مقاومة التدفق مشكلة واسعة النطاق. يأتي استهلاك وقود السيارة بسرعة عالية بشكل أساسي من مقاومة الهواء بدلاً من مقاومة الاحتكاك الأرضي. يرجع سبب "تعليق" الضباب الدخاني في الهواء أيضًا إلى مقاومة التدفق. كل هذه توضح أهمية مقاومة الهواء.
01
مقاومة الضغط التفاضلي ومقاومة الاحتكاك
من وجهة نظر القوة ، فإن مقاومة الجسم هي العمل المباشر للسائل على سطحه. ما هو عمودي على سطح الجسم هو ضغط السائل ، وتسمى المقاومة الناتجة عنه مقاومة الضغط التفاضلي ؛ ما يوازي سطح الجسم هو قوة القص اللزجة للسائل ، وتسمى المقاومة الناتجة عنها مقاومة الاحتكاك. باستثناء هاتين القوتين ، لا توجد قوة أخرى. لذلك ، فإن المقاومة الكلية لجسم ما هي القوة الناتجة لمقاومة فرق الضغط ومقاومة الاحتكاك. ترتبط مقاومة فرق الضغط ارتباطًا وثيقًا بشكل الجسم ، وترتبط مقاومة الاحتكاك بشكل أساسي بمساحة سطح الجسم.
تقول بعض الأماكن أنه بالإضافة إلى مقاومة فرق الضغط ومقاومة الاحتكاك ، هناك مقاومة مستحثة ، ومقاومة لموجة الصدمة ، وما إلى ذلك ، وهو سوء فهم. في الواقع ، يمكن أن تعزى المقاومة المستحثة ومقاومة موجة الصدمة إلى مقاومة فرق الضغط ومقاومة الاحتكاك (مقاومة فرق الضغط بشكل أساسي).
02
مقاومة الشكل الخلفي
من المعروف منذ العصور القديمة أن الأجسام المتحركة في السائل ستواجه مقاومة ، والمقاومة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بشكل الجسم. لكن النظرية الأصلية لميكانيكا الموائع توصلت إلى نتيجة معاكسة. استنادًا إلى قوانين حركة السوائل في أويلر وبرنولي ، إذا تم تجاهل لزوجة السائل ، فلن ينتج السائل مقاومة للأجسام من أي شكل تتحرك فيه.
يبدو أن المقاومة ناتجة تمامًا عن اللزوجة ، لكن لزوجة الهواء صغيرة جدًا ، ومقاومة الاحتكاك الناتجة عنها أصغر بكثير من المقاومة الديناميكية الهوائية المقاسة بالفعل. يُعرف هذا التناقض في التاريخ باسم "مفارقة دالمبرت" لأنه اقترحه عالم الرياضيات الفرنسي دالمبرت.
لم يكن الأمر كذلك حتى طرح برانتل نظرية الطبقة الحدودية التي أدرك فيها الناس حقًا جوهر مقاومة التدفق. مقاومة فرق الضغط هي المكون الرئيسي للمقاومة الديناميكية الهوائية ، بينما بالنسبة للأجسام العامة ، فإن مقاومة فرق الضغط ترجع أساسًا إلى فصل الطبقة الحدودية.
يعتقد الأشخاص الأوائل (ربما يعتقد الكثير من الناس ذلك الآن) بناءً على نوع من "الفطرة السليمة" ، أن شكل الجزء الأمامي من الكائن يحدد حجم المقاومة ، وستكون المقاومة صغيرة إذا كان الجزء الأمامي أكثر حدة . مع نظرية الطبقة الحدودية ، من المهم اكتشاف شكل مؤخرة الجسم. لأن شكل الجزء الخلفي من الكائن يحدد مكان فصل الطبقة الحدودية وبالتالي توزيع الضغط على سطح الكائن.
تعتبر الأسماك والطيور الشائعة أجسامًا انسيابية مثالية نسبيًا ، برؤوس مستديرة وذيول مدببة.
03
مقاومة الشكل الأمامي
على الرغم من أن شكل الجزء الخلفي من الجسم يعد أمرًا حاسمًا بالنسبة لمقدار السحب ، إلا أن شكل الجزء الأمامي مهم أيضًا. على سبيل المثال ، إذا كان الجزء الأمامي من الجسم مربعًا ، فسوف ينفصل السائل مبكرًا عند الزوايا الحادة ، ويفقد الشكل الخلفي المصمم بعناية معناه. بالنسبة للشاحنات التي تعمل حاليًا على الطريق السريع ، فإن تحسين الشكل الذي تم تحقيقه يتركز بشكل أساسي على الجزء الأمامي ، ويقتصر الجزء الخلفي على شكل الحاوية ، لذلك تم إنجاز القليل من العمل. بالنسبة للأجسام التي تتحرك بسرعة ترانسونيك ، فإن موجة الصدمة ستولد مقاومة إضافية ، لذلك فإن الجزء الأمامي مصمم بشكل مدبب للغاية ، بحيث تكون الزاوية المخروطية لموجة الصدمة أصغر لتقليل المقاومة.
