La resistenza al flusso è un problema di vasta portata. Il consumo di carburante di un'auto ad alta velocità deriva principalmente dalla resistenza dell'aria piuttosto che dalla resistenza di attrito del suolo. Il motivo per cui lo smog può essere "sospeso" nell'aria è dovuto anche alla resistenza al flusso. Tutto ciò illustra l'importanza della resistenza dell'aria.
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Resistenza differenziale di pressione e resistenza di attrito
Dal punto di vista della forza, la resistenza dell'oggetto è l'azione diretta del fluido sulla sua superficie. Ciò che è perpendicolare alla superficie dell'oggetto è la pressione del fluido, e la resistenza da esso generata si chiama resistenza alla pressione differenziale; ciò che è parallelo alla superficie dell'oggetto è la forza di taglio viscosa del fluido, e la resistenza generata da esso è chiamata resistenza di attrito. A parte queste due forze, non c'è altra forza. Pertanto, la resistenza totale di un oggetto è la forza risultante della resistenza alla differenza di pressione e della resistenza all'attrito. La resistenza alla differenza di pressione è strettamente correlata alla forma dell'oggetto e la resistenza all'attrito è principalmente correlata alla superficie dell'oggetto.
Alcuni luoghi dicono che oltre alla resistenza alla differenza di pressione e alla resistenza all'attrito, ci sono resistenza indotta, resistenza alle onde d'urto, ecc., Il che è un malinteso. Infatti, sia la resistenza indotta che la resistenza alle onde d'urto possono essere attribuite alla resistenza alla differenza di pressione e alla resistenza all'attrito (principalmente resistenza alla differenza di pressione).
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resistenza alla forma resistenza posteriore
È noto fin dall'antichità che gli oggetti che si muovono in un fluido subiranno resistenza e la resistenza è strettamente correlata alla forma dell'oggetto. Ma la teoria originale della meccanica dei fluidi giunse alla conclusione opposta. In base alle leggi del moto fluido di Eulero e Bernoulli, se la viscosità del fluido viene ignorata, il fluido non produrrà resistenza agli oggetti di qualsiasi forma che si muovono in esso.
Sembra che la resistenza sia completamente causata dalla viscosità, ma la viscosità dell'aria è molto piccola e la resistenza di attrito da essa prodotta è molto inferiore alla resistenza aerodinamica effettivamente misurata. Questa contraddizione è nota nella storia come "paradosso di D'Alembert" perché proposta dal matematico francese D'Alembert.
Fu solo quando Prandtl avanzò la teoria dello strato limite che le persone realizzarono davvero l'essenza della resistenza al flusso. La resistenza alla differenza di pressione è la componente principale della resistenza aerodinamica, mentre per gli oggetti generici, la resistenza alla differenza di pressione è principalmente dovuta alla separazione dello strato limite.
Le prime persone (forse molte persone la pensano così ora) basate su una sorta di "buon senso", credevano che la forma della parte anteriore dell'oggetto determinasse la dimensione della resistenza, e la resistenza sarebbe piccola se la parte anteriore è più affilata . Con la teoria dello strato limite, è più importante scoprire la forma della parte posteriore dell'oggetto. Perché la forma della parte posteriore dell'oggetto determina dove si separa lo strato limite e quindi la distribuzione della pressione sulla superficie dell'oggetto.
I pesci e gli uccelli comuni sono corpi aerodinamici relativamente perfetti, con teste rotonde e code appuntite.
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Resistenza alla forma Resistenza frontale
Sebbene la forma della parte posteriore dell'oggetto sia decisiva per la quantità di resistenza, anche la forma della parte anteriore è importante. Ad esempio, se la parte anteriore dell'oggetto è quadrata, il fluido si separerà presto agli angoli acuti e la forma accuratamente progettata della parte posteriore perderà il suo significato. Per i camion attualmente in circolazione in autostrada, l'ottimizzazione della forma che è stata ottenuta si concentra principalmente sulla parte anteriore, mentre la parte posteriore è limitata dalla forma del container, quindi è stato fatto meno lavoro. Per gli oggetti che si muovono a velocità transonica, l'onda d'urto genererà una resistenza aggiuntiva, quindi la parte anteriore è progettata in una forma molto appuntita, in modo che l'angolo del cono dell'onda d'urto sia più piccolo per ridurre la resistenza.
