ความต้านทานของของไหลคืออะไร

การต้านทานการไหลเป็นปัญหาที่หลากหลาย การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงของรถยนต์ที่ความเร็วสูงส่วนใหญ่มาจากแรงต้านของอากาศมากกว่าแรงเสียดทานของพื้น สาเหตุที่หมอกควันสามารถ "แขวนลอย" ในอากาศได้ก็เนื่องมาจากแรงต้านการไหล ทั้งหมดนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของแรงต้านอากาศ

ความต้านทานความแตกต่างของแรงดันและความต้านทานแรงเสียดทาน

จากมุมมองของแรง แรงต้านทานของวัตถุคือการกระทำโดยตรงของของไหลบนพื้นผิวของมัน สิ่งที่ตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุคือแรงดันของของไหล และความต้านทานที่เกิดจากวัตถุนั้นเรียกว่าการต้านทานแรงดันส่วนต่าง สิ่งที่ขนานกับพื้นผิวของวัตถุคือแรงเฉือนหนืดของของไหล และแรงต้านที่เกิดจากแรงเสียดทานเรียกว่าแรงเสียดทาน นอกจากสองแรงนี้แล้ว ก็ไม่มีแรงอื่นใดอีก ดังนั้น แรงต้านรวมของวัตถุจึงเป็นแรงลัพธ์ของแรงต้านความแตกต่างของแรงดันและแรงต้านแรงเสียดทาน ความต้านทานความแตกต่างของแรงดันมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับรูปร่างของวัตถุ และความต้านทานแรงเสียดทานส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ผิวของวัตถุ

บางแห่งกล่าวว่านอกจากความต้านทานความแตกต่างของแรงดันและความต้านทานแรงเสียดทานแล้ว ยังมีความต้านทานเหนี่ยวนำ ความต้านทานคลื่นกระแทก ฯลฯ ซึ่งเป็นความเข้าใจที่ผิด ในความเป็นจริงทั้งความต้านทานการเหนี่ยวนำและความต้านทานคลื่นกระแทกสามารถเกิดจากความต้านทานความแตกต่างของแรงดันและความต้านทานแรงเสียดทาน (ความต้านทานความแตกต่างของแรงดันเป็นหลัก)

ความต้านทานต่อรูปร่าง ความต้านทานหลัง

เป็นที่ทราบกันมาตั้งแต่สมัยโบราณว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ในของไหลจะมีแรงต้าน และแรงต้านนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับรูปร่างของวัตถุ แต่ทฤษฎีเดิมของกลศาสตร์ของไหลได้ข้อสรุปที่ตรงกันข้าม ตามกฎการเคลื่อนที่ของของไหลของออยเลอร์และแบร์นูลลี หากไม่สนใจความหนืดของของไหล ของไหลจะไม่สร้างความต้านทานต่อวัตถุที่มีรูปร่างใดๆ ที่เคลื่อนที่อยู่ในนั้น

ดูเหมือนว่าแรงต้านนั้นเกิดจากความหนืดอย่างสมบูรณ์ แต่ความหนืดของอากาศนั้นน้อยมาก และแรงเสียดทานที่เกิดจากอากาศนั้นน้อยกว่าค่าความต้านทานแอโรไดนามิกที่วัดได้จริง ความขัดแย้งนี้เป็นที่รู้จักในประวัติศาสตร์ในชื่อ "D'Alembert's Paradox" เพราะมันถูกเสนอโดย D'Alembert นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส

จนกระทั่ง Prandtl นำเสนอทฤษฎีชั้นขอบเขตที่ผู้คนตระหนักถึงแก่นแท้ของการต้านทานการไหลอย่างแท้จริง ความต้านทานความแตกต่างของความดันเป็นองค์ประกอบหลักของความต้านทานต่ออากาศพลศาสตร์ ในขณะที่วัตถุทั่วไป ความต้านทานความแตกต่างของความดันมีสาเหตุหลักมาจากการแยกชั้นของขอบเขต

คนสมัยก่อน (ตอนนี้หลายคนอาจจะคิดอย่างนั้น) ตาม "สามัญสำนึก" บางอย่าง เชื่อว่ารูปร่างของส่วนหน้าของวัตถุจะเป็นตัวกำหนดขนาดของแรงต้าน และแรงต้านจะน้อยถ้าส่วนหน้าคมกว่า . ด้วยทฤษฎีขอบเขตชั้น การค้นพบรูปร่างด้านหลังของวัตถุมีความสำคัญมากกว่า เนื่องจากรูปร่างของด้านหลังของวัตถุจะเป็นตัวกำหนดตำแหน่งที่ชั้นขอบเขตแยกออกจากกัน และด้วยเหตุนี้จึงเกิดการกระจายแรงกดบนพื้นผิวของวัตถุ

ปลาและนกทั่วๆ ไปมีลำตัวเพรียวค่อนข้างสมบูรณ์ มีหัวกลมและหางแหลม

ความต้านทานต่อรูปร่าง ความต้านทานด้านหน้า

แม้ว่ารูปร่างของด้านหลังของวัตถุจะเป็นตัวกำหนดปริมาณการลาก แต่รูปร่างของด้านหน้าก็มีความสำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น หากด้านหน้าของวัตถุเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส ของไหลจะแยกออกจากกันตั้งแต่เนิ่นๆ ที่มุมแหลม และรูปทรงด้านหลังที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันจะสูญเสียความหมายไป สำหรับรถบรรทุกที่วิ่งบนทางหลวงในปัจจุบัน การปรับรูปร่างให้เหมาะสมนั้นเน้นที่ส่วนหน้าเป็นหลัก และส่วนหลังถูกจำกัดด้วยรูปทรงของคอนเทนเนอร์ ดังนั้นจึงทำงานน้อยลง สำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วทรานโซนิก คลื่นกระแทกจะสร้างแรงต้านเพิ่มเติม ดังนั้นส่วนหน้าจึงออกแบบให้มีรูปร่างแหลมมาก เพื่อให้มุมกรวยของคลื่นกระแทกมีขนาดเล็กลงเพื่อลดแรงต้าน

