Voolutakistus on laiaulatuslik probleem. Auto kütusekulu suurel kiirusel tuleneb peamiselt õhutakistusest, mitte maapinna hõõrdetakistusest. Põhjus, miks sudu võib õhus "hõljuda", tuleneb ka voolutakistusest. Need kõik illustreerivad õhutakistuse tähtsust.
01
Rõhuvahe takistus ja hõõrdetakistus
Jõu seisukohalt on objekti takistuseks vedeliku otsene toime selle pinnale. See, mis on objekti pinnaga risti, on vedeliku rõhk ja selle tekitatud takistust nimetatakse diferentsiaalrõhu takistuseks; see, mis on paralleelne objekti pinnaga, on vedeliku viskoosne nihkejõud ja selle tekitatavat takistust nimetatakse hõõrdetakistuseks. Peale nende kahe jõu pole muud jõudu. Seetõttu on objekti kogutakistus rõhuerinevuse takistuse ja hõõrdetakistuse resultantjõud. Rõhu erinevuse takistus on tihedalt seotud objekti kujuga ja hõõrdetakistus on peamiselt seotud objekti pindalaga.
Mõnes kohas räägitakse, et lisaks rõhuvahe takistusele ja hõõrdetakistusele on veel indutseeritud takistus, lööklainetakistus jne, mis on arusaamatus. Tegelikult võib nii indutseeritud takistuse kui ka lööklaine takistuse omistada rõhuerinevuse takistusele ja hõõrdetakisusele (peamiselt rõhuerinevuse takistusele).
02
kuju vastupanu tagumine takistus
Juba iidsetest aegadest on teada, et vedelikus liikuvad objektid kogevad takistust ja takistus on tihedalt seotud objekti kujuga. Kuid algne vedelikumehaanika teooria jõudis vastupidisele järeldusele. Lähtudes Euleri ja Bernoulli vedeliku liikumise seadustest, ei tekita vedelik takistust selles liikuvatele mis tahes kujuga objektidele, kui vedeliku viskoossust ignoreerida.
Tundub, et takistuse põhjustab täielikult viskoossus, kuid õhu viskoossus on väga väike ja selle tekitatav hõõrdetakistus on palju väiksem kui tegelikult mõõdetud aerodünaamiline takistus. Seda vastuolu tuntakse ajaloos "D'Alemberti paradoksina", kuna selle pakkus välja prantsuse matemaatik D'Alembert.
Alles siis, kui Prandtl esitas piirikihi teooria, mõistsid inimesed voolutakistuse olemust. Rõhuvahe takistus on aerodünaamilise takistuse põhikomponent, samas kui üldiste objektide puhul on rõhuerinevuse takistus peamiselt tingitud piirkihtide eraldumisest.
Varased inimesed (võib-olla arvavad paljud nii praegu) mingisugusele "tervele mõistusele" tuginedes uskusid, et objekti esiosa kuju määrab vastupanu suuruse ja vastupanu on väike, kui esiosa on teravam. . Piirkihi teooria puhul on olulisem avastada objekti tagaosa kuju. Sest objekti tagakülje kuju määrab, kust piirkiht eraldub ja seega rõhujaotuse objekti pinnal.
Tavalised kalad ja linnud on suhteliselt täiusliku voolujoonelise kehaga, ümarate peade ja terava sabaga.
03
Kujukindlus Esitakistus
Kuigi takistuse määramisel on määrav objekti tagaosa kuju, on oluline ka esiosa kuju. Näiteks kui objekti esiosa on ruudukujuline, eraldub teravate nurkade juures vedelik varakult ja tagaosa hoolikalt kujundatud kuju kaotab oma tähenduse. Praegu maanteel sõitvate veokite puhul on saavutatud kuju optimeerimine koondunud peamiselt esiosale ning tagumist osa piirab konteineri kuju, seega on tööd vähem tehtud. Transoonilise kiirusega liikuvate objektide puhul tekitab lööklaine lisatakistust, seega on esiosa kujundatud väga terava kujuga, nii et lööklaine koonuse nurk on takistuse vähendamiseks väiksem.
04
Lööklaine takistus
Kui sissetuleva voolu kiirus läheneb helikiirusele või ületab selle, tekivad lööklained, mis toovad kaasa täiendava lööklaine takistuse. Sisuliselt on lööklainetakistus ka omamoodi rõhuerinevustakistus, mis on põhjustatud lööklainete olemasolust tingitud ebapiisavast rõhu taastumisest objekti tagumises pooles. Jättes tähelepanuta viskoosse kadu, vastab lööklaine puudumisel õhuvoolu aeglustumine objekti teises pooles rõhu tõusule Δp1; lööklaine korral kaotab õhuvool lööklaine läbimisel osaliselt osa mehaanilisest energiast ja samale aeglustusele vastav rõhutõus Δp2 on väiksem kui Δp1. Seetõttu on lööklaine korral rõhk objekti tagumises pooles veidi madalam, mis on lööklaine takistuse allikas. Objekti esiserva teravaks muutmine võib vähendada löökkoonuse nurka, vähendades seeläbi lööklaine põhjustatud kadu ja ka lööklaine takistust. Kui laev liigub veepinnal, tekitab see pinnalaineid ja omab ka lainetakistust, seega tuleks see teha terava otsaga, samas kui vee all sõitev allveelaev on ümardatud.
Energiakadude kasutamine lööklaine takistuse selgitamiseks ei ole piisavalt otsene. Rõhk ja viskoosne jõud objekti pinnal on ju need tegurid, mis otseselt määravad takistuse suuruse. Järgmisena seletatakse lööklaine takistust objekti pinnarõhu muutumisega.
05
Kuju ja pinnakvaliteedi mõju takistusele
Takistuse vähendamine on vedeliku mehaanika igavene teema. Voolujoonte kasutamine võib tõhusalt vähendada diferentsiaalrõhu takistust, peamiselt seetõttu, et hästi läbimõeldud voolujoonelise korpuse pinnal ei ole piirkihtide eraldumist, vähendades seeläbi diferentsiaalrõhu takistust.
Lisaks kujule mõjutab takistust ka objekti pinna karedus. Üldjuhul, mida siledam on pind, seda väiksem on hõõrdetakistus, kuid mõnikord on objekti pind tahtlikult kare, nii et piirkiht muutub eraldumise pärssimiseks turbulentseks, vähendades seeläbi oluliselt rõhuerinevust.
06
Tehke kokkuvõte
Objekti aerodünaamilise takistuse analüüsimisel on vedelikumehaanika kombeks see jagada jõu vormi järgi. Objekti pinnale vertikaalselt mõjuva rõhu tekitatud takistust nimetatakse diferentsiaalrõhutakistuseks, objekti pinnaga paralleelsest hõõrdejõust põhjustatud takistust aga hõõrdetakistuseks. Kuna objekti pinnal pole peale nende kahe jõu muud jõudu, on igasugune takistus kas rõhuerinevuse takistus või hõõrdetakistus või mõlemad.
Voolu eraldumisest põhjustatud rõhuerinevuse takistus ja lööklaine põhjustatud rõhuerinevuse takistus on suurimad tegurid, mis mõjutavad objektide aerodünaamilist takistust.
Allahelikiirusega väikese takistusega objektidel on ümarad pead ja teravad sabad, ülehelikiirusega madala takistusega objektidel aga teravad otsad.