04
مقاومة موجة الصدمة
عندما تقترب سرعة التدفق الوارد من سرعة الصوت أو تتجاوزها ، ستتولد موجات الصدمة ، والتي ستجلب مقاومة إضافية لموجة الصدمة. في جوهرها ، تعتبر مقاومة موجة الصدمة أيضًا نوعًا من مقاومة فرق الضغط ، والتي تنتج عن عدم كفاية استرداد الضغط في النصف الخلفي من الجسم بسبب وجود موجات الصدمة. بإهمال الفقد اللزج ، عندما لا تكون هناك موجة صدمة ، فإن تباطؤ تدفق الهواء في النصف الثاني من الجسم يتوافق مع ارتفاع الضغط Δp1 ؛ عندما تكون هناك موجة صدمة ، يفقد تدفق الهواء جزئيًا جزءًا من الطاقة الميكانيكية عند المرور عبر موجة الصدمة ، وسيكون ارتفاع الضغط Δp2 المقابل لنفس التباطؤ أصغر من Δp1. لذلك ، عندما تكون هناك موجة صدمة ، يكون الضغط في النصف الخلفي من الجسم أقل قليلاً ، وهو مصدر مقاومة موجة الصدمة. يمكن أن يؤدي جعل الحافة الأمامية للجسم حادًا إلى تقليل زاوية مخروط الصدمة ، وبالتالي تقليل الخسارة التي تسببها موجة الصدمة ، وكذلك تقليل مقاومة موجة الصدمة. عندما تسافر السفينة على سطح الماء ، فإنها ستولد موجات سطحية ولديها أيضًا مقاومة للأمواج ، لذلك يجب أن تكون مدببة ، بينما تكون الغواصة التي تتحرك تحت الماء مستديرة.
استخدام فقدان الطاقة لشرح مقاومة موجة الصدمة ليس مباشراً بما فيه الكفاية. بعد كل شيء ، فإن الضغط والقوة اللزجة على سطح الجسم هي العوامل التي تحدد حجم المقاومة بشكل مباشر. بعد ذلك ، يتم تفسير مقاومة موجة الصدمة من خلال تغيير ضغط سطح الجسم.
05
تأثير الشكل وجودة السطح على السحب
يعد تقليل المقاومة موضوعًا أبديًا لميكانيكا الموائع. يمكن أن يؤدي استخدام خطوط الانسياب إلى تقليل مقاومة الضغط التفاضلي بشكل فعال ، ويرجع ذلك أساسًا إلى عدم وجود فصل طبقة حدية على سطح جسم انسيابي جيد التصميم ، وبالتالي تقليل مقاومة الضغط التفاضلي.
بالإضافة إلى الشكل ، فإن خشونة سطح الكائن تؤثر أيضًا على السحب. بشكل عام ، كلما كان السطح أكثر نعومة ، كانت مقاومة الاحتكاك أصغر ، ولكن أحيانًا يكون سطح الجسم خشنًا عن قصد ، بحيث تصبح الطبقة الحدودية مضطربة لمنع الانفصال ، وبالتالي تقليل المقاومة التفاضلية للضغط بشكل كبير.
06
لخص
عند تحليل المقاومة الديناميكية الهوائية لجسم ما ، فإن عادة ميكانيكا الموائع هي تقسيمها وفقًا لشكل القوة. تسمى المقاومة الناتجة عن الضغط الذي يعمل عموديًا على سطح الجسم بمقاومة الضغط التفاضلي ، بينما تسمى المقاومة الناتجة عن قوة الاحتكاك الموازية لسطح الجسم مقاومة الاحتكاك. نظرًا لعدم وجود قوة بخلاف هاتين القوتين على سطح جسم ما ، فإن أي نوع من المقاومة يكون إما مقاومة فرق الضغط أو مقاومة الاحتكاك أو كليهما.
تعتبر مقاومة فرق الضغط الناتجة عن فصل التدفق ومقاومة فرق الضغط الناتجة عن موجة الصدمة من أكبر العوامل التي تؤثر على المقاومة الديناميكية الهوائية للأجسام.
الأجسام منخفضة المقاومة دون سرعة الصوت لها رؤوس مستديرة وذيول مدببة ، بينما الأجسام ذات المقاومة المنخفضة الأسرع من الصوت لها نهايات مدببة.
