lökéshullám kúpszöge kisebb az ellenállás csökkentése érdekében.
04
Lökéshullám ellenállás
Amikor a bejövő áramlás sebessége megközelíti vagy meghaladja a hangsebességet, lökéshullámok keletkeznek, amelyek további lökéshullám-ellenállást hoznak létre. Lényegében a lökéshullám-ellenállás egyfajta nyomáskülönbség-ellenállás is, amelyet a lökéshullámok megléte miatti elégtelen nyomásvisszaállás okoz az objektum hátsó felében. A viszkózus veszteséget figyelmen kívül hagyva, ha nincs lökéshullám, a légáramlás lassulása a tárgy második felében Δp1 nyomásemelkedésnek felel meg; lökéshullám esetén a légáramlás a lökéshullámon áthaladva részben elveszíti mechanikai energiájának egy részét, és az azonos lassulásnak megfelelő Δp2 nyomásemelkedés kisebb lesz, mint Δp1. Ezért lökéshullám esetén a tárgy hátsó felében a nyomás valamivel alacsonyabb, ami a lökéshullám ellenállásának forrása. A tárgy elülső élének élessé tétele csökkentheti a lökéskúp szögét, ezáltal csökkentve a lökéshullám okozta veszteséget, és csökkentheti a lökéshullám ellenállását is. Amikor a hajó a víz felszínén halad, felszíni hullámokat kelt, és hullámellenállása is van, ezért hegyesre kell tenni, míg a víz alatt közlekedő tengeralattjárót lekerekítették.
Az energiaveszteség használata a lökéshullám-ellenállás magyarázatára nem elég közvetlen. Végül is a nyomás és a viszkózus erő egy tárgy felületén azok a tényezők, amelyek közvetlenül meghatározzák az ellenállás nagyságát. Ezután a lökéshullám-ellenállást a tárgy felületi nyomásának változásával magyarázzuk.
05
Az alak és a felület minőségének hatása a légellenállásra
Az ellenállás csökkentése a folyadékmechanika örök témája. Az áramvonalak használatával hatékonyan csökkenthető a nyomáskülönbség-ellenállás, főként azért, mert a jól megtervezett áramvonalas test felületén nincs határréteg-elválás, ezáltal csökken a nyomáskülönbség-ellenállás.
Az alakon kívül az objektum felületi érdessége is befolyásolja a légellenállást. Általában minél simább a felület, annál kisebb a súrlódási ellenállás, de néha a tárgy felülete szándékosan érdes, így a határréteg turbulenssé válik, hogy megakadályozza a szétválást, ezáltal jelentősen csökken a nyomáskülönbség ellenállása.
06
Összesít
Egy tárgy aerodinamikai ellenállásának elemzésekor a folyadékmechanika szokása, hogy azt az erőforma szerint osztja fel. A tárgy felületére függőlegesen ható nyomás okozta ellenállást nyomáskülönbség-ellenállásnak, míg a tárgy felületével párhuzamos súrlódási erő okozta ellenállást súrlódási ellenállásnak nevezzük. Mivel ezen a két erőn kívül nincs más erő egy tárgy felületén, bármilyen ellenállás vagy nyomáskülönbség-ellenállás, vagy súrlódási ellenállás, vagy mindkettő.
Az áramlási szétválás okozta nyomáskülönbség-ellenállás és a lökéshullám okozta nyomáskülönbség-ellenállás a tárgyak aerodinamikai ellenállását leginkább befolyásoló tényezők.
A szubszonikus kis ellenállású tárgyaknak kerek fejük és hegyes farkuk van, míg a szuperszonikus kis ellenállású tárgyaknak hegyes végük van.