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Resistenza alle onde d'urto
Quando la velocità del flusso in entrata si avvicina o supera la velocità del suono, verranno generate onde d'urto, che porteranno ulteriore resistenza alle onde d'urto. In sostanza, la resistenza all'onda d'urto è anche una sorta di resistenza alla differenza di pressione, causata da un insufficiente recupero di pressione nella metà posteriore dell'oggetto a causa dell'esistenza di onde d'urto. Trascurando la perdita viscosa, in assenza di onda d'urto, la decelerazione del flusso d'aria nella seconda metà dell'oggetto corrisponde ad un aumento di pressione Δp1; quando c'è un'onda d'urto, il flusso d'aria perde parzialmente parte dell'energia meccanica quando passa attraverso l'onda d'urto, e l'aumento di pressione Δp2 corrispondente alla stessa decelerazione sarà minore di Δp1. Pertanto, quando c'è un'onda d'urto, la pressione nella metà posteriore dell'oggetto è leggermente inferiore, che è la fonte della resistenza dell'onda d'urto. Rendere affilato il bordo anteriore dell'oggetto può ridurre l'angolo del cono d'urto, riducendo così la perdita causata dall'onda d'urto e riducendo anche la resistenza dell'onda d'urto. Quando la nave viaggia sulla superficie dell'acqua, genererà onde superficiali e avrà anche resistenza alle onde, quindi dovrebbe essere appuntita, mentre il sottomarino che viaggia sott'acqua è arrotondato.
Usare la perdita di energia per spiegare la resistenza delle onde d'urto non è abbastanza diretto. Dopotutto, la pressione e la forza viscosa sulla superficie di un oggetto sono i fattori che determinano direttamente l'entità della resistenza. Successivamente, la resistenza all'onda d'urto è spiegata dal cambiamento della pressione superficiale dell'oggetto.
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Effetto della forma e della qualità della superficie sulla resistenza
La riduzione della resistenza è un tema eterno della meccanica dei fluidi. L'uso di linee di flusso può ridurre efficacemente la resistenza alla pressione differenziale, principalmente perché non vi è alcuna separazione dello strato limite sulla superficie di un corpo aerodinamico ben progettato, riducendo così la resistenza alla pressione differenziale.
Oltre alla forma, anche la ruvidità della superficie di un oggetto influisce sul trascinamento. Generalmente, più liscia è la superficie, minore è la resistenza all'attrito, ma a volte la superficie dell'oggetto è intenzionalmente ruvida, in modo che lo strato limite diventi turbolento per inibire la separazione, riducendo così in modo significativo la resistenza differenziale di pressione.
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Riassumere
Quando si analizza la resistenza aerodinamica di un oggetto, l'abitudine della meccanica dei fluidi è quella di suddividerla in base alla forma della forza. La resistenza causata dalla pressione che agisce verticalmente sulla superficie dell'oggetto è chiamata resistenza alla pressione differenziale, mentre la resistenza causata dalla forza di attrito parallela alla superficie dell'oggetto è chiamata resistenza d'attrito. Poiché non esiste forza diversa da queste due forze sulla superficie di un oggetto, qualsiasi tipo di resistenza è o resistenza alla differenza di pressione o resistenza all'attrito, o entrambe.
La resistenza alla differenza di pressione causata dalla separazione del flusso e la resistenza alla differenza di pressione causata dall'onda d'urto sono i maggiori fattori che influenzano la resistenza aerodinamica degli oggetti.
Gli oggetti subsonici a bassa resistenza hanno teste rotonde e code appuntite, mentre gli oggetti supersonici a bassa resistenza hanno estremità appuntite.