ความต้านทานคลื่นกระแทก

เมื่อความเร็วของกระแสที่เข้ามาใกล้หรือเกินความเร็วของเสียง คลื่นกระแทกจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งจะทำให้ความต้านทานคลื่นกระแทกเพิ่มขึ้น โดยพื้นฐานแล้ว การต้านทานคลื่นกระแทกยังเป็นการต้านทานความแตกต่างของแรงดัน ซึ่งเกิดจากการนำแรงดันกลับคืนไม่เพียงพอในครึ่งหลังของวัตถุเนื่องจากการมีอยู่ของคลื่นกระแทก ละเลยการสูญเสียความหนืด เมื่อไม่มีคลื่นกระแทก การชะลอตัวของการไหลของอากาศในช่วงครึ่งหลังของวัตถุจะสอดคล้องกับความดันที่เพิ่มขึ้น Δp1 เมื่อมีคลื่นกระแทก การไหลของอากาศจะสูญเสียพลังงานกลบางส่วนเมื่อผ่านคลื่นกระแทก และความดันที่เพิ่มขึ้น Δp2 ที่สอดคล้องกับการชะลอตัวเดียวกันจะน้อยกว่า Δp1 ดังนั้นเมื่อมีคลื่นกระแทก ความดันในครึ่งหลังของวัตถุจะลดลงเล็กน้อย ซึ่งเป็นที่มาของการต้านทานคลื่นกระแทก การทำให้ขอบด้านหน้าของวัตถุมีความคมสามารถลดมุมของกรวยกระแทกได้ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียที่เกิดจากคลื่นกระแทก และยังช่วยลดความต้านทานของคลื่นกระแทกอีกด้วย เมื่อเรือแล่นบนผิวน้ำ มันจะสร้างคลื่นผิวน้ำและมีการต้านคลื่นด้วย ดังนั้นควรทำให้แหลม ในขณะที่เรือดำน้ำที่เดินทางใต้น้ำจะมีลักษณะโค้งมน

การใช้การสูญเสียพลังงานเพื่ออธิบายการต้านทานคลื่นกระแทกนั้นไม่เพียงพอ ท้ายที่สุด ความดันและแรงหนืดบนพื้นผิวของวัตถุเป็นปัจจัยที่กำหนดขนาดของความต้านทานโดยตรง ถัดไป ความต้านทานคลื่นกระแทกจะอธิบายได้จากการเปลี่ยนแปลงของความดันพื้นผิวของวัตถุ

ผลกระทบของรูปร่างและคุณภาพพื้นผิวต่อการลาก
การลดแรงต้านเป็นธีมนิรันดร์ของกลศาสตร์ของไหล การใช้สตรีมไลน์สามารถลดความต้านทานแรงดันดิฟเฟอเรนเชียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่วนใหญ่เป็นเพราะไม่มีการแบ่งชั้นขอบเขตบนพื้นผิวของตัวเครื่องที่ออกแบบมาอย่างดี ซึ่งจะช่วยลดการต้านทานแรงดันดิฟเฟอเรนเชียล

นอกจากรูปร่างแล้ว ความขรุขระของพื้นผิวของวัตถุยังส่งผลต่อการลากด้วย โดยทั่วไป ยิ่งพื้นผิวเรียบ ความต้านทานแรงเสียดทานก็จะยิ่งน้อยลง แต่บางครั้งพื้นผิวของวัตถุก็จงใจให้หยาบ เพื่อให้ชั้นขอบเขตเกิดการปั่นป่วนเพื่อยับยั้งการแยกตัว ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานความแตกต่างของแรงดันได้อย่างมาก

สรุป

เมื่อวิเคราะห์แรงต้านอากาศพลศาสตร์ของวัตถุ นิสัยของกลศาสตร์ของไหลคือการแบ่งตามรูปแบบของแรง แรงต้านที่เกิดจากแรงกดที่กระทำในแนวดิ่งบนพื้นผิวของวัตถุเรียกว่า แรงต้านแรงดันส่วนต่าง ในขณะที่แรงต้านที่เกิดจากแรงเสียดทานที่ขนานกับพื้นผิวของวัตถุเรียกว่า แรงต้านแรงเสียดทาน เนื่องจากไม่มีแรงอื่นใดนอกจากแรงสองแรงนี้บนพื้นผิวของวัตถุ แรงต้านใดๆ ก็ตามคือแรงต้านความแตกต่างของแรงดันหรือแรงเสียดทาน หรือทั้งสองอย่าง

ความต้านทานความแตกต่างของแรงดันที่เกิดจากการแยกตัวของกระแสและความต้านทานความแตกต่างของแรงดันที่เกิดจากคลื่นกระแทกเป็นปัจจัยที่ใหญ่ที่สุดที่ส่งผลต่อความต้านทานทางอากาศพลศาสตร์ของวัตถุ

วัตถุที่มีความต้านทานต่ำแบบเปรี้ยงปร้างจะมีหัวกลมและหางแหลม ในขณะที่วัตถุที่มีความต้านทานต่ำที่มีความเร็วเหนือเสียงจะมีปลายแหลม